耐高溫聚酰亞胺纖維的生產技術及性能研究

2012-11-21 07:25:50丁孟賢

中國環保產業 2012年3期

丁孟賢，楊誠，盧晶

(長春高琦聚酰亞胺材料有限公司，長春 130103)

耐高溫聚酰亞胺纖維的生產技術及性能研究

丁孟賢，楊誠，盧晶

(長春高琦聚酰亞胺材料有限公司，長春 130103)

聚酰亞胺纖維自進入高溫過濾領域以來，已經得到廣泛的應用。本文綜合闡述了YILUN?聚酰亞胺纖維的研究過程、技術方法，并介紹了纖維的性能。

聚酰亞胺纖維;纖維性能;高溫過濾;纖維結構;制作工藝

前言

聚酰亞胺是目前已經工業化的高分子材料中使用溫度最高的品種之一，應用十分廣泛，是多個領域的關鍵材料，是新材料領域中的耐高溫高分子材料。聚酰亞胺具有優異的綜合性能，在已經產業化的芳雜環聚合物中，聚酰亞胺占有絕對的主導地位。具有高強度、高絕緣性、耐輻射、耐化學等綜合性能，在絕緣材料和結構材料、功能材料等方面的應用正不斷擴大，以多種材料的形式，例如薄膜、纖維、塑料、復合材料、涂料、膠黏劑、分離膜、光刻膠、液晶取向劑等在航天、航空、微電子、機電、化工、汽車等方面都有廣泛的應用。

聚酰亞胺因性能優異，國際上早在20世紀60年代就開始對聚酰亞胺纖維的制造開展了研究。目前我國耐高溫聚酰亞胺纖維的研制尚處于初級階段，國內的水泥、電力、鋼鐵、垃圾焚燒等行業除塵器應用的聚酰亞胺纖維以往全球只有奧地利的一家公司獨家生產，由于價格昂貴，國內的應用仍處于受制于人的狀態。因此研制、生產具有自主知識產權的聚酰亞胺纖維系列產品具有重大意義。隨著國家對環保要求的提高，可以預見，聚酰亞胺纖維的需求將會在未來3～5年中成倍增長。

1 軼綸?纖維的研究

1.1 聚酰亞胺的分子式

主鏈上含有酰亞胺基團的高分子聚合物

高琦聚酰亞胺

高琦軼綸?聚酰亞胺纖維

1.2 國內外聚酰亞胺纖維發展歷程

在20世紀60年代，杜邦公司率先開展了基礎的研究工作。所用的紡絲液是聚酰胺酸，方法有干紡和濕紡。

然而到了80年代，杜邦宣布放棄用聚酰胺酸紡絲路線，原因是聚酰胺酸原絲性能不穩定導致生產過程容易破壞纖維的結構，因而影響性能。并且由于結構變化不多，性能并不突出，尤其在Kevlar商品化之后，聚酰亞胺纖維的研究跌入低潮。

80年代中期，日本根據杜邦的經驗，開展了由聚酰亞胺為紡絲液的工作，得到了性能超過Kevlar 49的聚酰亞胺纖維。但是所用的溶劑毒性太大，難以實現規模化生產。同時采用聚酰亞胺溶液紡絲也給聚合物的結構選擇帶來很大的限制，因此未能得到進一步的發展。

奧地利的Lenzing公司在20世紀末用可溶于DMAc的聚酰亞胺P84進行紡絲，并實現了產業化，目前已經達到1200噸/年的規模。

前蘇聯在20世紀70年代也開展了聚酰亞胺纖維的研究，但始終停留在日產數噸的小規模，主要為軍工提供連續纖維，并限制在國際市場的銷售。

1.3 軼綸?纖維技術方案論證與研究

1.3.1 方案論證

2008年，國內企業開展了包括耐熱聚酰亞胺纖維的產業化工作，并選定了以聚酰胺酸溶液紡絲的基本路線。不到兩年的時間就解決了聚合、分子量控制、凝固浴組成、原絲中溶劑含量、干燥、酰亞胺化、牽伸、定型、上油劑等等數十個關鍵問題。同時以取得的工藝數據對專用設備的設計提出指導性意見，在2010年底終于實現了采用聚酰胺酸溶液為紡絲液，濕法紡絲的300噸/年全線連續化過程，得到可以滿足煙道氣除塵濾袋使用的聚酰亞胺纖維，牌號為YILUN?（軼綸?）。

1.3.2 技術特征

YILUN?纖維的技術特征是：由聚合物特殊的結構設計，以聚酰胺酸溶液為紡絲液，以濕紡工藝的全程一步法連續化過程得到聚酰亞胺纖維。

（1）該項目所設計的聚合物結構所需單體原料全部立足國內，同時具有完全自主的知識產權，并能滿足規模化的生產需求。

同時作為耐熱聚酰亞胺纖維（非高強高模），主要是要求有高的熱穩定性，其次要求有較高的力學性能及化學穩定性，同時還要考慮制造成本。因此在結構設計中選定以二酐和二胺為主要原料單體，再輔助以第三單體，得到了性能比較全面的纖維品種。既能滿足高耐熱性和較高的強度，又能滿足紡織、針刺加工的要求，還能滿足較低的成本需求，在總體性能上達到或超過了進口聚酰亞胺纖維性能。

（2）以聚酰胺酸溶液為紡絲液，為聚酰亞胺纖維的發展打下了很好的基礎。由于耐熱、高強度的聚酰亞胺大都不溶于一般有機溶劑，因此使聚酰亞胺纖維的結構設計受到非常大的限制。聚酰胺酸具有可溶解性，可以設計多種結構，并開發出具有滿足需要性能的聚酰亞胺纖維。同時，所用的紡絲液就是聚合溶液，對聚合物無需紡前處理（芳綸就需要在聚合后對聚合物進行沉淀、洗滌、干燥、溶解的繁復過程才能得到紡絲液），大大簡化了工藝過程。

（3）由于采用了特殊的環化過程，實現了全程連續化，設備生產能力大幅提高，同時節能、減耗成效明顯（相比于俄羅斯的龐大設備和低的產能）。此外還保證了纖維產品的高性能和批次質量的穩定性。

1.3.3 工藝流程（見圖1）

圖1 YILUN?聚酰亞胺纖維制作工藝流程

2 YILUN?聚酰亞胺纖維產品的技術關鍵點和創新點

纖維是聚酰亞胺材料中難點最多的研究對象之一，尤其是為了不給聚合物結構設計設置限制，采用以聚酰胺酸溶液為紡絲液，其纖維制備過程就更為復雜。主要包括關鍵單體合成、紡絲液制備、纖維紡制、洗滌干燥、亞胺化、高溫牽伸等工藝環節，是一個涉及高分子化學、高分子物理、材料科學、自動控制、精密機械等多學科交叉的、科學內涵豐富的高難度課題，需要充分的基礎科學理論支持、先進的基礎工業技術保障、嚴格的工藝和質量管理保證才能獲得成功。

YILUN?聚酰亞胺纖維的一個主要特點是，經由可以不經過任何處理的聚酰胺酸溶液直接用作紡絲液，有助于實現生產過程的連續化，因此對聚合的要求就特別高，即要求高分子量、高均相、分子量可控等關鍵指標。要達到這些指標，對聚合釜、攪拌形式、投料方式、溫度控制等都提出了嚴格要求。