[发明专利]一种聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维的制备方法，更具体地说，本发明涉及一种聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]（PIPD）纤维的制备方法，属于高性能纤维制备技术领域。

背景技术

1998年，荷兰的阿克苏·诺贝尔研究所（AkzoNobel）开发成功聚[2,5-二羟基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]（PIPD)纤维，并申请基本专利US5674969。PIPD纤维具有优异的力学性能：拉伸强度和拉伸模量分别为5GPa和330GPa，达到甚至部分超越有着“有机纤维之王”美誉的PBO纤维；压缩强度接近碳纤维，高达1.7GPa，为目前有机纤维之最；优异的界面性能使得其剪切模量约为6GPa。另外，PIPD纤维还具有优异的耐光老化性能，良好的耐冲击、耐热、阻燃和介电等性能。PIPD纤维是一种综合性能优越的高性能纤维。

PIPD纤维优异的综合性能使其自问世起就受到广泛关注。首先，美国具有军方背景的麦哲伦国际（MagellanSystemsInternational）购买了PIPD的基本专利。随后，该公司成为杜邦（E.I.duPontdeNemoursandCompany）的子公司，并携手美国陆军士兵与生化中心（U.S.ArmySoldierandBiologicalChemicalCommand），凭借杜邦的纺丝优势和美国陆军士兵与生化中心的军事应用专长做进一步开发，并申请了一系列专利。

US7,776,246名称为“Processfortheproductionofpolyarenazoleyarn”的发明专利公开了一种制备PIPD纤维的方法，具体步骤包括：1）挤出；2）集束；3）加热丝束至约120℃以上，保温约2min，使丝束中的PPA水解；4）洗涤；5）干燥；6）在约300℃下进行热处理（可选）；7）收卷。US7,888,457名称为“Processforremovingphosphorusfromafiberofyarn”的发明专利公开了两种除去PIPD纤维中PPA，降低纤维含磷量的方法。一种是直接将含有PIPD聚合物和PPA的丝条加热到约120℃以上，保温一段时间，使PPA充分水解；之后用100℃左右的液体将水解后的PPA从丝束中洗去。另一种是使丝条通过温度为100℃，pH值低于4.0的酸性介质（主要为一定质量分数的磷酸的水溶液），同时水解和洗去其中的PPA。US7,906,615名称为“Processforhydrolyzingpolyphosphoricacidinaspunyarn”发明专利对US7,888,457专利中水解和除去纤维中的PPA的方法进一步细化。而且，两个专利的实施例中都提到：在61m/min的速度下，用表面温度为201-220℃的热辊使丝束中的PPA水解时，丝束刚性变得很大，纤维之间发生粘连，在热辊表面可以观察到残留的纤维。US8,263,221名称为“Highinherentviscositypolymersandfiberstherefrom”的发明专利对以上所有专利中提及的PIPD纤维的制备过程和纤维中PPA的水解和除去进行了更为详尽充分的披露。该专利关于PIPD纤维的制备过程主要集中在纤维中PPA的除去，具体步骤如下：1）用23℃左右质量分数为20%磷酸水溶液洗涤，除去纤维中的大部分磷酸；2）使用US7,888,457中公开的方法使PPA水解；3）用碱液（主要为NaOH水溶液）洗涤中和纤维中的大部分PPA；4）去离子水洗涤过量的碱液；5）用酸液（主要为醋酸的水溶液）洗涤纤维表面的金属阳离子；6）去离子水洗涤过量的酸液。所使用的碱液、酸液、去离子水温度最好高于30℃。经过上述一系列的洗涤后，PIPD纤维中的含磷量可以降到2000ppm以下。然后，纤维在表面温度约80-130℃的干燥设备上初步干燥大约5s-5min，可以在干燥设备中提供N₂或其他惰性气体氛围。再者，纤维通过通有N₂的管式炉进行热处理，释放分子间内应力提高纤维强度；最后，收卷。US8,419,989名称为“Processandapparatusfortheproductionofyarn”的发明专利对PIPD纤维采用的传统的液晶纺丝方法进行了改进。在空气隙和牵伸装置之间增加了以下装置：一个下有丝束通过甬道的凝固浴槽，以及位于凝固浴槽下方的两个平行的有机玻璃板形成的狭缝。喷丝孔挤出的PIPD丝条经空气隙的拉伸后，立即在凝固浴槽中凝固去除大部分的PPA，经过下方的甬道出凝固浴，在通过下方的狭缝时，利用狭缝对丝束的摩擦产生向上的拉力，克服丝条自身和带有的凝固剂受重力作用对丝条产生的拉伸影响。