耐高温聚酰亚胺纤维的生产技术及性能研究

丁孟贤，杨 诚，卢 晶

(长春高琦聚酰亚胺材料有限公司，长春 130103)

耐高温聚酰亚胺纤维的生产技术及性能研究

丁孟贤，杨 诚，卢 晶

(长春高琦聚酰亚胺材料有限公司，长春 130103)

聚酰亚胺纤维自进入高温过滤领域以来，已经得到广泛的应用。本文综合阐述了YILUN®聚酰亚胺纤维的研究过程、技术方法，并介绍了纤维的性能。

聚酰亚胺纤维;纤维性能;高温过滤;纤维结构;制作工艺

前言

聚酰亚胺是目前已经工业化的高分子材料中使用温度最高的品种之一，应用十分广泛，是多个领域的关键材料，是新材料领域中的耐高温高分子材料。聚酰亚胺具有优异的综合性能，在已经产业化的芳杂环聚合物中，聚酰亚胺占有绝对的主导地位。具有高强度、高绝缘性、耐辐射、耐化学等综合性能，在绝缘材料和结构材料、功能材料等方面的应用正不断扩大，以多种材料的形式，例如薄膜、纤维、塑料、复合材料、涂料、胶黏剂、分离膜、光刻胶、液晶取向剂等在航天、航空、微电子、机电、化工、汽车等方面都有广泛的应用。

聚酰亚胺因性能优异，国际上早在20世纪60年代就开始对聚酰亚胺纤维的制造开展了研究。目前我国耐高温聚酰亚胺纤维的研制尚处于初级阶段，国内的水泥、电力、钢铁、垃圾焚烧等行业除尘器应用的聚酰亚胺纤维以往全球只有奥地利的一家公司独家生产，由于价格昂贵，国内的应用仍处于受制于人的状态。因此研制、生产具有自主知识产权的聚酰亚胺纤维系列产品具有重大意义。随着国家对环保要求的提高，可以预见，聚酰亚胺纤维的需求将会在未来3～5年中成倍增长。

1 轶纶®纤维的研究

1.1 聚酰亚胺的分子式

主链上含有酰亚胺基团的高分子聚合物

高琦聚酰亚胺

高琦轶纶®聚酰亚胺纤维

1.2 国内外聚酰亚胺纤维发展历程

在20世纪60年代，杜邦公司率先开展了基础的研究工作。所用的纺丝液是聚酰胺酸，方法有干纺和湿纺。

然而到了80年代，杜邦宣布放弃用聚酰胺酸纺丝路线，原因是聚酰胺酸原丝性能不稳定导致生产过程容易破坏纤维的结构，因而影响性能。并且由于结构变化不多，性能并不突出，尤其在Kevlar商品化之后，聚酰亚胺纤维的研究跌入低潮。

80年代中期，日本根据杜邦的经验，开展了由聚酰亚胺为纺丝液的工作，得到了性能超过Kevlar 49的聚酰亚胺纤维。但是所用的溶剂毒性太大，难以实现规模化生产。同时采用聚酰亚胺溶液纺丝也给聚合物的结构选择带来很大的限制，因此未能得到进一步的发展。

奥地利的Lenzing公司在20世纪末用可溶于DMAc的聚酰亚胺P84进行纺丝，并实现了产业化，目前已经达到1200吨/年的规模。

前苏联在20世纪70年代也开展了聚酰亚胺纤维的研究，但始终停留在日产数吨的小规模，主要为军工提供连续纤维，并限制在国际市场的销售。

1.3 轶纶®纤维技术方案论证与研究

1.3.1 方案论证

2008年，国内企业开展了包括耐热聚酰亚胺纤维的产业化工作，并选定了以聚酰胺酸溶液纺丝的基本路线。不到两年的时间就解决了聚合、分子量控制、凝固浴组成、原丝中溶剂含量、干燥、酰亚胺化、牵伸、定型、上油剂等等数十个关键问题。同时以取得的工艺数据对专用设备的设计提出指导性意见，在2010年底终于实现了采用聚酰胺酸溶液为纺丝液，湿法纺丝的300吨/年全线连续化过程，得到可以满足烟道气除尘滤袋使用的聚酰亚胺纤维，牌号为YILUN®（轶纶®） 。

1.3.2 技术特征

YILUN®纤维的技术特征是：由聚合物特殊的结构设计，以聚酰胺酸溶液为纺丝液，以湿纺工艺的全程一步法连续化过程得到聚酰亚胺纤维。

（1）该项目所设计的聚合物结构所需单体原料全部立足国内，同时具有完全自主的知识产权，并能满足规模化的生产需求。

同时作为耐热聚酰亚胺纤维（非高强高模），主要是要求有高的热稳定性，其次要求有较高的力学性能及化学稳定性，同时还要考虑制造成本。因此在结构设计中选定以二酐和二胺为主要原料单体，再辅助以第三单体，得到了性能比较全面的纤维品种。既能满足高耐热性和较高的强度，又能满足纺织、针刺加工的要求，还能满足较低的成本需求，在总体性能上达到或超过了进口聚酰亚胺纤维性能。

（2）以聚酰胺酸溶液为纺丝液，为聚酰亚胺纤维的发展打下了很好的基础。由于耐热、高强度的聚酰亚胺大都不溶于一般有机溶剂，因此使聚酰亚胺纤维的结构设计受到非常大的限制。聚酰胺酸具有可溶解性，可以设计多种结构，并开发出具有满足需要性能的聚酰亚胺纤维。同时，所用的纺丝液就是聚合溶液，对聚合物无需纺前处理（芳纶就需要在聚合后对聚合物进行沉淀、洗涤、干燥、溶解的繁复过程才能得到纺丝液），大大简化了工艺过程。

（3）由于采用了特殊的环化过程，实现了全程连续化，设备生产能力大幅提高，同时节能、减耗成效明显（相比于俄罗斯的庞大设备和低的产能）。此外还保证了纤维产品的高性能和批次质量的稳定性。

1.3.3 工艺流程（见图1）

图1 YILUN®聚酰亚胺纤维制作工艺流程

2 YILUN®聚酰亚胺纤维产品的技术关键点和创新点

纤维是聚酰亚胺材料中难点最多的研究对象之一，尤其是为了不给聚合物结构设计设置限制，采用以聚酰胺酸溶液为纺丝液，其纤维制备过程就更为复杂。主要包括关键单体合成、纺丝液制备、纤维纺制、洗涤干燥、亚胺化、高温牵伸等工艺环节，是一个涉及高分子化学、高分子物理、材料科学、自动控制、精密机械等多学科交叉的、科学内涵丰富的高难度课题，需要充分的基础科学理论支持、先进的基础工业技术保障、严格的工艺和质量管理保证才能获得成功。

YILUN®聚酰亚胺纤维的一个主要特点是，经由可以不经过任何处理的聚酰胺酸溶液直接用作纺丝液，有助于实现生产过程的连续化，因此对聚合的要求就特别高，即要求高分子量、高均相、分子量可控等关键指标。要达到这些指标，对聚合釜、搅拌形式、投料方式、温度控制等都提出了严格要求。

2.1 聚合物的结构设计

该项目所设计的聚合物化学结构中不包含酮酐单体，所使用的二胺结构也完全不同于Evonic公司的P84聚酰亚胺纤维，每种单体均可在国内采购，特殊的二酐单体为企业的自有产品。

2.2 纺丝原液的制备技术

加入适当比例的催化剂，大幅度改善胶液的溶解行为和表观黏度，即可获得高分子量、高均相的纺丝原液，又可有效避免胶团粒子的生成。

该技术的实现可以稳定获得纺丝原液，大幅度提高了聚合物溶液的可纺性和初生纤维成品率。

2.3 连续化纺丝过程的多因素控制

包括凝固浴的组成、温度、水洗程度、干燥温度及溶剂含量等的控制，都是保证得到优质原丝的关键。

凝固浴的组成、温度等是初生纤维质量控制的关键因素之一，对原丝的结构起决定作用。

原丝的干燥过程和原丝的再反应过程控制是获得高性能纤维的关键步骤，也是关系纤维微结构的重要因素。

2.4 后处理

再反应是得到合格聚酰亚胺纤维的关键步骤；油剂和后处理是得到可纺纤维的关键；为满足产业化的需要，必须考虑将纺丝、干燥、再反应及后处理过程尽可能地连续化，为此要取得大量工艺参数，为关键设备研制和生产线的建设提供基础设计依据。

（1）耐热聚酰亚胺短纤维产业化技术集成

在百吨级纺丝装置上完成干燥、再反应与后处理工艺条件和工况条件优化集成，为工业化纺丝装置的设计、制造提供必要的参数，以大幅度提高生产效率。

（2）纺丝关键设备研制

聚酰亚胺规模化制备技术在国内还是首例，在纺丝设备设计、制作中虽然可以部分参照其他特种合成纤维的纺丝过程，但由于上述纤维的纺丝过程与纤维的后处理过程与聚酰亚胺纤维的纺制存在很大差异，特别是聚酰亚胺纤维制备中需要的后处理步骤，需要根据所积累的数据参数自行设计前纺、干燥、再反应和后处理等关键设备。

与干法纺丝技术相比，湿法纺丝的一次性投资较小，而且整体过程易于控制，并可根据市场需求逐步扩大生产规模，更值得强调的是，湿法纺丝的溶剂回收率高，有利于环境保护。

3 YILUN®纤维性能

3.1 产品主要性能指标（见表1、表2、表3）

表1 YILUN®短纤维性能指标

表2 YILUN®纱线性能指标

表3 YILUN®基布性能指标

3.2 YILUN®纤维性能介绍

（1）良好的力学性能

图2表示了随温度变化不同纤维的动态力学性能比较。从图2中可以看出，在温度为300℃时，YILUN®纤维仍能保持良好的性能，这也说明YILUN®纤维能够耐受更高的温度。

图2 YILUN®纤维和其他纤维的动态力学性能比较

（2）良好的热稳定性和低温稳定性

YILUN®具有长久热稳定性，在高温下具有优良的强度、刚性、耐疲劳性及良好的电气性能见图3。长期工作温度可高达300℃。YILUN®亦能耐极低温，在-267℃液氦中仍不脆裂。是极佳的保温、隔热（寒）材料。

图3 常用纤维的最高使用温度比较

在高温滤材中，纤维的收缩性也必须要考虑。若与其他纤维相比，表4的数据显示了YILUN®纤维具有极佳的高温稳定性。这对于高温废气温度突然增加情况下，使用YILUN®纤维仍旧具有相当的安全性（见图4、5）。

图4 YILUN®纤维和其它PI纤维分别在不同高温下的静态热失重比较

图5 YILUN®纤维和其他纤维的热失重曲线

（3）优异的阻燃性

YILUN®纤维由不含卤素的芳香族单元组成主链，极限氧指数大于38%，因而具有永久阻燃性；同时具有不熔的特性，不熔滴，且离火自熄；发烟率极低，无毒。

（4）良好的过滤性能

YILUN®纤维具有多种截面（三叶形、圆型，见图6），以及纳米级的超细纤维，单独使用或混合使用都增加了过滤表面积，具有更高的过滤效率。

图6 纤维照片

（5）化学稳定性

YILUN®纤维能适应苛刻的化学环境。凭借其芳香结构，它能够耐受多种化合物的作用，能抵抗酸、碱、烃类、酮、醇、酯等化学品的侵蚀，因此具有长的使用寿命。

（6）电绝缘性能

YILUN®纤维在高温、高压、高湿、变频等条件下仍能保持良好的绝缘性能。

4 结语

我国聚酰亚胺纤维在高温滤袋上的使用还处于初级阶段，很多应用技术还处于探索阶段，与国外滤料在应用条件上也存在着差异，因此不能照搬国外的经验。

研究聚酰亚胺纤维滤料的生产和使用技术，对于高温烟气袋式除尘器的发展有重大意义。

Study on Production Technology and Its Performance of Polyimide Fiber with Resisting High Temperature

DING Meng-xian, YANG Cheng, LU Jing

TQ323

A

1006-5377（2012）03-0050-04