聚酰亚胺纤维表面的碱浸蚀处理
日期：2019-01-17 10:14
聚酰亚胺作为一类杂环高性能聚合物,其耐热及耐化学性质优良,但其耐碱水解性较差。将聚酰亚胺在特定工艺条件下用碱液处理和酸质子化处理后,聚酰亚胺分子结构中的酰亚胺环会发生开环反应,形成羧基和酰胺基,提高了分子的亲水性和活性1。同样,聚酰亚胺纤维的耐碱水解性也较差,在碱性水解过程中,纤维表面的酰亚胺基团会发生开环反应,生成带有羧酸盐的高聚物,进步酸质子化处理能形成酰胺酸结构,该反应的分子结构变化如图5-1所示。
陕西科技大学的徐强等为了制备性能优异的聚酰亚胺纸,系统地研究了聚酰亚胺纤维在碱液处理作用下的性能变化。实验方法是在常温下将经过打浆分散处理的聚酰亚胺短切纤维加入KOH溶液中进行不同时间的碱处理,用清水洗净纤维表面的KOH;然后再用乙酸溶液对纤维进行质子化处理,用清水洗净后干燥。聚酰亚胺纤维化学改性前后的红外光谱图(图5-2)显示KOH处理60min后代表酰亚胺基团的1780cm-1370cm-、1090cm-等处吸收峰的强度减弱甚至消失,而在1715cm1650cm-和1550cm-处出现了新的酰胺酸基团特征吸收峰,其中1650cm-和1550cm-处的吸收峰为CONH基团中的C=0振动和N一H振动,1715cm-处为羧酸羰基的伸缩振动。结果表明,对聚酰亚胺纤维进行表面化学改性处理能够在分子结构中引入羧基等亲水基团。
实验测定了不同碱处理时间下聚酰亚胺纤维的结晶度(表5-1),随着碱处理时间的延长,纤维的结晶度呈现出先上升后下降的趋势。原因是碱处理过程中纤维的降解反应是按照由表面到内部、由非结晶区到结晶区的顺序进行的,无定形区的分子链最先发生反应并溶解,随着无定形区分子链的降解和流失,结晶区的比例相应增大,从而纤维的结晶度上升。随着碱处理时间的进一步延长,纤维表面受到微蚀刻降解等作用而产生结构缺陷,化学试剂逐步渗透到纤维内部及结晶区,引起结晶区内部分子链降解和反应,破坏了结晶区的晶型,使纤维的部分结晶区向无定形区转变,最终导致纤维结晶度下降。
在化学改性过程中,纤维表面的酰亚胺基团发生开环反应而使纤维的热稳定性能有所下降。碱液处理后纤维表面产生微蚀刻现象,表面粗糙度增加。改性时间控制在30min以内时,纤维的物理强度基本不变,因此,控制一定的化学改性条件,能够在保证纤维强度的情况下提高纤维的表面活性。
北京化工大学的Han等对聚酰亚胺纤维进行表面处理,室温下将聚酰亚胺短切纤维在KOH水溶液中浸泡,然后用盐酸溶液酸化,用去离子水充分洗涤并真空干燥。图5-3的扫描电子显微镜清楚地表明,改性后聚酰亚胺短纤维的表面形态比改性前更粗糙。短纤维的( Brunauer- Emmett- Teller,BET)比表面积测定表明,改性前它的表面太光滑,氮气的吸附很低,其BET比表面积为0.0051m3/g,而改性后聚酰亚胺短纤维的表面变粗糙,吸附能力增强,BET比表面积达到0.1568m2/g。
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