一種腎形截面聚醯亞胺纖維及其製備方法
2023-07-02 23:54:01 2
專利名稱：一種腎形截面聚醯亞胺纖維及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種腎形截面聚醯亞胺纖維極其製備方法，尤其涉及由芳香二酐和芳香二胺採用圓形噴絲孔製備聚醯亞胺纖維，是採用圓形噴絲孔製備非圓形截面PI纖維的一種方法，屬於聚醯亞胺纖維技術領域。
背景技術：
非圓形截面的纖維有如下特點第一是具有良好的光學效應，特別是三角形纖維，具有小稜鏡般的分光作用，能使自然光分光後再度組合，給人以特殊的感覺。第二是表面積大，能增強覆蓋能力，減小織物的透明度，還能改善圓形截面纖維易起球的不足。第三是因截面呈特殊形狀，能增強纖維間的抱合力，改善纖維的蓬鬆性和透氣性。第四是抗抽絲性能優於圓形纖維。因此，這類纖維大量用於機織、針刺、編織及地毯工業中。PI纖維是一類性能優良的有機纖維，具備耐高溫、耐低溫、耐輻射、耐化學溶劑、電絕緣性能好、力學性能優異等特點，在耐高溫、耐低溫和其他複雜化學環境領域、以及複合材料領域有著廣闊的應用前景。非圓形截面的PI纖維兼具圓形P I纖維和非圓形截面PI纖維的特點，使其在特種紡織品和過濾材料領域發揮更為獨特的作用。傳統的製備非圓形截面纖維多是通過非圓形噴絲孔噴出定形而得。現有的非圓形截面PI纖維也是通過傳統方法製得，如現市場銷售的P84產品，這種產品是通過三葉形噴絲孔製備成橫截面為三葉形的PI纖維，主要用於耐高溫過濾材料。但由於噴絲孔本身很小、加工很難，如果是非圓形的噴絲孔加工就會更難。主要是通過調節噴絲速度、凝固浴的組成、凝固浴的配比、凝固浴溫度、豎直胼深的長度等紡絲條件，製備出具有腎形截面的PI纖維。製備過程採用由PAA溶液出發，通過圓形噴絲孔噴絲和後處理等一系列連續化過程，直接製備出具有腎形截面的PI纖維。
發明內容
本發明的目的在於解決現有技術的不足，並提供一種製備具有腎形截面PI纖維及製備技術，其生產工藝過程簡單，生產成本低廉，從最初的PAA溶液到最後的PI纖維，中間過程連續完成，沒有間斷，生產效率高效，可直接用於工業化大批量生產。本發明為一種具有腎形截面聚醯亞胺(PI)纖維及其製備方法，特別是由芳香二酐和芳香二胺合成的聚醯胺酸(PAA)溶液，通過調節噴絲速度、凝固浴的組成和配比、凝固浴溫度、豎直胼深的長度等紡絲條件，獲得具有腎形截面的PAA初生纖維，繼而對其進行水洗、乾燥、階梯高溫環化牽伸、收卷等一系列連續步驟，最終獲得具有腎形截面的PI纖維。這種成型方法具有製備工藝簡單，製備效率高，原料成本、能耗低等特點，可用於大規模工業化生產。根據本方法取得的腎形截面PI纖維相對圓形截面PI纖維具有比表面積大、抱合力強、織物的摩擦係數大，同時，還可改善懸垂性和耐折皺性等。紡織加工性能更加優良，更適應製作耐高溫過濾材料。為實現上述目的，本發明的技術方案如下
一種腎形截面聚醯亞胺纖維，其特徵在於，由芳香族二酐和芳香族二胺合成的腎形截面聚醯亞胺纖維。一體化成型製備腎形截面聚醯亞胺(PI)纖維的方法，其特徵在於，採用圓形噴絲孔製備腎形截面聚醯亞胺，具體包括以下步驟A 採用芳香族二酐和芳香族二胺合成固含量為3%-30%的PAA溶液，過濾抽真空除氣泡後，採用圓形噴絲孔通過溼法工藝進行紡絲；B:從圓形噴絲孔噴出的纖維進入凝固浴溶液，通過調節噴絲速度、凝固浴的組成、凝固浴溫度、豎直胼深的長度，製備出具有腎形截面的PAA初生纖維；C:將步驟B得到的PAA初生纖維繼續經過水洗去除溶劑、加熱乾燥除水、階梯高溫環化牽伸、高溫退火、收卷等一系列連續步驟，獲得具有腎形截面的PI纖維。製備具有腎形截面的PI纖維的製備技術屬於連續一體化成型技術，從最初的PAA溶液到最後的PI纖維，中間過程連續完成，沒有間斷，其生產工藝過程簡單，生產效率高效，生產成本低廉。其中，步驟A中所採用的二酐為均苯四甲酸二酐(PMDA)，二胺為4，4』_二氨基二苯醚(ODA)以及對苯二胺(PPDA)。PAA溶液是由這兩種二胺中任何一種二胺和二酐PMDA均縮聚反應製得，或者由這兩種二胺和PMDA共縮聚反應製得，即PMDA-0DA/PPDA共聚PAA溶液，或者由PMDA/0DA與PMDA/PPDA先分別均聚，再混合到一起製備的PAA溶液等。步驟B中所述的噴絲速度為0. l-100m/min之間。步驟B中所述的凝固浴組成，採用的凝固浴可以是水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、甲苯、N，N-二甲基甲醯胺(DMF)、N，N-二甲基乙醯胺(DMAc)、N_甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亞碸(DMSO)等其中的一種或幾種的混合凝固浴；凝固浴的溫度區間為-10°C -50°C ；步驟B中所述的豎直胼深的長度為5mm-800mm之間。步驟C中的所述的水洗溫度區間為0-100°C之間，加熱乾燥除水溫度為60_240°C之間，階梯高溫環化牽伸溫度區間為120-600°C，高溫退火溫度區間為400-800°C，上述過程的水洗溫度、乾燥除水溫度、階梯高溫環化牽伸溫度和高溫退火溫度是依次升高的。與現有技術相比較，本發明具有以下的優勢1、本發明是採用圓形噴絲孔製備非圓形截面PI纖維的一種方法。與傳統方法相比，具有噴絲孔設計、加工簡單，紡絲過程容易控制等特點。與圓形截面的纖維相比，腎形截面的纖維的比表面積至少是等截面積的圓形截面的纖維的1. 3倍。2、本發明採用連續化成型製備技術，即PAA溶液紡絲、清洗、乾燥、加熱環化、牽伸、高溫退火等步驟一體完成，製備工藝簡單連續，製備效率高，利於大規模工業化生產；優於用PAA溶液製備PI纖維的兩步法製備技術，即先通過PAA溶液製備得到PAA原絲，PAA原絲收卷後，再將其化學環化或者加熱環化或者化學環化與加熱環化結合製備PI纖維的技術；也優於用PI溶液製備PI纖維的一步法成型技術，即先在合適的溶劑中合成PI溶液，再用PI溶液進行紡絲，製備PI纖維，此種技術首先要找到能溶解PI的溶劑，可以溶解PI的溶劑主要是酚類溶劑，酚類溶劑的毒性比較大，而且能夠被溶解PI的種類也很有限。3、本發明採用的二胺和二酐均屬於國產工業化原料，成本低廉，所採用的溶劑以及凝固浴溶液，都屬於可回收原料，不會對環境造成汙染。4、本發明製備的腎形截面的PI纖維，主要是通過調節噴絲速度、凝固浴的組成、凝固浴的配比、凝固浴溫度、豎直胼深的長度等紡絲條件獲得的，避免了非圓形噴絲孔加工所帶來的困難。5、本發明中用到的原料都相當廉價，生產過程能耗較低，對環境不會造成汙染，且所有用過的原料都可以回收利用。6、本發明實施的過程簡單，易於流程化，工業化前景良好。該發的製備的產品具有腎形截面，比表面積大，能增強覆蓋能力，增強纖維間的抱合力，適用於製備高溫過濾材料，以及耐高低溫織物等方面。
圖1 本發明方法一體化製備腎形截面PI纖維的流程草圖；圖中數字1表示含有PAA溶液的紡絲桶；2表示噴絲板，3表示凝固浴溶液；4表示導絲輥；5第η凝固浴槽，表示清洗過程；7表示加熱除水過程；8表示高溫環化過程；9表示高溫退火過程；10表示卷繞收絲過程。圖2 腎形截面PAA纖維的表面及斷面掃描電鏡(SEM)照片；圖3 腎形截面PI纖維的表面及斷面SEM照片。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述，但本發明不限於以下實施例。採用如圖1所示的流程圖，將紡絲桶ι內的PAA溶液通過噴絲板2、凝固浴溶液3和導絲輥4進行紡絲，並經過凝固浴槽5的凝固和清洗過程6，然後依次經過加熱除水過程7、高溫環化過程8、高溫退火過程9、卷繞收絲過程10即可。實施例1A 採用低成本的PMDA和ODA合成固含量為15%的PAA溶液，過濾抽真空除氣泡後，通過溼法工藝進行紡絲；B:從圓形噴絲孔噴出的纖維直接進入採用純水的、溫度為25°C的凝固浴溶液，採用四個凝固浴槽，通過改變計量泵轉速來調節噴絲速度，紡絲速度分別設定為15、20或25m/min，豎直胼深的長度為100mm，可以製備出具有腎形截面的PAA初生纖維；C:將步驟B得到的PAA初生纖維直接經過水洗去除溶劑，水洗溫度區間為20-800C，在80°C下加熱乾燥除水，之後進行階梯高溫環化牽伸，溫度區間為160-400°C，在500°C下氮氣氛圍中高溫退火，最後收卷，獲得具有腎形截面的PI纖維。獲得PAA纖維的表面及斷面形貌如圖2所示。實施例2A 採用低成本的PMDA和ODA合成固含量為20%的PAA溶液，過濾抽真空除氣泡後，通過溼法進行紡絲；B:從圓形噴絲孔噴出的纖維直接進入採用純水的、不同溫度的凝固浴溶液，採用一個凝固浴槽，凝固浴溫度設定為10、25或40°C，通過改變計量泵轉速來調節噴絲速度，紡絲速度為20m/min，豎直胼深的長度為50mm，製備出具有腎形截面的PAA初生纖維；C:將步驟B得到的PAA初生纖維直接經過水洗去除溶劑，水洗溫度區間為40-80°C，在100°C下加熱乾燥除水，高溫環化牽伸，溫度區間為160-450°C，在520°C下氮氣
5氛圍中高溫退火，最後收卷，獲得具有腎形截面的PI纖維。獲得PI纖維的表面及斷面形貌如圖3所示。實施例3A 採用低成本的PMDA和ODA合成固含量為25%的PAA溶液，過濾抽真空除氣泡後，通過溼法進行紡絲；B 從圓形噴絲孔噴出的纖維直接進入溫度為30°C、不同凝固浴體系的凝固浴溶液，採用五個凝固浴槽，凝固浴體系為水/乙醇、水/DMAc或水/乙二醇體系，通過改變計量泵轉速來調節噴絲速度，紡絲速度為lOm/min，豎直胼深的長度為50mm，製備出具有腎形截面的PAA初生纖維；C:將步驟B得到的PAA初生纖維直接經過水洗去除溶劑，水洗溫度區間為30-95°C，在120°C下加熱乾燥除水，高溫環化牽伸，溫度區間為150-480°C，在500°C下氮氣氛圍中高溫退火，最後收卷，獲得具有腎形截面的PI纖維。實施例4A 採用低成本的PMDA和ODA以及PPDA共聚合成固含量為15%的PAA溶液，過濾抽真空除氣泡後，通過溼法進行紡絲；B 從圓形噴絲孔噴出的纖維直接進入溫度為_5°C、凝固浴體系為水/乙醇的凝固浴溶液，採用四個凝固浴槽，第一凝固浴濃度可採用體積比為50/50、70/30或90/10的水/乙醇溶液，通過改變計量泵轉速來調節噴絲速度，紡絲速度為15m/min，豎直胼深的長度為250mm，製備出具有腎形截面的PAA初生纖維；C 將步驟B得到的PAA初生纖維經過水洗去除溶劑，水洗溫度區間為20_90°C，在140°C下加熱乾燥除水，高溫環化牽伸，溫度區間為160-500°C，在560°C下氮氣氛圍中高溫退火，最後收卷，獲得具有腎形截面的PI纖維。實施例5A 採用低成本的PMDA/ODA以及PMDA/PPDA共混合成固含量為12 %的PAA溶液，過濾抽真空除氣泡後，通過溼法進行紡絲；B 從圓形噴絲孔噴出的纖維直接進入溫度為35°C、凝固浴體系為純水，採用一個凝固浴槽，通過改變計量泵轉速來調節噴絲速度，紡絲速度為30m/min，豎直胼深的長度分別為200、400或600mm，製備出具有腎形截面的PAA初生纖維；C 將步驟B得到的PAA初生纖維經過水洗去除溶劑，水洗溫度區間為20_90°C，在160°C下加熱乾燥除水，高溫環化牽伸，溫度區間為200-5001，在下氮氣氛圍中高溫退火，最後收卷，獲得具有腎形截面的PI纖維。實施例6A 採用低成本的PMDA/ODA合成固含量為8%的PAA溶液，過濾抽真空除氣泡後，通過溼法進行紡絲；B 從圓形噴絲孔噴出的纖維直接進入溫度為45°C、凝固浴體系為純水/乙醇/DMAc體系，採用六個凝固浴槽，通過改變計量泵轉速來調節噴絲速度，紡絲速度為45m/min，豎直胼深的長度分別為700mm，製備出具有腎形截面的PAA初生纖維；C 將步驟B得到的PAA初生纖維經過水洗去除溶劑，水洗溫度區間為30-100°C，在80-240°C溫度區間下加熱乾燥除水，高溫環化牽伸，溫度區間為200-550°C，在700°C下氮氣氛圍中高溫退火，最後收卷，獲得具有腎形截面的Pi纖維。 上述實施例1-6中腎形截面PAA纖維的表面及斷面掃描電鏡(SEM)照片見圖2 ；腎形截面PI纖維的表面及斷面SEM照片見圖3。
權利要求
1.一種腎形截面聚醯亞胺纖維，其特徵在於，由芳香族二酐和芳香族二胺合成的腎形截面聚醯亞胺纖維。
2.一體化成型製備腎形截面聚醯亞胺纖維的方法，其特徵在於，採用圓形噴絲孔製備腎形截面聚醯亞胺，具體包括以下步驟A 採用芳香族二酐和芳香族二胺合成固含量為3%-30%的PAA溶液，過濾抽真空除氣泡後，採用圓形噴絲孔通過溼法工藝進行紡絲；B:從圓形噴絲孔噴出的纖維進入凝固浴溶液，通過調節噴絲速度、凝固浴的組成、凝固浴溫度、豎直胼深的長度，製備出具有腎形截面的PAA初生纖維；C:將步驟B得到的PAA初生纖維繼續經過水洗去除溶劑、加熱乾燥除水、階梯高溫環化牽伸、高溫退火、收卷一系列連續步驟，獲得具有腎形截面的PI纖維；步驟B中所述的噴絲速度為0. l-100m/min ；步驟B中所述的凝固浴，為水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、甲苯、N，N-二甲基甲醯胺(DMF)、N，N-二甲基乙醯胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亞碸(DMSO)等其中的一種或幾種的混合凝固浴；凝固浴的溫度區間為-10°C -50°C;豎直胼深的長度為5mm-800mm ；步驟C中的所述的水洗溫度區間為0-100°C之間，加熱乾燥除水溫度為60-240°C之間，階梯高溫環化牽伸溫度區間為120-600°C，高溫退火溫度區間為400-800°C，並且上述過程的水洗溫度、乾燥除水溫度、階梯高溫環化牽伸溫度和高溫退火溫度是依次升高的。
3.按照權利要求2的方法，其特徵在於，步驟A中所採用的二酐為均苯四甲酸二酐(PMDA)，二胺為4，4』 - 二氨基二苯醚(ODA)以及對苯二胺(PPDA) ；PAA溶液是由這兩種二胺中任何一種和二酐PMDA均縮聚反應製得，或者由這兩種二胺和PMDA共縮聚反應製得PMDA-0DA/PPDA共聚PAA溶液，或者由PMDA/0DA與PMDA/PPDA先分別均聚，再混合到一起製備的PAA溶液。
全文摘要
一種具有腎形截面聚醯亞胺纖維及其製備方法，屬於聚醯亞胺纖維技術領域。是由芳香族二酐和芳香族二胺合成的聚醯胺酸(PAA)溶液，採用圓形噴絲孔應用溼法紡絲工藝，通過調節噴絲速度、凝固浴的組成和配比、凝固浴溫度、豎直肼深的長度等紡絲條件，獲得具有腎形截面的PAA初生纖維，繼而對其進行水洗、乾燥、階梯高溫環化牽伸、收卷等一系列連續步驟，最終獲得具有腎形截面的PI纖維。這種成型方法具有噴絲孔設計、加工簡單，紡絲過程容易控制，製備效率高，原料成本、能耗低等特點，可用於大規模工業化生產。
文檔編號D01D1/02GK102560707SQ20121000923
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者商龔平, 李論, 武德珍, 汪曉東, 牛鴻慶, 韓恩林, 齊勝利 申請人:北京化工大學