聚酰亚胺纤维的一步法、两步法纺丝
日期：2018-10-30 10:01
一步法纺丝是以聚酰亚胺溶液为纺丝原液，直接纺织出聚酰亚胺纤维，没有酰亚胺化工序。一步法纺丝工艺相对简单，纺制的初生纤维无须再进行酰亚胺化，可有效避免两步法工艺中因酰亚胺化过程所造成的纤维内部微孔缺陷，一般得到的聚酰亚胺纤维的力学性能较高。一步法仅适用于可溶性聚酰亚胺，而且早期一步法所采用的溶剂是毒性较大的酚类溶剂(如间甲酚、对氯苯酚),这类溶剂在纤维中的残余量较大,很难去除干净,并且在聚合物溶液制备及纺丝过程中,即使有微量溶剂逸出,都会对环境和操作人员的健康造成严重危害,工业化过程难以实现,因此一步法制备聚酰亚胺纤维的发展受到了很大的制约。由于聚酰亚胺的溶解性较差,极大地限制了采用一步法工艺所能制备聚酰亚胺纤维的种类。如果能够合成出可溶性聚酰亚胺,可以溶解于低毒、容易脱除、易回收溶剂,如N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、环丁砜(SF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚碱(DMSO),那么一步法制备聚酰亚胺纤维的路线将会得到广泛的应用。随着聚酰亚胺结构设计的不断进步,部分聚酰亚胺能够找到有效的溶剂,从而推动了一步法纺制聚酰亚胺纤维的发展。最早采用一步法制备聚酰亚胺纤维的是奥地利兰精公司,它利用3,3,4,4-二苯酮四羧酸二酐(BTDA)与二异氰酸二苯甲烷酯(MDI)以及二异氰酸甲苯酯(TD)共聚制得聚酰亚胺,然后以15%的聚酰亚胺溶液为纺丝原液,以乙二醇为凝固浴进行湿法纺丝得到聚酰亚胺纤维,并实现了工业化生产,商品牌号P84(图2-4)7。由于结构因素影响,P84纤维力学性能较低,强度和模量分别为0.5GPa和2.12GPa。
图2-4 由BTDA与MDI和TDI共聚制备的聚酰
亚胺纤维（商品牌号P84）化学结构
两步法纺丝是采用聚酰胺酸纺丝原液纺丝,所得到的聚酰胺酸原丝经化学酰亚胺化或热酰亚胺化步骤制备聚酰亚胺纤维。由于聚酰胺酸可溶于多数极性有机溶剂,所以适用的聚酰亚胺结构宽泛。但是纤维在后续酰亚胺化过程中有水分子逸出,有可能使纤维内部产生微孔缺陷(孔洞、裂纹),给纤维力学性能带来负面影响,酰亚胺化工艺技术改进的一个目标就是降低纤维内孔隙缺陷的产生。
两步法溶液纺丝工艺是制备聚酰亚胺纤维最常用的方法,并适用于湿法、干-湿法或干法纺丝工艺。聚酰亚胺纤维两步法湿法/干-湿法纺丝工艺流程如图2-6所示。在常见的非质子极性溶剂(如NMP、DMAc、DMF)中,二胺、二酐在低温下缩聚生成聚酰胺酸原液,将聚酰胺酸溶液经湿法或干-湿法纺丝得到聚酰胺酸纤维,原丝经洗涤、干燥后,通过热处理或化学试剂处理发生酰亚胺化反应,然后进行一定的拉伸得到聚酰亚胺纤维。
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