專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高性能有機(jī)纖維技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚酰亞胺(PI)纖維作為高性能纖維的一個(gè)品種，具有高強(qiáng)高模、耐高溫、耐低溫和耐輻射等高性能，并且還具有良好的生物相容性和介電性能，可望在原子能工業(yè)、空間環(huán)境、救險(xiǎn)需要、航空航天、國(guó)防建設(shè)、新型建筑、高速交通工具、海洋開(kāi)發(fā)、體育器械、新能源、 環(huán)境產(chǎn)業(yè)及防護(hù)用具等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。目前聚酰亞胺纖維的制備主要包括一步法和兩步法。其中一步法技術(shù)路線為以聚酰亞胺溶液為紡絲漿液，通過(guò)濕法或干濕法紡制聚酰亞胺纖維，纖維經(jīng)初步拉伸后有一定的強(qiáng)度，去除溶劑后，進(jìn)行熱拉伸和熱處理(300°C — 500°C )，可得到高強(qiáng)高模的聚酰亞胺纖維。該方法紡絲工藝簡(jiǎn)單，但從目前聚酰亞胺的合成來(lái)看，普遍使用的溶劑是酚類(lèi)，酚類(lèi)溶劑(如甲酚、對(duì)氯苯酚)不僅毒性較大，而且在纖維中的殘余量較大，很難去除干凈，不利于環(huán)保，工業(yè)化很困難，另外，一步法技術(shù)對(duì)聚酰亞胺的可溶性有很高的要求，這就大大降低了聚酰亞胺纖維的耐腐蝕性能和耐熱性能。；國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利ZL 02112048. X，美國(guó)專(zhuān)利 US 4，370，290和US 5，378，420都公開(kāi)了采用一步法制備聚酰亞胺纖維方法。另一種是兩步法技術(shù)路線首先將聚酰胺酸的濃溶液經(jīng)濕法或干濕法噴絲得到聚酰胺酸纖維，然后將第一步紡制的聚酰胺酸纖維經(jīng)化學(xué)環(huán)化或熱環(huán)化得到的聚酰亞胺纖維。如日本公開(kāi)特許公報(bào)JP3287815、JP4018115均采用該法制備聚酰亞胺纖維。該方法的優(yōu)點(diǎn)是解決了聚酰亞胺纖維不熔不溶帶來(lái)的加工性難題，合成原料及溶劑種類(lèi)多、毒性小，纖維中溶劑殘余量低，適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。其缺點(diǎn)是該方法制備的聚酰亞胺纖維一般力學(xué)性能較低。申請(qǐng)?zhí)枮?00710050651. 1的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種含有苯并咪唑結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺纖維及其制備方法，該方法是將2- (4-胺基苯基)-5-胺基苯并咪唑和二酐按摩爾比 1 1的配比制備聚酰胺酸紡絲溶液，再將聚酰胺酸紡絲溶液進(jìn)行紡絲制備出聚酰胺酸原絲，最終將聚酰胺酸原絲進(jìn)行熱亞胺化得到聚酰亞胺纖維，其拉伸強(qiáng)度為0. 73 1. 53GPa, 初始模量為45. 2 220GPa ；申請(qǐng)?zhí)枮?01010572496. 1的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種以聯(lián)苯四酸二酐、對(duì)苯二胺和2-(4_氨基苯基)-5_氨基苯并咪唑?yàn)樵现苽涞木埘啺防w維及其制備方法，具體為將摩爾比為0.8 0.95 0.05 0.2的對(duì)苯二胺和2-(4_氨基苯基)-5_氨基苯并咪唑與聯(lián)苯四酸二酐溶于溶劑中制備聚酰胺酸紡絲溶液，然后將聚酰胺酸紡絲溶液進(jìn)行紡絲制備得到聚酰胺酸纖維，再將聚酰胺酸纖維進(jìn)行干燥、熱環(huán)化和熱牽伸制備得到聚酰亞胺纖維，其強(qiáng)度為2. 5GPa。以上兩種方法均通過(guò)加入2-(4_氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑來(lái)改善聚酰亞胺纖維的力學(xué)性能，并使其力學(xué)性能有了較大的提高， 但還沒(méi)有達(dá)到高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的性能要求，在合成方法和制備工藝上都需要有較大的突破和改變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是克服上述制備方法中的不足，進(jìn)一步提高聚酰亞胺纖維的力學(xué)性能，使其達(dá)到高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的性能求。本發(fā)明提供了一種由聯(lián)苯二酐(BPDA)、對(duì)苯二胺(pPDA)和2_(4_胺基苯)_5_胺基苯并咪唑(BIA)無(wú)規(guī)共聚得到的聚酰亞胺纖維，其中對(duì)苯二胺與2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑的摩爾比為1 10 3 1，制備得到的聚酰亞胺纖維拉伸強(qiáng)度為3.0 4. 5GPa， 初始模量為110 201GPa。在上述的聚酰亞胺纖維中還包括與其它二胺或/和二酐單體的共聚，其它二胺加入量與對(duì)苯二胺、2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑總加入量的摩爾比為1 10 1 4; 其它二酐與聯(lián)苯二酐的摩爾比為1 10 3 7。這些二胺和二酐為本領(lǐng)域人員用于合成聚酰亞胺的各種二胺和二酐單體，其通式如下H2N-R-NH權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維，其特征在于，包括由聯(lián)苯二酐(BPDA)、對(duì)苯二胺 (pPDA)和2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑(BIA)無(wú)規(guī)共聚得到的聚酰亞胺纖維，其中對(duì)苯二胺與2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑的摩爾比為1 10 3 1。
2.按照權(quán)利要求1的一種高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維，其特征在于，聚酰亞胺纖維中還包括與其它二胺或/和二酐單體的共聚，其它二胺加入量與對(duì)苯二胺、2- (4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑總加入量的摩爾比為1 10 1 4;其它二酐與聯(lián)苯二酐的摩爾比為1 10 3 7。
3.權(quán)利要求1所述的一種高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的制備方法，其特征在于，包括以下步驟A 將對(duì)苯二胺、2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑、聯(lián)苯二酐，按二胺與二酐總摩爾比 1 0.95 1 1.05進(jìn)行配比，其中對(duì)苯二胺與2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑的摩爾比為1 10 3 1 ；B 在隊(duì)保護(hù)下將步驟A的二胺加入計(jì)量溶劑溶解，然后加入二酐，使溶液的固含量為 5 35wt%，充分反應(yīng)后獲得聚酰胺酸紡絲溶液；C 將聚酰胺酸紡絲溶液按照濕法或干濕法紡絲工藝進(jìn)行紡絲，采用一步連續(xù)制備法， 即紡絲溶液經(jīng)過(guò)噴絲板噴出后，連續(xù)經(jīng)過(guò)凝固浴凝固、水洗、不同溫度的熱爐處理和收絲， 得到高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維；聚酰胺酸溶液的合成采用梯度溫度式反應(yīng)，溫度段為2 5段，每段溫度為 75°C -10°C，每個(gè)溫度段反應(yīng)時(shí)間不等，總計(jì)2 20小時(shí)；所采用的一步連續(xù)制備方法中，至少包括四段熱爐，各熱爐溫度為80°C 550°C，牽伸比為1 2，過(guò)爐總時(shí)間為5 30min，爐內(nèi)氣氛為空氣或者氮?dú)?，?dāng)溫度高于400°C時(shí)進(jìn)行高倍牽伸，牽伸比為3 7，爐內(nèi)氣氛為氮?dú)狻?br> 4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于，步驟A中還包括其它二胺或/和其它二酐，其它二胺加入量與對(duì)苯二胺、2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑總加入量的摩爾比為1 10 1 4;其它二酐與聯(lián)苯二酐的摩爾比為1 10 3 7。
5.按照權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于，步驟B中所用的溶劑為二甲基甲酰胺 (DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)或N-甲基吡咯烷酮。
6.按照權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于，步驟C中所用噴絲板孔徑為Φ0.045mm 0. 75mm,孔數(shù)為50 2000孔。
7.按照權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于，步驟C中所采用的濕法或干濕法工藝時(shí)凝固浴和清洗浴均分別為水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、甲苯、N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)、N， N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜(DMSO)中的一種或幾種的混合溶劑。
8.按照權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于，步驟B的梯度溫度依次降低。
9.按照權(quán)利要求3或4的方法，其特征在于，步驟C四段熱爐的溫度依次升高。
全文摘要
一種高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維及其制備方法，屬于高性能有機(jī)纖維技術(shù)領(lǐng)域。該纖維包括由聯(lián)苯二酐(BPDA)、對(duì)苯二胺(pPDA)、2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑(BIA)制備的聚酰亞胺纖維，其中PPDA與BIA的摩爾比為1∶10～3∶1，在合成過(guò)程中還可加入其它二胺和二酐單體，在制備過(guò)程中采用梯度溫度式反應(yīng)法和一步連續(xù)制備法，突破了2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑含量增加帶來(lái)的合成及加工上的困難，解決了纖維性能均一性和穩(wěn)定性差的問(wèn)題，獲得了具有高強(qiáng)高模特性的聚酰亞胺纖維，其強(qiáng)度可達(dá)4.5GPa，模量可達(dá)201GPa，而且原料來(lái)源廣泛，紡絲過(guò)程連續(xù)化進(jìn)行，成本低，效率高，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)D01D5/04GK102345177SQ201110222300
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月4日
發(fā)明者吳戰(zhàn)鵬, 武德珍, 牛鴻慶, 趙昕, 閆曉娜, 韓恩林, 齊勝利 申請(qǐng)人:北京化工大學(xué)