CN108085769A - 一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,包括:在氮气保护下,将二胺单体加入非质子极性溶剂中,完全溶解后加入二酐单体室温搅拌反应,再加入封端剂继续搅拌反应,得到两端封端的聚酰胺酸原液;过滤,脱泡,稀释,然后注入至搅拌的沉析液中,得到聚酰胺酸沉析纤维悬浮液,经洗涤,过滤,真空干燥,得到聚酰胺酸沉析纤维;进行热环化交联反应,即得。本发明工艺简单可控,节能环保,提高生产效率,降低生产成本,制得的可交联型聚酰亚胺沉析纤维具有较高的比表面积,且具有更高的机械性能、耐热性能及耐化学腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于沉析纤维技术领域,特别涉及一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法。
背景技术
高性能纸不仅拥有良好的绝缘性能和机械强度,还有着各种特种性能,如耐高温、耐辐照、耐化学腐蚀等,在电气电工、航空航天、通讯电子、化工生产、环境保护等领域都得到了广泛应用。以聚酰亚胺为原料的绝缘纸在高性能电机、电缆、电容器和变压器中具有非常广阔的应用前景,也可用于制备层压制品、复合材料和预浸材料等绝缘材料。
传统绝缘纸中最具代表性的就是1960年美国杜邦公司成功研究生产出的H级绝缘的耐高温材料Nomex纸,随着我国高新技术行业的发展,对耐高温性能绝缘纸的需求和要求也不断提高。耐高温绝缘纸的性能主要取决于其纤维的耐热性能和机械性能,由于聚酰亚胺纤维具有独特的芳杂环刚性结构,具有着优异的热稳定性、电绝缘性、化学稳定性以及耐辐射性能,在原子能工业、空间环境、航空航天、高速交通工具、电气绝缘、海洋开发、体育器械、环境产业及防护用具等严酷环境中得到广泛使用。聚酰亚胺纤维相比于传统耐高温材料,具有耐高温达400℃以上,可以在-200℃~300℃下长期使用,且具有相比其他纤维更优异的耐辐射性能,因此在高温和辐照领域有着更广大的应用前景。
聚酰亚胺绝缘纸主要由短纤和沉析纤维混合抄造而成,而由于传统的聚酰亚胺纸是聚酰亚胺短纤和芳纶浆粕抄造而成,如CN102953288A,该方法由于混入芳纶,芳纶耐热性能低于聚酰亚胺,导致该纸的耐热性能有所下降。近年来开发了许多纯聚酰亚胺绝缘纸,如CN106436441A、CN106638114A、CN106436441A、CN102352576A提到的,在制备聚酰亚胺复合纸的过程中,加入了胶黏剂,该方法由于胶黏剂的加入,纸张耐热性能下降,但是仅靠通过热压,不添加胶黏剂,浆粕的物理缠结力不够,导致复合纸的机械性能不高。如CN105506769A提到的,由两部法制备聚酰亚胺沉析纤维,但是该方法中由于聚酰胺酸在环化过程中会释放小分子水,对其内部结构造成破坏,因此沉析纤维机械性能下降。
目前我国的聚酰亚胺沉析纤维的研究虽然有了长足的进步,但仍处于起步阶段。其比表面积、机械性能不能满足现阶段的要求。因此,现在急需一种比表面积大的、机械性能更高、耐热性能更高的聚酰亚胺沉析纤维来提高聚酰亚胺复合纸的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,以解决现阶段聚酰亚胺沉析纤维技术上所存在的不足,在聚酰亚胺沉析纤维中引入交联结构,提高沉析纤维的机械性能、耐热性能、耐化学腐蚀性能等,避免了传统两步法力学性能降低的缺点,通过两步法制备沉析纤维,比表面积相比于一步法的沉析纤维高,且工艺简单可控,提高生产效率,降低生产成本。
本发明的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,包括:
(1)在氮气保护下,将二胺单体加入非质子极性溶剂中,完全溶解后加入二酐单体室温搅拌反应,再加入封端剂继续搅拌反应,得到固含量为10~25%的两端封端的聚酰胺酸原液;其中二胺单体、二酐单体、封端剂的摩尔比为1:0.92~0.96:0.2~0.4;
(2)将步骤(1)得到的聚酰胺酸原液过滤,脱泡,稀释至浓度为1~20wt%,然后按体积比1:9~11注入至搅拌的沉析液中,得到聚酰胺酸沉析纤维悬浮液,经洗涤,过滤,真空干燥,得到聚酰胺酸沉析纤维;
(3)将步骤(2)得到的聚酰胺酸沉析纤维进行热环化交联反应,得到可交联型聚酰亚胺沉析纤维。
所述步骤(1)中的二胺单体为对苯二胺PDA和2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑BIA,其中PDA与BIA的摩尔比为2:8~10:0。
所述步骤(1)中的二酐为3,3,4,4-联苯二酐BPDA。
所述步骤(1)中的封端剂为苯乙炔苯酐PEPA。
所述步骤(1)中搅拌反应的时间为3~8h。
所述步骤(1)中继续搅拌反应的时间为2~6h。
所述步骤(2)中注入至搅拌的沉析液的工艺条件为:采用含1~10000孔,孔内径0.05~1mm的多孔注射器,以1~100mL/min的注射速度进行注入。
所述步骤(2)中的沉析液由水、乙醇或甲醇与非质子极性溶剂按体积比为1:9~8:1组成。
所述非质子极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮NMP、二甲基甲酰胺DMF或二甲基乙酰胺DMAc。
所述步骤(2)中的沉析液的温度为0~30℃。
所述步骤(2)中沉析液采用带有剪切装置进行搅拌,搅拌速度为500~3000r/min,搅拌时间为0.5~1.5min。
所述步骤(2)中水洗的工艺条件为分别用水和乙醇洗涤。
所述步骤(2)中的聚酰胺酸沉析纤维的平均长度为0.1~15mm,比表面积为40~90m2/g。
所述步骤(3)中热环化交联反应的工艺参数为:反应温度为200~400℃,反应时间为30~120min。
所述步骤(3)中的可交联型聚酰亚胺沉析纤维的玻璃化转变温度平均为310~320℃,质量损失5%时的热失重温度平均为550~560℃。
有益效果
(1)本发明通过二胺、二酐、封端剂聚合得到聚酰胺酸原液,成本低、操作简单、分子量可控,向聚酰亚胺沉析纤维中引入交联结构,再通过加热进行热环化交联得到交联型聚酰亚胺沉析纤维,兼顾了加工性能和耐热性能,具有了更高的机械性能、耐热性能及耐化学腐蚀性能。
(2)本发明的可交联型聚酰亚胺沉析纤维的前驱体是由聚酰胺酸溶液沉析法制备的聚酰胺酸纤维,由于存在未亚胺化的羧基和氨基,因此亲水性好,纤维相对于传统一步法毛羽更加丰富,成型更加完善,因此环化后的聚酰亚胺沉析纤维有着更高的比表面积。
(3)本发明通过两步法制备沉析纤维,由于向沉析纤维中引入交联结构,提高了纤维的力学、耐热、耐化学腐蚀性能,避免了传统两步法制备聚酰亚胺沉析纤维后期环化由于释放小分子水力学性能降低的缺点。
(4)本发明制得的聚酰亚胺沉析纤维具有相比芳纶纤维更好的耐热性能,相比传统两步法制备的聚酰亚胺沉析纤维更高的力学性能,相比于传统一步法制备的聚酰亚胺沉析纤维更高的比表面积,且工艺简单可控,节能环保,提高生产效率,降低生产成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
(1)在氮气保护下,向5L的聚合釜中加入1.5L NMP,67.20g PDA与44.81g BIA,完全溶解后加入112.34g BPDA,室温搅拌反应5h,再加入30.86g PEPA继续搅拌反应3h,得到固含量为15%的两端封端的聚酰胺酸原液。
(2)将步骤(1)得到的聚酰胺酸原液过滤,脱泡,稀释至5wt%,然后将10mL的稀释后的聚酰胺酸溶液采用含1~10000孔,孔内径0.05~1mm的多孔注射器,以5mL/min的注射速度注入至搅拌的100mL的沉析液中,其中沉析液为体积比2:8的水和NMP组成,沉析液温度为20℃,搅拌速度为2000r/min,搅拌时间为1min,得到聚酰胺酸沉析纤维悬浮液,分别用水和乙醇洗涤,过滤,真空干燥,得到蓬松的、表面毛羽丰富的聚酰胺酸沉析纤维。
(3)将步骤(2)得到的聚酰胺酸沉析纤维在300℃下进行热环化交联反应60min,得到可交联型聚酰亚胺沉析纤维。
本实施例得到的聚酰胺酸沉析纤维的平均长度为4.0mm,比表面积为60m2/g;可交联型聚酰亚胺沉析纤维的玻璃化转变温度平均在315℃,质量损失5%时的热失重温度平均为550℃。
实施例2
(1)在氮气保护下,向5L的聚合釜中加入1L NMP,67.20g PDA与44.81g BIA,完全溶解后加入112.34g BPDA,室温搅拌反应5h,再加入30.86g PEPA继续搅拌反应3h,得到固含量为21%的两端封端的聚酰胺酸原液。
(2)将步骤(1)得到的聚酰胺酸原液过滤,脱泡,稀释至5wt%,然后将10mL的稀释后的聚酰胺酸溶液采用含1~10000孔,孔内径0.05~1mm的多孔注射器,以5mL/min的注射速度注入至搅拌的100mL的沉析液中,其中沉析液为体积比2:8的水和NMP组成,沉析液温度为20℃,搅拌速度为2000r/min,搅拌时间为1min,得到聚酰胺酸沉析纤维悬浮液,分别用水和乙醇洗涤,过滤,真空干燥,得到蓬松的、表面毛羽丰富的聚酰胺酸沉析纤维。
(3)将步骤(2)得到的聚酰胺酸沉析纤维在300℃下进行热环化交联反应60min,得到可交联型聚酰亚胺沉析纤维。
本实施例得到的聚酰胺酸沉析纤维的平均长度为4.4mm,比表面积为65m2/g;可交联型聚酰亚胺沉析纤维的玻璃化转变温度平均在316℃,质量损失5%时的热失重温度平均为557℃。
实施例3
(1)在氮气保护下,向5L的聚合釜中加入1.5L NMP,67.20g PDA与44.81g BIA,完全溶解后加入112.34g BPDA,室温搅拌反应5h,再加入30.86g PEPA继续搅拌反应3h,得到固含量为15%的两端封端的聚酰胺酸原液。
(2)将步骤(1)得到的聚酰胺酸原液过滤,脱泡,稀释至3wt%,然后将10mL的稀释后的聚酰胺酸溶液采用含1~10000孔,孔内径0.05~1mm的多孔注射器,以5mL/min的注射速度注入至搅拌的100mL的沉析液中,其中沉析液为体积比2:8的水和NMP组成,沉析液温度为20℃,搅拌速度为2000r/min,搅拌时间为1min,得到聚酰胺酸沉析纤维悬浮液,分别用水和乙醇洗涤,过滤,真空干燥,得到蓬松的、表面毛羽丰富的聚酰胺酸沉析纤维。
(3)将步骤(2)得到的聚酰胺酸沉析纤维在300℃下进行热环化交联反应60min,得到可交联型聚酰亚胺沉析纤维。
本实施例得到的聚酰胺酸沉析纤维的平均长度为3.5mm,比表面积为55m2/g;可交联型聚酰亚胺沉析纤维的玻璃化转变温度平均在315℃,质量损失5%时的热失重温度平均为550℃。
实施例4
(1)在氮气保护下,向5L的聚合釜中加入1.5L NMP,67.20g PDA与44.81g BIA,完全溶解后加入112.34g BPDA,室温搅拌反应5h,再加入35.46g PEPA继续搅拌反应3h,得到固含量为15%的两端封端的聚酰胺酸原液。
(2)将步骤(1)得到的聚酰胺酸原液过滤,脱泡,稀释至5wt%,然后将10mL的稀释后的聚酰胺酸溶液采用含1~10000孔,孔内径0.05~1mm的多孔注射器,以5mL/min的注射速度注入至搅拌的100mL的沉析液中,其中沉析液为体积比2:8的水和NMP组成,沉析液温度为20℃,搅拌速度为2000r/min,搅拌时间为1min,得到聚酰胺酸沉析纤维悬浮液,分别用水和乙醇洗涤,过滤,真空干燥,得到蓬松的、表面毛羽丰富的聚酰胺酸沉析纤维。
(3)将步骤(2)得到的聚酰胺酸沉析纤维在300℃下进行热环化交联反应60min,得到可交联型聚酰亚胺沉析纤维。
本实施例得到的聚酰胺酸沉析纤维的平均长度为4.0mm,比表面积为60m2/g;可交联型聚酰亚胺沉析纤维的玻璃化转变温度平均在317℃,质量损失5%时的热失重温度平均为554℃。
实施例5
(1)在氮气保护下,向5L的聚合釜中加入1.5L NMP,67.20g PDA与44.81g BIA,完全溶解后加入112.34g BPDA,室温搅拌反应5h,再加入30.86g PEPA继续搅拌反应3h,得到固含量为15%的两端封端的聚酰胺酸原液。
(2)将步骤(1)得到的聚酰胺酸原液过滤,脱泡,稀释至7wt%,然后将10mL的稀释后的聚酰胺酸溶液采用含1~10000孔,孔内径0.05~1mm的多孔注射器,以5mL/min的注射速度注入至搅拌的100mL的沉析液中,其中沉析液为体积比2:8的水和NMP组成,沉析液温度为20℃,搅拌速度为2000r/min,搅拌时间为1min,得到聚酰胺酸沉析纤维悬浮液,分别用水和乙醇洗涤,过滤,真空干燥,得到蓬松的、表面毛羽丰富的聚酰胺酸沉析纤维。
(3)将步骤(2)得到的聚酰胺酸沉析纤维在300℃下进行热环化交联反应60min,得到可交联型聚酰亚胺沉析纤维。
本实施例得到的聚酰胺酸沉析纤维的平均长度为4.6mm,比表面积为66m2/g;可交联型聚酰亚胺沉析纤维的玻璃化转变温度平均在315℃,质量损失5%时的热失重温度平均为550℃。
Claims (10)
1.一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,包括:
(1)在氮气保护下,将二胺单体加入非质子极性溶剂中,完全溶解后加入二酐单体室温搅拌反应,再加入封端剂继续搅拌反应,得到固含量为10~25%的两端封端的聚酰胺酸原液;其中二胺单体、二酐单体、封端剂的摩尔比为1:0.92~0.96:0.2~0.4;
(2)将步骤(1)得到的聚酰胺酸原液过滤,脱泡,稀释至浓度为1~20wt%,然后按体积比1:9~11注入至搅拌的沉析液中,得到聚酰胺酸沉析纤维悬浮液,经洗涤,过滤,真空干燥,得到聚酰胺酸沉析纤维;
(3)将步骤(2)得到的聚酰胺酸沉析纤维进行热环化交联反应,得到可交联型聚酰亚胺沉析纤维。
2.根据权利要求1所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的二胺单体为对苯二胺PDA和2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑BIA,其中PDA与BIA的摩尔比为2:8~10:0。
3.根据权利要求1所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的二酐单体为3,3,4,4-联苯二酐BPDA;封端剂为苯乙炔苯酐PEPA。
4.根据权利要求1所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中搅拌反应的时间为3~8h;继续搅拌反应的时间为2~6h。
5.根据权利要求1所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中注入至搅拌的沉析液的工艺条件为:采用含1~10000孔,孔内径0.05~1mm的多孔注射器,以1~100mL/min的注射速度进行注入。
6.根据权利要求1所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的沉析液由水、乙醇或甲醇与非质子极性溶剂按体积比为1:9~8:1组成;沉析液的温度为0~30℃;沉析液采用带有剪切装置进行搅拌,搅拌速度为500~3000r/min,搅拌时间为0.5~1.5min。
7.根据权利要求1或6所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述非质子极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮NMP、二甲基甲酰胺DMF或二甲基乙酰胺DMAc。
8.根据权利要求1所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中的聚酰胺酸沉析纤维的平均长度为0.1~15mm,比表面积为40~90m2/g。
9.根据权利要求1所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中热环化交联反应的工艺参数为:反应温度为200~400℃,反应时间为30~120min。
10.根据权利要求1所述的一种可交联型聚酰亚胺沉析纤维的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的可交联型聚酰亚胺沉析纤维的玻璃化转变温度平均为310~320℃,质量损失5%时的热失重温度平均为550~560℃。
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