[发明专利]一种高性能聚酰亚胺纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能聚酰亚胺纤维的制备方法，包括：浸润处理后的聚酰亚胺纤维浸泡于含碳纳米粒子溶液，然后进行超临界二氧化碳技术处理，后处理，即得。本发明不仅提高了聚酰亚胺纤维的机械性能、耐热性能及尺寸稳定性等，同时有利于改善纤维表面的微观结构，提高纤维作为复合材料增强体与树脂基体间的界面结合力。

技术领域

本发明属于纳米纤维材料的制备方法领域，特别涉及一种高性能聚酰亚胺纤维的制备方法。

背景技术

聚酰亚胺纤维作为高性能纤维的一种，具有优异的机械性能、耐热性、耐化学稳定性、耐辐照性能，在航空航天、军事以及工业领域有巨大的应用潜力。然而，聚酰亚胺纤维的力学性能远没有达到其理论强度，具有很大的提升空间。

碳纳米管具有超高的力学性能、耐热性能、化学稳定性及大的比表面积被视为理想的复合材料填料，例如，聚乙烯碳纳米管复合纤维(CN106521676A),聚丙烯腈基共聚物与纳米碳管的复合材料(CN102464848A),PBO碳纳米管复合纤维(CN101338463A)等碳纳米管增强聚合物纤维的专利已经被发表，碳纳米管的加入可以有效的提高纤维的力学性能，同时改善纤维的热稳定性。Yin等人(Composites part B:Engineering.2014；58:430-437)通过原位聚合的方法，将羧基化碳管引入到聚酰亚胺结构中，纤维的强度和模量分别为1.52GPa和59GPa。Dong等人(Polymer 2013；54(23):6415-24)通过原位共聚的方法将氨基功能化的石墨烯引入到聚酰亚胺纤维主体结构中，复合纤维的拉伸强度与模量分别为2.3GPa和132GPa。但是，填料与基体之间的相互作用力差、填料本身容易团聚而在纤维内部产生缺陷，是影响纤维性能的重要因素。必须考虑到的是，在聚酰亚胺单体反应过程中，原位聚合容易降低聚合物的分子量，或者引起纺丝原液凝胶，而使得制备的纤维性能较差。一般而言，纳米填料的含量通常较低，其分散在纤维内部，纤维表面光滑，而当纤维作为增强复合材料的时候，光滑的表面不利于增强其与基体的复合效力。

在复合材料中，除了增强体与基体材料本身的性能外，两者之间的界面结合力和增强体在基体内部的分散性对复合材料综合性能也有很大的影响。由于碳纳米管容易团聚的纳米粒子特性，其在作为增强体之前必须进行超声处理使之分散均匀，同时研究人员也会在碳纳米管表面接载羧基、羟基等官能团或者添加分散剂以增加其分散性，而碳纳米管表面的官能团也可以增加与基体的相互作用。芳香族聚酰亚胺具有不溶解不熔融的特性，因此聚酰亚胺纤维通常采用两步法来制备，即先用二酐和二胺在非质子极性溶剂中聚合成聚酰胺酸溶液，经过纺丝成形后再热环化成聚酰亚胺纤维。而聚酰胺酸很不稳定，遇到含活泼氢的物质容易发生不可逆的降解，影响纤维的分子量，从而影响到纤维的最终性能。在目前报道的碳纳米粒子/聚酰亚胺复合纤维中普遍采用原位共混的方式，然而在聚酰胺酸溶液里添加碳管分散液容易造成聚酰胺酸的降解，其次，团聚的碳管容易在纤维中形成缺陷，损害纤维的机械性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能聚酰亚胺纤维的制备方法，解决现有聚酰亚胺纤维力学性能较低，且与树脂基体复合时界面相互作用差的问题。本发明中采用两步法可以得到具有高分子量、致密结构和氢键相互作用的聚酰亚胺纤维。

本发明的一种聚酰亚胺纤维的制备方法，包括：

(1)纤维的浸润处理：

将聚酰亚胺纤维置于非质子极性溶剂中进行浸润处理，利用非质子极性溶剂的扩散和对聚酰胺酸的溶解性，获得具有一定孔隙率的纤维；

(2)碳纳米粒子/聚酰亚胺纤维的制备及后处理

将步骤(1)浸润处理后的聚酰亚胺纤维浸泡于含碳纳米粒子溶液，然后进行超临界二氧化碳技术处理，得到碳纳米粒子/聚酰亚胺纤维复合材料，后处理，即得。

上述制备方法的优选方式如下：