[发明专利]一种聚酰亚胺/聚丙烯腈共混纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚酰亚胺(PI)与聚丙烯腈(PAN)共混纤维及其制备方法，属于共混纤维技术领域。

背景技术

聚酰亚胺(PI)纤维是高性能纤维的品种之一，因其特有的分子链结构和共轭效应，而使纤维表现出许多优良的性能，诸如热稳定性、耐低温性、耐辐照性、介电性、阻燃性等。此外，作为纤维材料，PI纤维还具有高强高模的性能，尤其在模量方面非常优越。

在制备方法上，湿法、干湿法纺丝均可用来制备聚酰亚胺纤维。根据纺丝浆液是聚酰亚胺还是聚酰胺酸，又可将聚酰亚胺纤维的制备方法分为一步法和两步法。一步法以聚酰亚胺溶液作为纺丝原液，以酚类为溶剂，醇类或醇和水的混合溶液作为凝固浴，通过湿法或干湿法纺丝制得聚酰亚胺初生纤维，干燥后，经过一定的热拉伸，可得到高强高模的聚酰亚胺纤维。而两步法是纺制聚酰亚胺纤维的典型方法，第一步是在常见的非质子强极性溶剂(DMAc、DMF或NMP)中，二酐和二胺通过低温缩聚反应生成聚酰胺酸，将该聚酰胺酸(PAA)溶液经湿法或干湿法纺丝得到聚酰胺酸纤维；第二步是将聚酰胺酸纤维洗涤、干燥，再通过热处理或化学试剂处理使之发生酰亚胺化反应，在一定的热拉伸条件下得到聚酰亚胺纤维。

热酰亚胺化是聚酰胺酸纤维完成脱水环化的常用方法。亚胺化过程可以在空气中进行，但在绝大多数情况下是在惰性气氛或真空状态下进行的，惰性气氛可以有效地降低热氧化副反应，而真空状态可以充分排除产生的小分子和溶剂。这就避免了酰亚胺化过程中纤维微孔的形成，从而使聚酰亚胺纤维的综合性能得到提高。

目前，在PI材料的改性方面，主要包括在PI分子主链上引入特征结构单元进行共聚改性，引入功能性侧基进行结构与功能的改性以及与其它高聚物进行共混改性或填充纤维、矿物粉末或其它无机填料进行复合改性等。相对于共聚、结构改性而言，对PI进行共混和复合改性是既经济且有效的方法。对于聚酰亚胺基材料的共混研究方面，以往主要侧重点在于对薄膜、胶黏剂、复合型树脂材料等产品和器件的研究，而很少涉及纤维材料方面。一些有关聚酰亚胺共混纤维的研究也仅限于利用成品聚酰亚胺材料进行共混改性，而未涉及聚酰亚胺纤维材料在制备过程中共混的技术方案。

与聚酰亚胺纤维的制备方法相似，聚丙烯腈(PAN)纤维也可采用湿法纺丝、干湿法纺丝和熔融纺丝等方法进行制备。其中，湿法纺丝工艺是出现最早，也是应用最为普遍的工艺。其适合于细径低线密度(＜1tex)原丝的制备，溶剂较易洗涤，丝上残留量较少，且表面具有沟槽，与基质结合较好，对于复合材料的性能有利。这种原丝经一定温度的预氧化处理后，能够形成分子尺度上的梯形稳定结构并提升材料的耐燃性能。此后纤维再经高温碳化处理，即可制成高弹性模量的碳纤维。

基于PAA及PAN初生纤维在制备方法上的相通之处，两者在材料共混、纤维制备过程、及其相互作用与纤维材料的性能关系等方面的研究空间相对广阔。市场上，高强高模的PI纤维造价较高，而PAN纤维相对价格低廉，如若利用PAA与PAN按优化比例进行共混改性，再经纤维制备及热处理获得的共混纤维，能够达到一定的进行性能要求，则有利于降低纤维材料在使用中的成本，获得更大的经济效益。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种以聚酰胺酸与聚丙烯腈共混物为纺丝液，利用两步法制备聚酰亚胺/聚丙烯腈共混纤维的新型方法。

一种聚酰亚胺/聚丙烯腈共混纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：首先利用二胺和二酐间的反应，以溶液聚合的方法，制备聚酰胺酸(PAA)溶液；

B：在溶剂中溶解聚丙烯腈聚合物粉体，N₂保护条件下持续搅拌，至粉体完全溶解；

C：将A、B两步骤中所获得的聚合物溶液，在N₂保护条件下，按PAN占PAA/PAN共混组分(不计溶剂)质量分数为3-40％进行共混，同时机械搅拌，至混合均匀，获得纺丝液前躯体；

D：将C步骤中所得纺丝液前躯体真空去除气泡，进行湿法纺丝，分别经过凝固浴和水洗浴，获得PAA/PAN初生共混纤维；

E：对D步骤所制备之初生共混纤维进行热处理，去除剩余水分及溶剂，完成共混纤维中PAN组分的预氧化过程以及聚酰胺酸的酰亚胺环化过程，获得PI/PAN纤维。