[发明专利]一种含羟基聚酰亚胺纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种含羟基聚酰亚胺纤维及其制备方法，该方法包括：将二胺单体与二酐单体，按一定摩尔配比共缩聚，制得聚酰胺酸纺丝原液；所述纺丝原液经过滤、消泡后，于精密的计量泵中喷出进行纺丝，制得聚酰胺酸纤维；所述聚酰胺酸纤维进行热亚胺化处理，制得含羟基聚酰亚胺纤维。该方法在保持聚酰亚胺纤维优异综合性能的基础上，制备的纤维表面均匀分布着丰富的羟基活性基团，在高性能纤维增强树脂基复合材料领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及高性能纤维技术领域，尤其涉及一种高性能聚酰亚胺纤维及其制备方法。

背景技术

近年来，随着新型航天飞行器、国防军工、海洋工业、汽车制造、新能源和体育器械等现代工业的迭代升级，带来的是对具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、抗冲击、抗断裂、抗疲劳和高强轻质材料的迫切需要，这无疑给高性能纤维增强树脂基复合材料提供了广阔的应用市场与发展潜力。

高性能纤维增强树脂基复合材料是一种具有两相或两相以上的结构材料，各相材料在维持其自身基本物理和化学性能的基础上，所制备的复合材料具有无可比拟的性能优势，可满足社会工业化发展的实际需要。目前，主流的增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维(PPTA)、聚对苯撑苯并二噁唑纤维(PBO)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)等，然而，这类纤维自身的性能缺陷限制了其复合材料的使用领域及寿命。例如，在潮湿环境下，PPTA纤维分子链上含有的极性酰胺基团具有较强的亲水性(吸水性可达7.75％)，因此制备的复合材料的力学性能、尺寸稳定性会受到影响。在光照条件下，PBO纤维分子链上含有的噁唑环对紫外光非常敏感，长期照射后噁唑环会断裂生成结构不稳定的酰胺键，然后分解为小分子单体，这严重限制了PBO纤维的使用价值，此外PBO纤维表面活性低、光滑、与树脂基体的界面粘接性能差，这进一步阻碍了纤维增强体在树脂基复合材料中的增强增韧作用。UHMWPE纤维熔融温度约为136℃，玻璃化转变温度约为95℃，在较高温度(140℃)条件下，使用1h，断裂强度下降率达16.84％，且分子链的—CH₂—CH₂—结构使纤维表面呈惰性，与树脂基体界面粘接性能差，进一步限制该类复合材料制品的使用温度和领域。

高性能聚酰亚胺(PI)纤维是一类分子主链中含有酰亚胺环结构的类环-链型高性能纤维，具有高强高模(拉伸强度可达4.5GPa、初始模量可达201GPa)、耐高温(起始分解温度＞420℃)、耐低温(-269℃不会脆断)、耐溶剂性、耐紫外辐照、阻燃自熄、高尺寸稳定性、高电绝缘、低介电、低蠕变、低真空挥发度等优异的综合性能。在极端环境(航空航天、深海作业、抢险救灾、国防军工等领域)下，与其他高性能纤维相比具有极大的优势，可用作高性能纤维增强树脂基复合材料的增强体，有望替代其他高性能纤维，提升树脂基复合材料的使用领域、寿命和材料性能的可靠性。

树脂基复合材料的综合性能是基于基体树脂、增强纤维以及两者界面的粘接情况共同决定的，其中良好的界面粘接可将增强纤维的增强增韧效果发挥到最大。然而，常用的增强纤维表面呈化学惰性、光滑、表面能低，与树脂基体的粘附性弱，制备的复合材料整体性能达不到预定要求，往往需对增强纤维的表面进行改性以提升复合材料的界面粘接性能。目前，高性能聚酰亚胺纤维表面处理方法涉及：化学改性法(偶联剂法、刻蚀法、接枝法)、涂覆法、物理改性法(等离子体、紫外辐照、臭氧辐照)等，综合对比这几种改性方法，化学改性可获得更为优异、稳定的界面剪切强度，但化学改性本身会对增强纤维的综合性能产生影响(尤其是力学性能)，故寻找新的改性途径显得至关重要。