关于聚芳酰胺的化学改性研究进展

洪跃　郭伟威　刘琛　倪华兵

摘 要：聚芳酰胺是芳香族聚酰胺的合称，是一种具有高耐热性能、高强度、高耐化学性质、阻燃性能的聚合物材料，通常以高性能纤维的形式进行应用。聚芳酰胺的产品有很多，应用范围也很广，聚芳酰胺作为此类聚合物材料开发的基础，通过化学方式进行改性是很好的开发新材料的方式，化学改性研究始终是有效推动新材料开发进度的常见手段。本文从聚芳酰胺本身入手，分析聚芳酰胺常见的化学改性研究方式，探讨聚芳酰胺的化学改性研究进展，为推动聚芳酰胺类聚合物材料领域发展提供一些参考。

关键词：聚芳酰胺;化学改性

1.聚芳酰胺概述

聚芳酰胺是一种聚合物材料，通常指分子主链中含有与直接与两个芳环相连的酰胺集团，且酰胺集团的数量不少于85%的聚合物，这也是聚芳酰胺名称的来由。聚芳酰胺属于一种分子链刚性较大的聚合物材料，因此，熔融温度很高，耐热性、阻燃性能都十分优秀，这也是聚芳酰胺类材料成为防燃工作服、耐高温材料、绝缘材料的重要原因。由于聚芳酰胺中包含芳环，因此，根据与芳环相连酰胺集团的位置可以将聚芳酰胺大致划分为邻位聚芳酰胺、间位聚芳酰胺、对位聚芳酰胺。我国对聚芳酰胺的开发着重放在间位聚芳酰胺和对位聚芳酰胺材料方面，致力于提高聚芳酰胺聚合物纤维的强度、模量、耐高温、阻燃、耐化学腐蚀等性能，使其能够满足航空航天、消防等极端环境下的使用需求。

2.聚芳酰胺改性的必要性

2.1 聚芳酰胺本身存在改性的空间

聚芳酰胺本身存在一定的缺陷，这是化学领域研究人员积极进行聚芳酰胺改性的主要原因。首先，聚芳酰胺聚合物纤维表面粗糙度低，这是因为其表面缺少活性基团，这样的特性使得聚芳酰胺纤维的浸润性和粘结性比较差，使得聚芳酰胺纤维不能很好的与其他材料进行粘合，不利于聚芳酰胺纤维的实际应用。其次，聚芳酰胺纤维还具有表面结晶性能高的特点，这种特性进一步降低了其表面的粗糙度，导致聚芳酰胺纤维与基体树脂不能很好的结合，限制了聚芳酰胺纤维的开发和应用。因此，化学研究人员通过各种化学方法希望对聚芳酰胺纤维改性，在保持其优势的同时提高其与基体树脂等材料的结合性，扩大聚芳酰胺纤维的可应用范围。

2.2 生态环境保护的需求

聚芳酰胺分子链的刚性大，为聚芳酰胺材料带来耐高温、耐腐蚀、阻燃等优秀化学性质的同时，也为聚芳酰胺材料的自然降解带来了困难。工业生产和使用中废弃的聚芳酰胺材料很难在自然条件下迅速降解，这种纤维材料會长期存在于自然环境中，对环境造成长期污染，对自然生态环境有很强的影响，因此，通过化学手段对聚芳酰胺进行改性十分有必要。

3.聚芳酰胺的具体化学改性方式

化学改性是指利用化学技术、借助化学反应来改变物质的物理性质、化学性质的手法，这是化学领域中开发新材料、提升材料性能的重要手段，近年来出现的新型材料多经过化学改性。在聚芳酰胺常见的化学改性中，主要改性方向是通过加入活性基团来改善聚芳酰胺的热稳定性、溶解性、表面极性等性能，通过化学反应产生共价键来提高聚芳酰胺与基体树脂之间的结合性能。聚芳酰胺主要由芳环和酰胺基组成，这两个部分是化学改性的主要着手点，针对芳环的改性主要包括硝化、氯磺化等，针对酰胺基的改性主要包括溴化、金属化等。聚芳酰胺化学改性中主要的两种方法分别是表面刻蚀和表面接枝，其中表面接枝更加常用一些。

3.1 硝化反应化学改性

硝化反应是指通过化学反应在聚芳酰胺的芳环上引入硝基，再借助还原剂将引入的硝基还原为氨基的反应过程，引入氨基的聚芳酰胺的表面极性被增加，与基体树脂的结合性能得到有效提升。硝化反应不仅能够用于聚芳酰胺化学改性，还能够用于改性后的聚芳酰胺材料的再生。根据实验室试验可知，经过硝化改性后的氨基聚芳酰胺在水杨醛和强碱的处理下，对Ni、Pb、Cu等金属离子具有较强的吸附作用，因此，工业生产中废气的氨基聚芳酰胺经过处理后可以再生成为吸附金属离子的吸附材料，再次投入工业生产之中，提高材料的利用率。

3.2 氯磺化反应化学改性

氯磺化反应与硝化反应相似，都是通过化学反应在聚芳酰胺的芳环上引入新的基团，只不过氯磺化反应引入的是磺酰氯基团。引入磺酰氯基团后的聚芳酰胺表面极性出现变化，能够更好地与树脂进行结合，形成新的高性能复合材料。引入磺酰氯基团后的聚芳酰胺可以作为燃料电池膜使用，具有较高的水溶性、稳定性和液晶现象，能够持续工作500h，是非常优秀的电池膜材料。但作为电池膜材料的前提是聚芳酰胺被完全氯磺化，只有部分氯磺化的聚芳酰胺工作寿命仅有完全氯磺化聚芳酰胺的一半，会严重限制燃料电池中质子的传输，影响电池使用寿命。硝化反应和氯磺化反应都存在破坏聚芳酰胺纤维结构、影响聚芳酰胺纤维拉伸性能的问题，还需要进一步的改进。

3.3 金属化反应化学改性

受到聚芳酰胺中芳环的影响，聚芳酰胺中的酰胺键具有较高的酸性，容易与碱性化合物产生化学反应。在反应过程中，金属离子能够取代酰胺键上的氢离子，与聚芳酰胺形成金属化的大分子，这种大分子的存在使得聚芳酰胺具有更加优秀的热稳定性、结合性、机械性能，因此，这个过程也被成为聚芳酰胺的金属化反应过程。进行金属化反应时，通常需要将聚芳酰胺材料置于碱金属盐药剂中，氢化钠、氢化钾、萘基钠等均可作为碱金属药剂使用。在使用氢化钠进行金属化改性时，会降低聚芳酰胺的热稳定性，后续使用溴乙酸、丙烯腈可恢复聚芳酰胺材料的热稳定性。聚芳酰胺与萘基钠进行金属化反应时同样有这样的现象，后续使用硫醇对改性后的聚合物进行处理，能够有效提高聚芳酰胺材料的热稳定性。从整体上来讲，聚芳酰胺的金属化改性方式需要较长的反应时间，需要加入其它物质进行热稳定性的提高，还有改进的空间和必要。

结束语：

聚芳酰胺作为一种聚合物材料，本身具有非常优秀的性能，是高新科技领域中的重要材料。随着科技的不断发展，工业生产中对复合材料的需求越来越大，以聚芳酰胺为基础的树脂基复合材料的应用范围不断扩大，这对聚芳酰胺的改性处理提出更高的要求。从目前来看，硝化、氯磺化、金属化是非常重要的化学改性方式，但各有缺陷和不足，还有较大的改进空间。

参考文献：

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[2]张明，唐旭东，陈晓婷. 改性聚芳酰胺的研究进展[J]. 合成技术及应用，2008（02）：36-39.