聚酰亞胺纖維在紡織品領域中的應用研究

趙麗麗，厲 勇，高曉艷，李 杰，許云生，王政委

(1.山東南山科學技術研究院有限公司，山東 煙臺 264000；2.煙臺南山學院，山東 煙臺 264000；3.山東南山智尚科技股份有限公司，山東 煙臺 264000)

我國《紡織工業調整和振興規劃》明確提出要大力推進高新技術纖維產業化及應用，加速實現高性能碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維、新型聚酯纖維等高新技術纖維和復合材料的產業化。《紡織工業“十二五”科技進步綱要》明確要求耐高溫聚酰亞胺纖維實現產業化[1]。十三五規劃中仍強調將紡織化工新材料、高性能纖維、功能性膜材料等作為重點發展方向。

1 聚酰亞胺纖維的性能特點

聚酰亞胺分子結構中苯環的密度較大，含有酞酰亞胺結構，這種特殊的分子結構決定了聚酰亞胺纖維的高強度、高模量。高強型聚酰亞胺纖維的強度可達到5.8 GPa，超高模型聚酰亞胺纖維的初始模量甚至可達到285 GPa[2]。除高強高模特性外，聚酰亞胺纖維還具有耐高低溫特性，可在260℃條件下長期使用，也可在零下269℃液氮中使用而不發生脆裂。

聚酰亞胺纖維還具有耐酸堿腐蝕性、耐光輻射性和耐氧化性能，經1×1010rad快電子劑量照射后，強度仍保持在90%，這是其他纖維無法比擬的[3]，在極端惡劣的環境中(如太空、冰原、海底以及沙漠等)仍能保持良好的力學性能及化學穩定性。聚酰亞胺纖維屬于高強本質阻燃纖維，LOI高達38%，發煙率極低，離火自熄無熱感；電絕緣性能優良，介電常數在3.4左右，含氟的聚酰亞胺纖維其介電常數可降到2.5左右[4]。

2 聚酰亞胺纖維的制備方法

聚酰亞胺是指分子主鏈上含有酰亞胺環的一類聚合物[5]，以含有肽亞胺結構的聚合物為主，主要由二酐和二胺兩種單體合成，也可加入第三單體合成。目前通常采用溶液紡絲法，根據其聚合漿液是聚酰亞胺還是聚酰胺酸分一步法和二步法。

一步法是指直接將單體合成聚酰亞胺，再通過不同的紡絲法紡制聚酰亞胺纖維[6]，這種方法制得的聚酰亞胺纖維力學性能好，但合成過程中需要使用酚類溶劑，這種溶劑毒性大，且不容易去除[7]，與當前綠色、環保、健康可持續發展戰略相違背而被淘汰。

二步法是先將單體縮聚成聚酰胺酸溶液，再通過化學法或高溫環化制得聚酰亞胺纖維，這種方法制得的聚酰亞胺纖維結構內部因水分子釋放而容易形成內部微孔，從而導致纖維力學性能較差，但因其對單體和溶劑的要求小，溶劑毒性微乎其微且易回收，可生產多種結構的聚酰亞胺纖維而被眾多研究者所采用[7]。

聚酰亞胺的紡絲工藝，主要有干紡、濕紡和干噴-濕紡工藝。目前江蘇奧神采用的是干紡-二步法，制得商品名為“甲綸”的聚酰亞胺纖維，而長春高琦采用濕紡-二步法，制得商品名為“軼綸”的聚酰亞胺纖維。

3 聚酰亞胺纖維在紡織品領域中的應用

被業內專業人士譽為“解決問題的能手”的聚酰亞胺纖維，在航空航天、電子電工、國防軍工等領域獨樹一幟，但其不溶不熔的特點使纖維難以紡織制造[8]。目前主要用在薄膜、復合材料、纖維、涂料、分離膜、塑料、膠黏劑、光刻膠以及光電材料等。

在國際上被稱為“黃金絲”的聚酰亞胺纖維在民用服裝領域的應用，標志著我國在世界上首次將這一源自于航空領域的先進材料應用于民生領域，為紡織服裝行業創造了一類全新的纖維材料[9]。近年來，研發人員結合聚酰亞胺纖維本身獨特的性能特點，進行了保暖服裝與家用紡織品的開發[10-12]。

3.1 阻燃防護服

聚酰亞胺具有永久阻燃、熱阻系數大、隔熱性能優良且耐高溫等特性，李億光等人[13]利用聚酰亞胺與芳綸1313采用50:50比例混紡，制備了兼顧力學性能和阻燃性能的海軍防護服裝等防護用品。除此之外，也可用來制備消防員滅火防護服、防電弧服、搶險救援服、森林滅火防護服、爐前工作服以及各種防護頭套、阻燃內衣等，如江蘇奧神研發的應急管理部15式滅火戰斗服、國家武警特勤15式特戰頭套、甲綸船艦消防服、原液著色甲綸消防服、搶險救援服、飛行服等。王肖杰等人[14]用軼綸95聚酰亞胺纖維開發了多種滅火防護服外層面料，研究表明該面料具有優異的阻燃性能、熱防護性能以及熱穩定性能。中科院長春應用化學研究所成功研制出重量明顯低于金屬編織護套的混合編織護套，減重效果顯著，在航空航天領域具有應用優勢。嚴成等人[15]將甲綸與阻燃粘膠進行混紡，發現混紡后能夠大幅提高阻燃粘膠面料的阻燃性能，面料的損毀長度大幅減小，且面料擁有更加優異的保暖性能，可用于制作軍警用內衣等。

3.2 隔熱保暖服

聚酰亞胺纖維具有優異的熱穩定性和保溫性能，其導熱系數極低，僅為0.03 W/(m·K)，接近空氣，是極佳的隔熱保暖纖維[15]，用其制成的“軼綸OR95服飾”與其他世界頂級戶外品牌服裝在長春-20 ℃的戶外環境中進行試驗，結果證明，其保暖、舒適及輕便性均高于其他頂級戶外品牌服裝。經國家質量監督檢驗中心檢測得出，采用聚酰亞胺纖維紡制的保暖服的保暖性能要優于相同克重的世界頂級抓絨保暖服，可應用于冬季保暖服、沖鋒衣的內膽等[16]。此外，長春高琦生產的聚酰亞胺軼綸纖維通過了瑞士紡織檢定有限公司Oeko-Tex 100認證，成為嬰兒用一級產品[16]，面料設計師可設計適合不同年齡段人群的紡織品，環保健康。

3.3 家居裝飾用品

聚酰亞胺纖維具有極好的阻燃性能，研發人員對聚酰亞胺纖維進行功能性改性，增加抗菌除螨、遠紅外保健、親膚舒適性能，開發了系列家居裝飾用品，包括窗簾、地毯、沙發套、坐墊等以及床單、床罩、被面、枕巾、枕芯等，這樣可大幅降低室內火災發生的機率，但因技術壟斷等原因產品價格較高，影響了聚酰亞胺纖維服用及裝飾用產品的開發使用[17]。

3.4 工業用紡織品

燃煤、水泥生產、垃圾焚燒等工業活動是造成大氣污染的主要原因，研發人員在紡絲過程中改變生產工藝參數，紡制出具有三葉形截面的聚酰亞胺纖維，這種結構有助于增強纖維對大氣中粉塵的吸附能力[18]。目前，聚酰亞胺纖維在工業領域應用最廣泛的是處理金屬冶煉、水泥生產、火力發電、垃圾焚燒等廢氣的袋式除塵器的過濾布[19]。

4 結語

聚酰亞胺纖維分子主鏈中剛性的芳雜環結構使其具備阻燃、耐高低溫、耐腐蝕以及優良的力學性能，其在航空、航天、軍工及高溫過濾等領域有著廣泛的應用，并從特種防護、航空航天等特種領域逐漸向服裝、家紡等民生領域延伸。進一步開發聚酰亞胺纖維產品有著廣闊的市場前景及良好的經濟效益。