聚酰亚胺

一、聚酰亚胺材料及其应用

（一）、聚酰亚胺材料概述

聚酰亚胺是指分子主链中含有酰亚胺环的一类聚合物,刚性酰亚胺结构赋予了聚酰亚胺独特的性能，使他具有了很好的耐热性及优异的力学、电学等性能，且耐辐照、耐溶剂。在高温下具备的卓越性能够与某些金属相媲美。此外，它还具有优良的化学稳定性、坚韧性、耐磨性、阻燃性、电绝缘性以及其他机械性能。

（二、）聚酰亚胺材料的重要性

聚酰亚胺（简称PI）是综合性能最佳的有机高分子材料之一，已被广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。今年来，各国都将聚酰亚胺列为21世纪最有希望的工程塑料之一。聚酰亚胺，因其在合成和性能方面的突出特点，不论是作为结构材料或是作为功能性材料，其巨大的应用前景已经得到了充分的认可，并认为没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术。

（三）、聚酰亚胺材料的性能简介

（1）、对于全芳聚酰亚胺，其分解温度一般都在500℃左右。由联苯二酐和对笨二胺合成的聚酰亚胺，其热分解度达到600℃，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。

（2）、聚酰亚胺可耐极低温，如在—269℃液态氮中仍不会脆裂。（3）、聚酰亚胺还具有很好的机械性能，抗张度均在100MPa以上，均苯型聚酰亚胺薄膜的抗张力强度为170MPa，而联苯型聚酰亚胺薄膜的抗张力度达到400MPa。作为工程塑料，其弹性模量通常为

3~4GMPa，而纤维的可达200GMPa。

（4）、一些聚酰亚胺品种不溶于有机溶剂，对烯酸稳定，一般的品种也不大耐水解，但可以利用碱性水解回收原料二酐和二胺。（5）、聚酰亚胺的热膨胀系数非常高。

（6）、聚酰亚胺具有很高的耐辐照性能。

（7）、聚酰亚胺具有很好的介电性能。

（8）、聚酰亚胺为自熄性聚合物，发烟率低。

（9）、聚酰亚胺无毒。一些聚酰亚胺还具有很好的生物相容性。二、聚酰亚胺纤维

芳香族聚酰亚胺（PI）纤维主要指由聚酰胺酸（PAA）或PI溶液纺制而成的高性能纤维。PI纤维与PPTA纤维相比有更高的热稳定性、更高的弹性模量、低的吸水性、耐低温性能和辐射性能等。

三、聚酰亚胺纤维发展概况

第一阶段：20世纪60~70年代，聚酰亚胺纤维的发展处于起步阶段，主要是中国、美国、日本等国家通过干法或干湿法，将聚酰胺酸纺制成纤维，再经酰亚胺化制备聚酰亚胺纤维。

第二阶段：20世纪80年代，研究如何提高聚酰亚胺纤维的溶解性。第三阶段：20世纪90年代，传统的制备聚酰亚胺纤维的方法得到改善。人们成功地利用湿法、共聚合等方法制备出了聚酰亚胺纤维，大大提高了聚酰亚胺纤维的力学性能。

第四阶段：进入21世纪，特别是近几年来，试验得到了不同化学结构的高强髙模、耐高温、耐辐射的聚酰亚胺纤维。

四、聚酰亚胺纤维性能介绍

（一）、高强髙模性：断裂强度可达。

（二）、耐温性：PI的起始分解温度一般都在500℃左右。由联苯二酐和对笨二胺合成的聚酰亚胺，其热分解度达到600℃，聚酰亚胺耐低温性能极好，如在—269℃液态氮中仍不会脆裂。

（三）、耐辐射性能很好

（四）、尺寸稳定性极好

（五）、生物相容性：PI纤维无生物毒性，可耐数千次消毒。（六）、PI具有很好的介电性能

（八）、PI纤维为自熄性聚合物：发烟率低

五、聚酰亚胺纤维的种类

六、聚酰亚胺纤维的制备方法

PI纤维的制造主要包括聚合物的制备、聚合物流体的制备和纺丝成型三个过程，其工艺流程示意图如下：

目前，PI的纺丝工艺主要采用干法、湿法或干湿法。同时根据纺丝原液是PAA还是PI，又可将其制备方法分为两步法和一步法纺丝。另外，近年来还出现了以采用熔融纺丝和静电纺丝等手段获得PI纤维的相关研究。聚酰亚胺纤维的制备方法主要有2种，即一步法和两步法纺丝技术路线。两步法纺丝路线是以聚酰胺酸溶液为纺丝浆液先制取聚酰胺酸纤维，经250～350℃高温热酰亚胺化、热拉伸和热处理后可得到高性能的聚酰亚胺纤维，其生产工艺流程示于图1。由于

聚酰胺酸溶解性较好，因此两步法工艺很好地解决了聚酰亚胺纤维生产过程中选择溶剂的难题。

一步法纺丝路线则要求纺丝浆液为聚酰亚胺溶液，可以直接纺制出聚酰亚胺纤维，没有酰亚胺化工序。纺制的原丝无须再进行酰亚胺化，可有效地避免两步法工艺中因水分子释放所造成的纤维微孔问题，一般得到的聚酰亚胺纤维的力学性能较高。但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

七、聚酰亚胺纤维的改性

高新材料发展的需要、聚酰亚胺化学结构的多设计性和合成技术的改进以及纺丝技术的进步促进了聚酰亚胺纤维的发展，通过大分子结构设计和聚集态结构的调控，可以得到不同化学结构的高强高模、耐高温、耐辐射特性的聚酰亚胺纤维。

八、聚酰亚胺纤维的应用

（一）、防护服装

PI纤维除热稳定性好和不燃烧外，手感柔软，因而可以被用作防护服材料。内衣和外衣及手套可以由100%的PI纤维制成。这些含芳香族PI织物的保护特性，不仅在下高温强度不衰减，而且还能提供良好的隔热性能。

（二）、编织带包装材料

PI纤维是高温下强度封件和包装的理想备选材料，当需要较高水平

的耐化学性时，这些产品可以用润滑剂和聚四氟乙烯分散液浸渍。（三）、高温过滤

PI纤维制成的热空气滤袋可在高达260℃长期使用。实验表明，在160℃的温度下可连续使用数年，并且允许峰值达180℃。

（四）、飞机和其他运输工具的内部材料

有结构硬性的各种三维元件，可以用PI纤维非织布制作。比如在飞机和高速火车中，质轻是非常重要的因素，这些低密度、坚硬和耐火的PI纤维织物可以代传统的材料。

（五）、绝热/结构单元

当温度超过玻璃化温度315℃后,PI会急剧收缩。通过改变温度和初始纤维的结构类型（非造织物、织物、针织服等），就有可能生产出轻薄，但结构稳定的织物，具有自我支撑的作用。

九、聚酰亚胺纤维的展望

聚酰亚胺纤维作为高技术纤维的一个品种,它不仅具有较高的强度和模量，而且耐化学腐蚀性、热氧化稳定性和耐辐射性能十分优越，使得该纤维在恶劣的工作环境中具有比其它高技术、聚合物纤维更大的优势。我国相关部门已充分意识到大力发展聚酰亚胺纤维的重要性。2009年4月出台的《纺织工业调整和振兴规划》中，明确提出要大力“推进高新技术纤维产业化及应用的发展，加速实现碳纤维、聚酰亚胺纤维等高新技术纤维的产业化”。2009年国家发改委、商务部、财政部联合发布的《关于发布鼓励进口技术和产品目录的通知》中（1926号文件），将“聚酰亚胺耐高温纤维成套装备的设计制造

技术”（A151）和“聚酰亚胺耐高温纤维成套装备”（B62）列为国家鼓励引进的先进技术和重要装备。2010颁布的《纺织工业“十二五”科技进步纲要》中要求“耐高温聚酰亚胺纤维产业化”。因此，聚酰亚胺纤维已成为国家拟大力发展的新兴产业之一。2聚酰亚胺纤维的基本特性聚酰亚胺高度共轭的分子链结构，赋予聚酰亚胺纤维具有高强高模的特性，表1为聚酰亚胺纤维与其他产业化高性能纤维机械性能的比较［1，3］。从表1可见，联苯结构的聚酰亚胺纤维强度和模量高于Kevlar系列芳香族聚酰胺纤维，而含嘧啶单元结构的聚酰亚胺纤维的强度和模量与PBO纤维相当。聚酰亚胺纤维的具有突出的耐热性能，对于全芳香族的聚酰亚胺纤维，其起始分解温度一般都在500℃左右，热氧化稳定性十分优越，其膨胀系数较小（～10－6/℃）。聚酰亚胺还具有优异耐酸碱腐蚀性和耐辐照性能，经10－8Gy 快电子辐照后其强度保持率仍为90%。极限氧指数高，是一种良好的阻热阻燃材料。普通商品化的聚酰亚胺纤维的相对介电常数大多在～之间，通过改性，引入氟、大的侧基等可得到相对介电常数在～、介电损耗在10－3的聚酰亚胺材料［6］。