聚酰亚胺纤维及其纸基功能材料

1.聚酰亚胺纤维简介

聚酰亚胺(PI)于1955年率先由美国科学家Edwards

和Robison 申请应用专利并随后实现商业化生产，其中，最为典型的聚酰亚胺材料是聚酰亚胺薄膜（商品名Kapton）、清漆（商品名Pyre ML）。根据聚酰亚胺低密度、高绝缘、耐腐蚀、阻燃等优异性能，聚酰亚胺薄膜和聚酰亚胺纤维被广泛应用在特种防护、高温过滤、电气绝缘、电子封装、液晶显示、军舰及风电等领域。

以聚酰亚胺纤维为原料，经造纸湿法成形可制备聚酰亚胺纸基功能材料，又称聚酰亚胺特种纸，该材料加工适应性好、防刺穿、透气，常用于变压器、电机线圈绕组、相间、匝间绝缘，是一类重要的、可用于电气设备制造的耐温绝缘材料。

2.聚酰亚胺纤维制备技术/方法

聚酰亚胺纤维的制备方法分为湿法、干法和干湿法三大类；此外，根据纺丝液是前驱体聚酰胺酸还是聚酰亚胺，也可分为两步纺丝法和一步纺丝法。通过纺丝法制备的聚酰亚胺纤维一般通过两步法获得，包括聚酰胺酸制备，聚酰胺酸纺丝、亚胺化两步。

两步法中常用单体有二胺和二酐及二胺和二酐衍生物，常用溶剂有二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、N‐甲基‐2‐吡咯烷酮等，常用纺丝液有苯酚、间甲苯酚、对氯苯酚，凝固浴通常选择醇或醇与水混合物。将聚酰胺酸纤维亚胺化有2种方法：①300℃高温环境脱水环化；②常温条件利用吡啶、三乙胺等催化脱水环化。

2.1干法纺丝

聚酰亚胺纤维最早是通过对聚酰胺酸纤维进行干法纺丝制得，制备过程包括单体缩聚获得聚酰胺酸纺丝液、干法纺丝制得聚酰胺酸纤维、高温环化制得聚酰亚胺纤维3个步骤，其示意图如图1（a）所示

2.2湿法纺丝

Galasso等于1965年提出湿法纺丝法以制备聚酰亚胺纤维，该法以二甲基乙酰胺、N‐甲基‐2‐吡咯烷酮为溶剂、乙醇为凝固浴进行纺丝，之后真空除去溶剂、于250℃~300℃高温条件下环化制得聚酰亚胺纤维，其工艺简图和工艺流程图分别如图2（b）和图2（c）所示

图1（a）干法纺丝示意图；（b）湿法纺丝示意图；（c）湿法纺丝工艺流程图

3.聚酰亚胺纸基功能材料制备技术

聚酰亚胺纸基功能材料制备可分为前驱体聚酰胺酸纤维湿法成形及热亚胺化法、聚酰亚胺纤维直接湿法成形法、聚酰亚胺长丝铺网浸渍成形法、聚酰亚胺短纤维泡沫成形法几大类。其中，聚酰亚胺纤维直接湿法成形法保留了原料纤维的全部优异性能，其产品具有工程化应用的优势。

3.1聚酰亚胺纤维直接湿法成形法

田村顺一公开了通过控制化学亚胺法凝固剂制备浆状颗粒并通过与聚酰亚胺短纤维配抄以制备聚酰亚胺纸基功能材料的方法。古川幹夫等将聚酰亚胺片状纤维在前驱体聚酰胺酸中浸渍，后通过热亚胺化交联制得聚酰亚胺纸基功能材料。但深究其工艺，在严格意义上来说，此法已不属于造纸湿法成形的范畴。2012年，Ozawa等通过对聚酰亚胺泡沫进行打浆处理制得了具有分叉结构的聚酰亚胺纤维，再将其与聚酰亚胺短纤维混合抄纸制备得到耐温等级较高的聚酰亚胺纤维纸。该方法利用聚酰亚胺纤维分叉结构的良好交织性及其在300℃左右可玻璃态软化的特性，提高了纤维间物理缠绕作用。2016年，田国峰等公开了聚酰亚胺浆粕作为填充空隙和辅助成形材料的聚酰亚胺纸基功能材料制备方法；结果表明，引入聚酰亚胺浆粕后，在高温条件下纤维间生成了化学键，随后浆粕通过进一步的物理缠结作用使得纸基功能材料性能得到大幅提升。该方法的显著优势是，纸基功能材料内部未引入其他低分解温度组分，因此制得的纸基功能材料耐温等级优异，可满足条件苛刻的工业环境。

4.聚酰亚胺纸基功能材料的应用

4.1耐高温电气绝缘材料

在使用过程中，电气设备的线圈焦耳损耗不可避免地会产生热量，热量积累使得大部分的绝缘材料因发热发生老化现象。传统绝缘材料（如植物纤维牛皮纸等） 耐温等级低，制约了电气设备的升级换代，严重影响了变压器、发电机、电动机的使用寿命。而聚酰亚胺纤维可耐200℃以上高温，可抵抗腐蚀、极低温、高温、潮湿等极端环境，自身又具有低密度、高绝缘、自熄、抗辐射等特性，符合大功率电气设备对小尺寸、轻量化、长寿命应用的要求，可满足下一代电气设备的升级换代。

4. 2 结构减重及耐高温料

基于聚酰亚胺纤维的结构和特性，其在结构减重方面独具优势。首先，聚酰亚胺纤维力学性能优于芳纶纤维，这使得结构件可承受更大的力学强度；其次，聚酰亚胺具有更好的自熄特性，极限氧指数值高；最后，聚酰亚胺纤维可抵抗太空射线辐射、低温、极高温环境。此外，基于聚酰亚胺纤维耐高温、阻燃的性质，其在防火服、防火结构填充等方面也有广泛应用，如核电站的保温材料、火箭的隔热材料等，但无论是作为结构减重材料还是作为耐高温材料，在使用时需考量其综合性能。

5.结语及展望

随着新基建时代的到来，国内对于高新材料技术产品，如耐温聚酰亚胺纸基功能材料的需求逐渐增多。目前，国内虽已经实现部分种类聚酰亚胺纤维产品的工业化生产，但依旧存在规模小、产能低、设备昂贵、核心技术仍待突破等诸多问题，与国外先进水平仍有差距。随着科学技术不断进步、国内各研究机构或高校（如长春应化所、东华大学、四川大学、北京化工大学及中山大学） 对聚酰亚胺纤维研发的深入，相信国内聚酰亚胺纤维及其纸基功能材料的研发及产业化必将迎来更加蓬勃的发展。

特别声明：本站所转载其他网站内容，出于传递更多信息而非盈利之目的，同时并不代表赞成其观点或证实其描述，内容仅供参考。版权归原作者所有，若有侵权，请联系我们删除。