新型本征抗紫外辐照聚酰亚胺纤维的制备及其性能研究

As one kind of high-performance organic fibers, polyimide fibers are widely applied in high-temperature filter materials, aerospace, and other areas. But they are inevitable exposure to ultraviolet (UV) irradiation and the degradation happens, which cause the decrease of mechanical properties and shorten their usage life greatly. In order to solve this problem, functional diamine monomers with UV absorption in high purity, including hydroxybenzophenone groups, would be designed and synthesized. Then a series of intrinsic-UV-resistant polyimide fibers with good mechanical properties are prepared by introducing functional monomers into polymer chain followed by adopting the dry-jet wet spinning process. The effect of the kind of functional monomers and these contents on polymerization, spinnability and macro-performance of fibers is investigated systematically. The relationship of the chemical structure of functional monomer, spinning technology, condensed structure, and UV-resistant properties of fibers is established. Furthermore, we would explore the influence of the chemical structure of functional groups on macro-performance of fiber (i.e., UV-resistance and mechanical properties). Finally, the intrinsic-UV-resistant polyimide fibers with good spinnability will be obtained, as well as the independent intellectual property, which establishes a technical base to meet the need of applications in many fields.

聚酰亚胺纤维作为高性能有机纤维的一种，广泛应用于高温过滤、航空航天等领域。但纤维材料使用过程中会受到紫外辐照，导致性能下降，从而影响其使用寿命。本项目针对上述问题，拟设计、合成含有紫外吸收基团的功能性高纯度单体，即：含羟基二苯甲酮结构的二胺单体，并将其引入聚酰亚胺分子链，通过干喷湿法纺制一系列具有本征抗紫外辐照功能并且力学性能优异的聚酰亚胺纤维。通过系统研究功能性单体种类、含量对聚合反应、纺丝液可纺性、纤维宏观性能的影响，建立功能性单体化学结构/含量-纺丝工艺-纤维凝聚态结构-抗紫外辐照性能之间的关联，揭示功能性单体对纤维宏观性能（抗紫外辐照、力学性能等）的影响规律，获得具有良好可纺性的本征抗紫外辐照聚酰亚胺纤维，从而形成自主知识产权技术，为满足多方面的应用需求提供技术基础。

聚酰亚胺纤维是高性能有机纤维的重要品种之一，具有高强高模、耐高低温、耐辐照、真空质损低、尺寸稳定性好等优异的性能，广泛应用于航空航天、武器装备、交通运输等高技术领域，是涉及国家安全以及国民经济增长的关键材料。当纤维应用于航空航天领域以及民用等领域时，不可避免的受到紫外光的辐照从而发生老化，导致其力学性能、热性能等发生退化，严重影响材料使用效果，因此设计合成具有耐紫外辐照功能的聚酰亚胺纤维具有重要的实际意义。本项目主要设计合成了两种含有邻羟基二苯甲酮结构的二胺单体，即(2-羟基-4-(4-氨基苯氧基)苯基)(4-氨基苯基)甲酮（UV-1）和(3-氨基-2-羟基-5-甲基苯基)(4-氨基苯基)甲酮（UV-2），通过共聚反应分别将其引入PMDA、ODA聚酰亚胺分子链，并纺制成聚酰亚胺纤维，系统研究了两种单体共聚摩尔比例对聚酰亚胺纤维力学性能、耐热性能以及耐紫外辐照性能的影响。两类共10种聚酰亚胺纤维的力学性能和耐热性能良好；对于含有UV-1和UV-2二胺单体的共聚纤维体系，经紫外辐照2000h后，当单体共聚摩尔比例从0%增加到15%，含有UV-1单体聚酰亚胺纤维的断裂强度保持率从78%提高到95%，含有UV-2单体聚酰亚胺纤维的断裂强度保持率从78%提高到92%；经紫外辐照之后，两类纤维初始模量保持率则无明显变化，约为99%。此外，经过紫外辐照2000h后，各共聚比例的两类聚酰亚胺纤维体系热性能变化不明显，因此，含有功能性二胺单体的两类聚酰亚胺纤维体系均具有良好的本征耐紫外辐照性能。主要原因是，两种单体中的邻羟基二苯甲酮结构吸收紫外光之后，形成了不稳定的烯醇结构，释放出热量之后恢复到了原来的结构，从而延缓了紫外光对纤维的损伤。本项目的实施，实现了对耐紫外辐照聚酰亚胺纤维综合性能的有效调控，为制备性能优异的新型本征耐紫外辐照聚酰亚胺纤维提供了理论以及技术积累。