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三元共聚/部分环化法制备聚酰亚胺纤维的研究

作　者: 陈亮
导　师: 戴礼兴
学　校: 苏州大学
专　业: 材料学
关键词: 聚酰胺酸三元共聚部分环化聚酰亚胺纤维酰亚胺化
分类号: O631.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

聚酰亚胺(PI)纤维是一类分子主链上含有酰亚胺环的高分子材料,具有卓越的机械、绝缘、耐辐射、耐腐蚀、耐高温、耐低温等性能,属于高性能纤维。因其在性能和制备方面的突出优点,不论是作为结构材料还是作为功能性材料,其巨大的应用前景己经被人们所认识。特别是耐辐射性能、电绝缘性能比其它高性能纤维更为优异,因此可以广泛应用于消防、电子、航天航空和军事工业等领域。但其也存在一些缺点,如熔点太高而不易加工,粘结性能差,易水解,可纺性差,生产成本高等。因此对PI纤维的制备及改性一直是人们研究的热点。随着合成方法的改进和纺丝技术的进步,聚酰亚胺纤维的研究和开发工作得到更多的关注与发展。本论文在前人工作的基础上,采用三元共聚/部分环化法制备PI纤维,并对纤维的力学性能、形态结构以及热性能等进行表征。具体步骤如下:1.采用两步法,在均苯四甲酸酐?4,4’-二氨基二苯醚型聚酰胺酸合成基础上,采用均苯四甲酸酐(PMDA)和4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、对苯二胺(PPDA)在溶剂N,N’-二甲基乙酰胺(DMAc)中低温共聚合成三元共聚酰胺酸(PAA),并在PAA中继续加入一定量酰亚胺化试剂(三乙胺、乙酸酐及DMAc的混合溶液),从而合成部分环化的三元共聚PAA。研究发现,聚酰胺酸溶液的特性粘度受二胺的摩尔配比、反应温度、反应时间、反应物的总固含量以及部分环化剂加入量等因素的影响。在本研究中,引入第三种单体的目的在于破坏分子链的规整性和对称性,使其结晶倾向减小,分子链的柔顺性增加,提高PAA溶液的可纺性;聚合过程中部分环化处理同样使PAA溶液可纺性提高。2.将PAA溶液进行干湿法纺丝,通过凝固值和凝固速度的测量,确定了凝固浴的组成和凝固条件。通过扫描电子显微镜、红外光谱、DMA以及力学性能等测试研究了溶液性能以及纺丝工艺对纤维性能和形态结构的影响。后处理过程中研究了拉伸氛围和拉伸比对部分环化PAA初生纤维性能的影响。通过影响因素综合控制,得到了力学性能良好,横截面比较致密的PAA纤维。3.在采用部分环化三元共聚PAA纤维制备PI纤维的过程中,应用热酰亚胺化法、化学酰亚胺化法以及化学-热酰亚胺化法的方法对部分成环聚酰胺酸纤维进行了酰亚胺化处理,比较了三者对纤维性能和形态结构的影响。在化学-热酰亚胺化过程中,系统研究了处理氛围、PAA纤维缠绕方式、升温方式及处理温度对纤维结构和性能的影响,从而得到纤维的最佳热处理方式和条件,最终获得了横截面呈圆形,无孔致密,强度较高的PI纤维。对聚酰亚胺纤维进行红外光谱和热分析结果表明,纤维在300℃时基本已完成了亚胺化。测试结果表明PI纤维的分解温度可达561℃。

全文目录

中文摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-26
  1.1 聚酰亚胺概述  10-14
    1.1.1 国内外聚酰亚胺的发展历史  10-12
    1.1.2 聚酰亚胺纤维的发展概况  12-14
  1.2 聚酰亚胺的合成  14-16
    1.2.1 二酐和二胺缩聚制得聚酰亚胺  14-15
    1.2.2 由四元酸和二元胺反应形成聚酰亚胺  15
    1.2.3 由四元酸的二元酯和二胺反应形成聚酰亚胺  15-16
    1.2.4 由二酐和二异氰酸酯反应获得聚酰亚胺  16
    1.2.5 直接以带酰亚胺环的单体缩聚获得聚酰亚胺  16
  1.3 聚酰亚胺纤维的制备方法  16-18
    1.3.1 干湿法纺丝  17
    1.3.2 熔体纺丝方法  17-18
  1.4 聚酰亚胺的性能及其改性  18-20
    1.4.1 聚酰亚胺的性能  18
    1.4.2 聚酰亚胺的改性研究  18-20
  1.5 聚酰亚胺的应用  20-21
    1.5.1 PI 薄膜的应用  20
    1.5.2 工程塑料  20
    1.5.3 先进复合材料  20
    1.5.4 聚酰亚胺纤维的应用  20-21
  1.6 本课题的研究内容  21-23
  参考文献  23-26
第二章部分环化三元共聚酰胺酸的合成  26-46
  2.1 前言  26-27
  2.2 实验部分  27-30
    2.2.1 主要实验仪器  27-28
    2.2.2 实验原料  28
    2.2.3 三元共聚酰胺酸(PAA)和聚酰亚胺(PI)薄膜的制备  28-29
    2.2.4 粘度的测定  29-30
    2.2.5 红外光谱测试  30
    2.2.6 薄膜机械性能测试  30
  2.3 结果与讨论  30-44
    2.3.1 聚合单体的选择  30-32
    2.3.2 影响PAA 分子量的因素  32-38
    2.3.3 红外光谱分析  38-41
    2.3.4 薄膜的机械性能测试  41-44
  2.4 本章小结  44-45
  参考文献  45-46
第三章部分环化三元共聚型聚酰胺酸的干湿法纺丝  46-67
  3.1 前言  46-47
  3.2 实验部分  47-51
    3.2.1 实验计划  47
    3.2.2 纺丝原液的制备与表征  47-49
    3.2.3 纺丝工艺研究  49-50
    3.2.4 纤维红外光谱表征  50
    3.2.5 扫描电子显微镜(SEM)测试  50
    3.2.6 初生纤维力学性能  50
    3.2.7 热性能测试——动态热机械法测试(DMA)  50-51
  3.3 结果与分析  51-65
    3.3.1 溶液可纺性  51-54
    3.3.2 流变性能  54-56
    3.3.3 凝固浴组成对纤维成型的影响  56-58
    3.3.4 PAA 初生纤维红外光谱分析  58-59
    3.3.5 初生纤维的形态结构  59-61
    3.3.6 力学性能研究  61-62
    3.3.7 DMA 分析  62-63
    3.3.8 初生纤维的降解抑制  63-65
  3.4 本章小结  65-66
  参考文献  66-67
第四章部分环化三元共聚型聚酰胺酸初生纤维的拉伸处理  67-73
  4.1 引言  67
  4.2 实验部分  67-68
    4.2.1 拉伸方式对PAA 初生纤维性能的影响  67-68
    4.2.2 纤维取向度测试  68
    4.2.3 PAA 初生纤维力学性能  68
    4.2.4 纤维形态结构分析  68
  4.3 结果分析  68-70
    4.3.1 不同拉伸氛围的影响  68-69
    4.3.2 不同拉伸比的影响  69-70
    4.3.3 纤维形态结构  70
  4.4 本章小结  70-72
  参考文献  72-73
第五章部分环化聚酰亚胺纤维的制备  73-91
  5.1 引言  73-75
  5.2 实验部分  75-76
    5.2.1 化学酰亚胺化法  75
    5.2.2 热酰亚胺化法  75
    5.2.3 化学-热酰亚胺化法  75
    5.2.4 测试与表征方法  75-76
  5.3 结果与分析  76-87
    5.3.1 不同酰亚胺化法  76-79
    5.3.2 化学-热亚胺法热处理方式对PI 纤维性能的影响  79-83
    5.3.3 红外光谱  83-85
    5.3.4 纤维形态结构  85-86
    5.3.5 X 射线衍射分析  86-87
    5.3.6 DSC 分析  87
  5.4 本章小结  87-89
  参考文献  89-91
第六章全文总结  91-93
攻读硕士学位期间发表的论文  93-94
致谢  94

三元共聚/部分环化法制备聚酰亚胺纤维的研究

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