聚酰亚胺纤维在纺织品领域中的应用研究

赵丽丽，厉 勇，高晓艳，李 杰，许云生，王政委

(1.山东南山科学技术研究院有限公司，山东 烟台 264000；2.烟台南山学院，山东 烟台 264000；3.山东南山智尚科技股份有限公司，山东 烟台 264000)

我国《纺织工业调整和振兴规划》明确提出要大力推进高新技术纤维产业化及应用，加速实现高性能碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、新型聚酯纤维等高新技术纤维和复合材料的产业化。《纺织工业“十二五”科技进步纲要》明确要求耐高温聚酰亚胺纤维实现产业化[1]。十三五规划中仍强调将纺织化工新材料、高性能纤维、功能性膜材料等作为重点发展方向。

1 聚酰亚胺纤维的性能特点

聚酰亚胺分子结构中苯环的密度较大，含有酞酰亚胺结构，这种特殊的分子结构决定了聚酰亚胺纤维的高强度、高模量。高强型聚酰亚胺纤维的强度可达到5.8 GPa，超高模型聚酰亚胺纤维的初始模量甚至可达到285 GPa[2]。除高强高模特性外，聚酰亚胺纤维还具有耐高低温特性，可在260℃条件下长期使用，也可在零下269℃液氮中使用而不发生脆裂。

聚酰亚胺纤维还具有耐酸碱腐蚀性、耐光辐射性和耐氧化性能，经1×1010rad快电子剂量照射后，强度仍保持在90%，这是其他纤维无法比拟的[3]，在极端恶劣的环境中(如太空、冰原、海底以及沙漠等)仍能保持良好的力学性能及化学稳定性。聚酰亚胺纤维属于高强本质阻燃纤维，LOI高达38%，发烟率极低，离火自熄无热感；电绝缘性能优良，介电常数在3.4左右，含氟的聚酰亚胺纤维其介电常数可降到2.5左右[4]。

2 聚酰亚胺纤维的制备方法

聚酰亚胺是指分子主链上含有酰亚胺环的一类聚合物[5]，以含有肽亚胺结构的聚合物为主，主要由二酐和二胺两种单体合成，也可加入第三单体合成。目前通常采用溶液纺丝法，根据其聚合浆液是聚酰亚胺还是聚酰胺酸分一步法和二步法。

一步法是指直接将单体合成聚酰亚胺，再通过不同的纺丝法纺制聚酰亚胺纤维[6]，这种方法制得的聚酰亚胺纤维力学性能好，但合成过程中需要使用酚类溶剂，这种溶剂毒性大，且不容易去除[7]，与当前绿色、环保、健康可持续发展战略相违背而被淘汰。

二步法是先将单体缩聚成聚酰胺酸溶液，再通过化学法或高温环化制得聚酰亚胺纤维，这种方法制得的聚酰亚胺纤维结构内部因水分子释放而容易形成内部微孔，从而导致纤维力学性能较差，但因其对单体和溶剂的要求小，溶剂毒性微乎其微且易回收，可生产多种结构的聚酰亚胺纤维而被众多研究者所采用[7]。

聚酰亚胺的纺丝工艺，主要有干纺、湿纺和干喷-湿纺工艺。目前江苏奥神采用的是干纺-二步法，制得商品名为“甲纶”的聚酰亚胺纤维，而长春高琦采用湿纺-二步法，制得商品名为“轶纶”的聚酰亚胺纤维。

3 聚酰亚胺纤维在纺织品领域中的应用

被业内专业人士誉为“解决问题的能手”的聚酰亚胺纤维，在航空航天、电子电工、国防军工等领域独树一帜，但其不溶不熔的特点使纤维难以纺织制造[8]。目前主要用在薄膜、复合材料、纤维、涂料、分离膜、塑料、胶黏剂、光刻胶以及光电材料等。

在国际上被称为“黄金丝”的聚酰亚胺纤维在民用服装领域的应用，标志着我国在世界上首次将这一源自于航空领域的先进材料应用于民生领域，为纺织服装行业创造了一类全新的纤维材料[9]。近年来，研发人员结合聚酰亚胺纤维本身独特的性能特点，进行了保暖服装与家用纺织品的开发[10-12]。

3.1 阻燃防护服

聚酰亚胺具有永久阻燃、热阻系数大、隔热性能优良且耐高温等特性，李亿光等人[13]利用聚酰亚胺与芳纶1313采用50:50比例混纺，制备了兼顾力学性能和阻燃性能的海军防护服装等防护用品。除此之外，也可用来制备消防员灭火防护服、防电弧服、抢险救援服、森林灭火防护服、炉前工作服以及各种防护头套、阻燃内衣等，如江苏奥神研发的应急管理部15式灭火战斗服、国家武警特勤15式特战头套、甲纶船舰消防服、原液着色甲纶消防服、抢险救援服、飞行服等。王肖杰等人[14]用轶纶95聚酰亚胺纤维开发了多种灭火防护服外层面料，研究表明该面料具有优异的阻燃性能、热防护性能以及热稳定性能。中科院长春应用化学研究所成功研制出重量明显低于金属编织护套的混合编织护套，减重效果显著，在航空航天领域具有应用优势。严成等人[15]将甲纶与阻燃粘胶进行混纺，发现混纺后能够大幅提高阻燃粘胶面料的阻燃性能，面料的损毁长度大幅减小，且面料拥有更加优异的保暖性能，可用于制作军警用内衣等。

3.2 隔热保暖服

聚酰亚胺纤维具有优异的热稳定性和保温性能，其导热系数极低，仅为0.03 W/(m·K)，接近空气，是极佳的隔热保暖纤维[15]，用其制成的“轶纶OR95服饰”与其他世界顶级户外品牌服装在长春-20 ℃的户外环境中进行试验，结果证明，其保暖、舒适及轻便性均高于其他顶级户外品牌服装。经国家质量监督检验中心检测得出，采用聚酰亚胺纤维纺制的保暖服的保暖性能要优于相同克重的世界顶级抓绒保暖服，可应用于冬季保暖服、冲锋衣的内胆等[16]。此外，长春高琦生产的聚酰亚胺轶纶纤维通过了瑞士纺织检定有限公司Oeko-Tex 100认证，成为婴儿用一级产品[16]，面料设计师可设计适合不同年龄段人群的纺织品，环保健康。

3.3 家居装饰用品

聚酰亚胺纤维具有极好的阻燃性能，研发人员对聚酰亚胺纤维进行功能性改性，增加抗菌除螨、远红外保健、亲肤舒适性能，开发了系列家居装饰用品，包括窗帘、地毯、沙发套、坐垫等以及床单、床罩、被面、枕巾、枕芯等，这样可大幅降低室内火灾发生的机率，但因技术垄断等原因产品价格较高，影响了聚酰亚胺纤维服用及装饰用产品的开发使用[17]。

3.4 工业用纺织品

燃煤、水泥生产、垃圾焚烧等工业活动是造成大气污染的主要原因，研发人员在纺丝过程中改变生产工艺参数，纺制出具有三叶形截面的聚酰亚胺纤维，这种结构有助于增强纤维对大气中粉尘的吸附能力[18]。目前，聚酰亚胺纤维在工业领域应用最广泛的是处理金属冶炼、水泥生产、火力发电、垃圾焚烧等废气的袋式除尘器的过滤布[19]。

4 结语

聚酰亚胺纤维分子主链中刚性的芳杂环结构使其具备阻燃、耐高低温、耐腐蚀以及优良的力学性能，其在航空、航天、军工及高温过滤等领域有着广泛的应用，并从特种防护、航空航天等特种领域逐渐向服装、家纺等民生领域延伸。进一步开发聚酰亚胺纤维产品有着广阔的市场前景及良好的经济效益。