聚酰亚胺纤维结构、性能及其应用

吕佳滨，王 锐

（1. 北京服装学院 材料科学与工程学院，北京 100029；2. 中国化学纤维工业协会，北京 1000742）

聚酰亚胺纤维结构、性能及其应用

吕佳滨1,2，王 锐1

（1. 北京服装学院 材料科学与工程学院，北京 100029；2. 中国化学纤维工业协会，北京 1000742）

阐述了国内外聚酰亚胺纤维的研发进程，介绍了该纤维的分子结构、形态结构、合成工艺和纺丝工艺，并分析了聚酰亚胺纤维所具有的力学性能、热稳定性能和化学性能。最后指出了该纤维在我国的应用领域和发展前景。

聚酰亚胺纤维；结构形态；性能；合成；纺丝；应用

0 引言

聚酰亚胺纤维（polyimide fiber）是指分子链中含有酰亚胺环结构的一种纤维，是高性能纤维的重要品种之一。聚酰亚胺纤维具有优异的热稳定性、抗氧化、耐酸腐蚀和耐辐射性能，可制成耐高温过滤材料、防护材料和增强结构材料，应用于水泥、电力、安全防护、轨道交通等领域。

鉴于聚酰亚胺纤维的优异特性，该纤维是国家战略性新兴产业中的新材料，也是国外发达国家重点关注的新材料，因此，有必要针对聚酰亚胺纤维展开全面的分析研究。在介绍国内外聚酰亚胺纤维发展情况的基础上，详细分析了聚酰亚胺纤维的制备技术、结构形态、性能特征和应用情况。

1 聚酰亚胺纤维发展简况

1.1 国外发展情况

1960年代，美国杜邦公司在聚酰亚胺纤维研制方面取得了一定成果，但并未实现产业化生产；法国Phone-Poulenc公司则成功开发了一种m-芳香聚酰胺类型的聚酰亚胺纤维，后由法国Kermel公司成功实现商业化，商品名为Kermel。1970年代左右，前苏联实现聚酰亚胺纤维的生产，但仅应用于本国军工和航空航天领域。1980年代中期，奥地利Lenzing AG公司成功开发出耐热型聚酰亚胺纤维，商品名P84，主要用于高温滤材领域。目前，国外主要生产企业聚酰亚胺纤维的生产情况如表1所示。

1.2 国内发展情况

国内几乎与国外同步开展对聚酰亚胺纤维的研究，但大多仅停留在实验室阶段未进入产业化。2011年，长春高琦聚酰亚胺纤维有限公司与中科院长春应化所合作，采用聚酰胺酸溶液为纺丝液，成功建成300 t/a湿法纺丝生产线，后扩大到千吨级，并于2013年通过技术鉴定，标志着我国聚酰亚胺纤维实现产业化。2013年，东华大学与江苏奥神集团在对干法成形聚酰亚胺纤维进行工程化研究的基础上，成功建成投产具有自主知识产权的干法纺丝生产线，在国际上属于首创。目前，国产聚酰亚胺纤维已成功应用于水泥行业的耐高温过滤材料、纺织服装、工业用隔热材料等领域。

2 聚酰亚胺纤维的结构

2.1 分子结构

聚酰亚胺纤维的分子主链中有酰亚胺环、芳香环等，分子链间刚性大，酰亚胺环中的碳和氧双键相连，与芳香环产生共轭效应，导致主链键能和分子间氢键作用力较大。这种结构使聚酰亚胺纤维具有高模量特点，此外，独特的分子结构还赋予纤维耐辐射、耐高温、优异的热稳定性和化学性能等特点。

2.2 形态结构

采用不同的工艺技术制备出来的聚酰亚胺纤维，具有不同的纤维形态结构。采用干法纺丝成形过程中没有凝固浴，制备的纤维呈圆形，纤维表面光滑无沟槽，内部无空洞，无皮芯现象，结构更为致密均匀。采用湿法纺丝工艺，纤维结构密实均匀，截面呈腰圆形，特别值得说的是凝固浴的溶剂选择、温度确定等对湿法纺丝工艺非常重要，不同凝固浴的凝固性能不同，导致纤维性能有较大差异性，见图1。

表1 国外企业生产情况汇总表

3 聚酰亚胺纤维的制备

3.1 合成工艺

经过多年的发展，聚酰亚胺的合成技术逐步成熟，形成了两种主要合成工艺, 一是在聚合过程中形成聚酰亚胺环，二是以带酰亚胺环的单体缩聚来获得聚酰亚胺。目前，以二酐和二胺为单体合成聚酰亚胺的第一种工艺技术为大部生产企业所普遍采用，而该工艺技术又可分为一步法和二步法。

一步法是将二酐和二胺两种单体在特定溶剂中加热至150～250 ℃直接生成聚酰亚胺，该工艺特点是单体合成的聚酰亚胺可以溶解于酚类溶剂而直接得到纺丝浆液，且溶液相对分子质量较高；缺点是由于聚酰亚胺只能溶解于特定溶剂，故特定溶剂仅限于高沸点的酚类溶剂，如间甲酚、对氯苯酚等，这类溶剂毒性大，对人体和环境危害严重，不利于规模化生产。

二步法是将二酐和二胺在二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等非质子极性溶剂中进行低温溶液缩聚，获得聚酰胺酸溶液，再去溶剂后进行高温环化，生成带有酰亚胺环结构的聚酰亚胺。该工艺特点是对单体和溶剂的要求小，适合大部分结构的聚酰亚胺，且溶剂易于回收，毒性较小；缺点是前躯体纤维在成形和环化过程中的微结构不易控制，原液细流在凝固浴中的双扩散过程会在纤维内部形成微孔等缺陷，纤维的力学性能差。

图1 不同纺丝路线制备的聚酰亚胺纤维断面形态

3.2 纺丝工艺

目前，国内生产聚酰亚胺纤维纺丝工艺分为湿纺和干纺。湿法工艺即纺丝溶液经纺丝机挤出进入凝固浴，经过一定牵伸和干燥后卷取，得到聚酰亚胺初生纤维，再通过高温环化和拉伸获得聚酰亚胺纤维，如图2所示。干法工艺即在纺丝时，将聚酰胺酸溶液经计量泵挤入热风甬道，溶剂挥发固化成纤后卷绕得到初生纤维，再经热牵伸制得聚酰亚胺纤维，如图3所示。

4 聚酰亚胺纤维的性能

4.1 热稳定性

聚酰亚胺纤维的玻璃化转变温度可达400℃，分解温度一般都在约500 ℃。由联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，其热分解温度达到600℃，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。

如图4所示，在300 ℃空气中进行24 h热处理，可以看到进口P84纤维和间位芳纶力学性能有着较为明显的下降，聚四氟乙烯纤维的力学性能有小幅下降，国产聚酰亚胺纤维力学性能也下降较小。

4.2 化学性能

聚酰亚胺纤维具有优良的耐酸性能，几乎不被绝大部分脂肪族碳氢化合物侵蚀，但聚酰亚胺纤维不耐碱，其在碱性条件易水解。对常用高性能纤维的耐酸性实验如图5所示，可以看出聚苯硫醚纤维耐酸性最好，国产聚酰亚胺纤维与进口P84纤维相比，具有明显的优势。

除此以外，聚酰亚胺纤维还具有很好的耐辐射性能，耐低温性、生物相容性及较小的热膨胀系数等。

图2 湿法纺丝工艺流程图

图3 干法纺丝工艺流程图

图4 300 ℃下常用高性能纤维强度变化情况

5 聚酰亚胺纤维的应用及发展前景

5.1 应用领域

凭借优异的性能，聚酰亚胺纤维目前主要应用在以下领域：一是高温过滤领域，用作水泥生产等领域尾气处理袋式除尘器的滤料；二是特种防护领域，制造高温、强辐射等恶劣条件下的防护用品，如防火阻燃服、隔热毡、飞行服、高压屏蔽服、耐高温特种编织缆绳等；三是纺织服装领域，制成户外防寒服、保暖絮片、抓绒衣等。

图5 纤维强度随酸处理时间变化情况

表2 聚酰亚胺纤维其他性能

5.2 发展前景

随着对聚酰亚胺纤维特性的深入认识，聚酰亚胺纤维的应用领域也逐步拓展，在核能工业、空间环境、航空航天、国防军工等领域中的应用前景广阔。

在航天航空领域，聚酰亚胺树脂、聚酰亚胺纤维和聚酰亚胺纤维复合材料可用于航空航天器和火箭的轻质电缆护套、高温绝缘电器、发动机喷管隔热及耐高温特种编织电缆的制造。此外，聚酰亚胺短切纤维制成的聚酰亚胺纤维纸，可有效提高特种纸的性能，是航空航天领域重要的先进材料之一，也可作为高温介质及放射性物质的过滤材料。聚酰亚胺纤维纸可用作干式变压器，H级和C级电机中的线圈绕组，相间和匝间线路终端绝缘材料；也可作为基材制成蜂窝结构材料，用于飞机机翼和机舱门衬板，飞机及高铁顶棚、地板、隔墙等，还可用于新一代战斗机壳体、大口径展开式卫星天线张力索、空间飞行器囊体材料的增强编织材料等。

同时，随着小康社会的全面建设和环保意识的逐渐提高，可以预见的是水泥、电力、钢铁、垃圾焚烧等领域的排放标准将日趋严格，袋式除尘器作为高效除尘设备在上述领域的应用比例将会逐渐提高，聚酰亚胺纤维是重要的滤料材料，具有巨大的市场前景。

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Structures and properties of polyimide fibers and its applications

LU Jia-bin1,2, WANG Rui1

( 1. School of Material Science and Engineering, Beijing Institute Of Fashion Technology, Beijing 100029; 2. China Chemical Fiber Association, Beijing 100742 China )

The paper reviewed the research development process both domestically and abroad, introduced molecular structure, morphology structure, synthesis process and spinning process of PI, analyzed the properties of polyimide fiber, such as mechanical properties, thermal stability properties and chemical properties. Finally pointed out the application field and development prospect of polyimide fiber in our country.

polyimide fiber; structure; properties; synthesis; spinning; application

TQ342.731

A

1007-9815（2016）05-0023-04

定稿日期:2016-09-30

吕佳滨（1982-），男，河北唐山人，主要从事高性能纤维领域的研究，(电子信箱)iori_333@sina.com。