[发明专利]一种高强耐候聚酰亚胺纤维的制备方法

说明书

本发明涉及一种高强耐候聚酰亚胺纤维的制备方法。该方法包括：将含苯并咪唑的二胺单体和含邻羟基二苯甲酮的二胺单体溶解于溶剂中，加入二酐单体，无规共聚反应，然后与锌盐混合，将得到的纺丝原液干法纺丝，再经环化‑牵伸一体化处理。该方法可连续化制备、操作简单、工艺环保、原料来源广，具有良好的产业化前景；制备得到的聚酰亚胺纤维具有较好的力学性能、表面活性和耐候性。

技术领域

本发明属于高性能纤维制备技术领域，特别涉及一种可满足极端环境领域应用的兼具高强度高耐候特性聚酰亚胺纤维的制备方法。

背景技术

近年来，随着航天探测活动的日益频繁，对航天器的设计使用寿命和稳定可靠性的提出了更高的要求。高性能纤维以其轻质、高强、柔韧以及良好的耐热性等特性，成为航空航天设备和器件的重要优选材料之一。例如，典型的芳纶、聚对苯撑苯并噁唑(PBO)纤维等曾用作“探路者”号、“勇气”号和“机遇”号火星探测车的安全气袋。然而，在目前太空探索活动最频繁的近地轨道(Low Earth Orbit,LEO)，太阳的空间短波紫外(UVC)强度可达400μW/cm²，是到达地面紫外强度的90倍以上。对芳纶和聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)等纤维而言，由于大分子结构中的酰胺单元和苯并噁唑基团对290-310nm及320-360nm两个波段的紫外光具有较强的吸收，导致大分子链中的酰胺和苯并噁唑单元在UVC辐照下处于激发态，易造成化学键断裂，使纤维的力学性能大幅度衰减(Journal ofApplied Polymer Science,2012,124,3286；Composite Structures,2006,75,151；Advances in Space Research,2006,37,2052)。对航天探测活动造成较大的安全隐患。因此，开发一种兼具优异力学性能、耐紫外辐照稳定性和高表面活性等特性的高性能纤维对于新型航天装备的研发具有重要意义。

作为高性能聚合物的代表之一，聚酰亚胺(PI)高度刚性的分子结构赋予其优异的力学性能、耐热稳定性等，使其在高温、湿热、放射性环境中比其它聚合物具有更大的优势。申请号为201110222300.0的中国专利申请公开了一种采用梯度温度式反应法和一步连续制备法制备含苯并咪唑结构高强高模聚酰亚胺纤维的方法，解决了苯并咪唑单元的引入给聚合物加工带来的难题；申请号为200710050651.1及201010572496.1的中国专利同样申请公开了一种含苯并咪唑单元聚酰亚胺纤维及其制备方法，所制备的纤维强度达到0.73～2.5GPa。然而，上述申请专利仅关注纤维的力学性能，并未考虑纤维的耐紫外辐照特性和纤维的表面活性。相对其他高性能聚合物纤维而言，聚酰亚胺纤维具有灵活的分子结构可设计性和纺丝成形技术，可通过有效的分子结构设计和纤维成形工艺调控，获得兼具高强度、高耐候和高表面反应活性的聚酰亚胺纤维。例如，含邻羟基二苯甲酮单元的物质具有优异的抗紫外辐照能力，其机理在于该类化合物分子中的羰基与羟基形成分子内氢键，构成螯合环结构。在吸收紫外线后，内氢键发生振荡，稳定的螯合环打开，将吸收的能量以热能的形式释放出来，另外，分子中的羰基会被吸收的紫外光能所激发，生成烯醇式结构的互变异构，这也消耗了一部分能量。因此，该类单元对紫外光具有明显的“吸收-转化”效应。此外，丰富的羟基单元有利于提高纤维的表面活性，与树脂基体间形成强界面复合。ZnO、TiO₂等纳米粒子对紫外光具有优异的屏蔽能力，是一种新型的织物抗紫外整理剂，在现代纺织品中得到广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强耐候聚酰亚胺纤维的制备方法，以克服现有技术中聚酰亚胺纤维难以兼顾较好力学性能和耐候性及表面活性的缺陷。

本发明提供一种高强耐候聚酰亚胺纤维，将二酐单体、含苯并咪唑的二胺单体和含邻羟基二苯甲酮的二胺单体进行无规共聚反应，将得到的聚酰胺酸溶液与锌盐混合，将得到的纺丝原液干法纺丝，然后经过环化-牵伸一体化处理获得。

所述二酐单体包括均苯二酐PMDA或联苯四酸二酐BPDA，结构式分别为：