[发明专利]一种聚酰亚胺纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高性能有机纤维技术领域，具体涉及一种聚酰亚胺纤维的制备方法。

背景技术

由于分子链独特的刚性结构，聚酰亚胺纤维具有优异的力学性能，良好的耐化学稳定性，耐热性和耐辐射性等，从而被广泛应用于航空航天，国防军工，阻燃防护和原子器件等领域。目前，常用两步法来制备聚酰亚胺纤维，即通过二酐与二胺反应制备聚酰胺酸预聚体，然后通过热亚胺化或化学亚胺化脱水成环得到聚酰亚胺纤维。然而，在两步法制备聚酰亚胺纤维的过程中，双扩散效应和热亚胺化过程中小分子的脱除会导致纤维内部产生孔洞结构，从而影响纤维的力学性能。因此，需要在现有的工艺条件下对聚酰亚胺纤维进行改性，从而改善孔洞结构所带来的后果。

一般来说，将刚性单体进入聚合物主链可以有效提高纤维的力学性能，但刚性大分子的运动能力较差，不利于孔洞等缺陷结构的减少和纤维性能的进一步提升，而化学亚胺化的制备过程可以有效改善纤维内部孔洞结构的尺寸。另外，部分亚胺化的聚酰胺酸纤维中由于含有刚性聚酰亚胺链段，在受到牵伸作用时分子链排列更加规整，从而诱导提高纤维的结晶度。当向聚酰胺酸溶液中加入化学亚胺化试剂后，部分聚酰胺酸链段转变成为刚性聚酰亚胺链段，由于聚酰亚胺分子链与极性溶剂的亲和性较差，在双扩散过程中其双向传质程度较弱，从而有效减少孔洞结构的产生。同时，在热亚胺化过程中，聚酰亚胺链段不会发生小分子的脱除，从而进一步降低孔洞结构的产生来有效提高纤维的力学性能。本发明在纤维制备过程中通过将化学亚胺化和热亚胺化工艺进行结合，可以有效提高纤维的结晶度，并降低纤维内部孔洞结构的尺寸，从而进一步提高聚酰亚胺纤维的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于通过结合化学亚胺化和热亚胺化工艺，可以有效提高纤维的结晶度，并降低纤维内部孔洞结构的尺寸，从而进一步改善聚酰亚胺纤维的力学性能。

本发明的一种聚酰亚胺纤维的制备方法，包括以下步骤：

A:采用二酐与二胺总摩尔比1:1～1：1.05进行配比，在N₂保护下在溶剂中发生缩合聚合反应，溶液的固含量为5～20wt％，充分反应后得到聚酰胺酸纺丝溶液。

B:将乙酸酐与催化剂均匀混合后加入到上述聚酰胺酸溶液中，充分反应后得到部分亚胺化的聚酰胺酸溶液，其中乙酸酐与催化剂的摩尔配比为1:1～10:1，乙酸酐与二胺的摩尔配比为0.05:1～1:1。

C:将聚酰胺酸溶液按照湿法或干湿法纺丝工艺进行纺丝，所得聚酰胺酸初生纤维经过热亚胺化后得到具有优异力学性能的聚酰亚胺纤维。

步骤A中所采用的二酐为3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐(BPDA)，均苯四甲酸二酐(PMDA)，3,3’,4,4’-联苯醚二酐(ODPA)，3,3’,4,4’-二苯甲酮四酸二酐(BTDA)，六氟二酐(6FDA)中的至少一种。

步骤A中所采用的二胺为对苯二胺(p-PDA)，4,4’-二氨基二苯醚(ODA)，2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑(BIA)中的至少一种。

步骤A中所采用的溶剂为N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，二甲基亚砜(DMSO)或N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

步骤B中所采用的催化剂为吡啶或三乙胺。

步骤C中湿法或干湿法纺丝工艺进行纺丝过程中所采用的凝固浴为水，甲醇，乙醇，乙二醇，丙酮，甲苯，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)，N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，二甲基亚砜(DMSO)，N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种或几种的混合溶液。

步骤C中所采用的热亚胺化工艺为梯度升温的热亚胺化工艺，温度范围为280-500℃。

与现有的技术相比较，本发明具有以下创新性及优良效果：

1、本发明制备得到的聚酰亚胺纤维中，通过化学亚胺化与热亚胺化工艺的结合，有效提高纤维的结晶度，并降低纤维内部孔洞结构的尺寸，从而提高纤维的力学性能

2、本发明提供的方法可以通过改变化学亚胺化试剂的含量来实现聚酰亚胺纤维的力学性能可调。

3、本发明采用两步法工艺制备聚酰亚胺纤维，合成方法相对简单，原料来源广泛，且对环境污染较小。

附图说明

图1为本发明实施例1中聚酰胺酸纤维的红外谱图。

图2为本发明实施例1中聚酰胺酸纤维的扫描电镜图片；

其中a和b分别为聚酰胺酸纤维的表面和断面扫描电镜图片。

图3为本发明实施例1中聚酰亚胺纤维的X射线衍射图片；