我國(guó)高強(qiáng)高模PI纖維制備技術(shù)正領(lǐng)跑全球，后續(xù)研究關(guān)注三方面！

作為高分子材料中的佼佼者，聚酰亞胺（PI）享有“解決問(wèn)題能手”、“21世紀(jì)最有希望的高分子材料”等美譽(yù)。繼薄膜、工程塑料、樹(shù)脂等之后，PI纖維也于20世紀(jì)80年代末將產(chǎn)品推向市場(chǎng)并得到廣泛應(yīng)用，但力學(xué)性能不高，多利用其耐高溫及阻燃性能來(lái)制備高溫濾袋、阻燃消防服等。由于其結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、單體來(lái)源廣、性能的調(diào)控空間比較大，同時(shí)具有高剛性結(jié)構(gòu)，也預(yù)示其可能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)高模。所以，針對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)控與力學(xué)性能提升方面國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者做了大量工作，但一直沒(méi)有高強(qiáng)高模PI纖維產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)突破和產(chǎn)品推向市場(chǎng)。直到近五年，江蘇先諾新材料科技有限公司的產(chǎn)品逐漸被用戶所接受，2021年2月1日，其牽頭起草的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39027—2020《高強(qiáng)高模PI長(zhǎng)絲》正式實(shí)施，標(biāo)志著高強(qiáng)高模型PI纖維區(qū)別于耐熱型PI纖維，擁有了獨(dú)立的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

高強(qiáng)高模PI纖維是一種新型高性能有機(jī)纖維，具有突出的力學(xué)性能、耐高低溫、耐老化和低吸濕、低介電、高絕緣等性能特點(diǎn)，是綜合性能最全面、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮母咝阅苡袡C(jī)纖維，可在航空航天、國(guó)防軍工、交通、電力電子等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，是典型的軍民兩用的關(guān)鍵材料之一。但由于產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化時(shí)間較短，目前仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，其開(kāi)發(fā)仍圍繞著纖維性能提升、規(guī)模化制備和成本降低、應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)開(kāi)拓等展開(kāi)。近幾年的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用新進(jìn)展值得關(guān)注。

研究進(jìn)展

高強(qiáng)高模PI纖維不僅具有高性能有機(jī)纖維高強(qiáng)高模的特性，還繼承了PI材料優(yōu)異的耐高低溫、耐輻照、低介電、阻燃等性能。其長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)300℃，5%熱分解溫度在530℃以上，在-269℃的液氦中仍不會(huì)脆斷。其介電常數(shù)在3.4~3.6左右，且具有寬頻透波性能；極限氧指數(shù)為38%~50%，屬于阻燃自熄材料。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在制備方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面做了大量工作。在制備方面，形成了一步法和兩步法。一步法是以可溶性PI溶液為紡絲液，經(jīng)過(guò)噴絲、凝固、水洗、牽伸等過(guò)程制備出PI纖維。這種方法的紡絲過(guò)程容易控制，通過(guò)結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化，制備的高強(qiáng)高模纖維拉伸強(qiáng)度和模量分別達(dá)到3.0GPa和130GPa。但多數(shù)PI溶解性差，獲得可溶性PI需要特殊的單體和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這給規(guī)?；苽鋷?lái)困難。所以，一步法目前僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究。兩步法是以PI的前驅(qū)體-聚酰胺酸溶液為紡絲液，在紡絲過(guò)程中需要增加一步高溫環(huán)化，增加了紡絲過(guò)程的復(fù)雜性，從而影響纖維的性能和穩(wěn)定性，但單體來(lái)源廣，有利于纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本控制，所以，多數(shù)國(guó)內(nèi)研究者都是用此方法，力學(xué)性能也不斷提升。北京化工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用分子模擬技術(shù)，通過(guò)在原子、分子鏈甚至高分子凝聚態(tài)等多個(gè)維度對(duì)PI的性能進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，指導(dǎo)高強(qiáng)高模PI纖維分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)共聚、工藝優(yōu)化等大量實(shí)驗(yàn)工作，實(shí)驗(yàn)室制備的纖維強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)高于一步法制備的PI纖維。

產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

雖然國(guó)內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了高強(qiáng)高模PI纖維的研究，但產(chǎn)業(yè)化信息比較少，更沒(méi)有典型成功應(yīng)用案例。俄羅斯和美國(guó)開(kāi)展的研究比較早，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工程化和產(chǎn)業(yè)化。據(jù)報(bào)道，日本IST公司開(kāi)展了高強(qiáng)高模PI纖維的研究，實(shí)驗(yàn)室制備的纖維拉伸強(qiáng)度達(dá)到3.0GPa，目前正在進(jìn)行工程化。

我國(guó)在高強(qiáng)高模PI纖維的制備技術(shù)方面處于領(lǐng)跑狀態(tài)，北京化工大學(xué)和江蘇先諾新材料科技有限公司合作十年，主攻高強(qiáng)高模PI纖維的研究和制備，開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一體化連續(xù)制備技術(shù)，順序突破工程化和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，自主設(shè)計(jì)并建成了國(guó)內(nèi)外首條十噸和百噸規(guī)模的高強(qiáng)高模PI纖維一體化連續(xù)制備生產(chǎn)線，開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)和高模兩個(gè)系列產(chǎn)品。其中高強(qiáng)產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度可達(dá)4.0GPa以上、模量在120GPa左右，高模產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和模量可分別達(dá)到3.5GPa和160GPa以上，并根據(jù)用戶要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制化。2016年和2022年通過(guò)科技成果鑒定，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

應(yīng)用新進(jìn)展

高強(qiáng)高模PI纖維作為一種新型高性能有機(jī)纖維，早期沒(méi)有典型應(yīng)用案例和應(yīng)用研究數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)等可供參考和支撐。近年來(lái)，隨著市場(chǎng)的培育和挖掘，以及應(yīng)用研究和應(yīng)用驗(yàn)證的推進(jìn)，高強(qiáng)高模PI纖維的應(yīng)用場(chǎng)景更加明確，纖維的性能也得到了用戶的認(rèn)可，在航空、航天、防彈、電子和高端制造等領(lǐng)域正在逐步發(fā)揮作用。

在航空結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，高強(qiáng)高模PI纖維由于質(zhì)量輕、高強(qiáng)高模、耐沖擊、耐磨損等優(yōu)勢(shì)，可用于制作大型飛機(jī)的二次結(jié)構(gòu)材料，如機(jī)艙門(mén)、窗、機(jī)翼、整流罩體表面等，也可以制作機(jī)內(nèi)天花板、艙壁等。采用高強(qiáng)高模PI纖維與碳纖維混編制備的復(fù)合材料用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)包容機(jī)匣，可顯著改善風(fēng)扇機(jī)匣的輕量化和包容能力。在航天領(lǐng)域，利用高強(qiáng)高模PI纖維優(yōu)異的抗蠕變、耐輻照和熱穩(wěn)定性，其編織繩索可用于空間系繩、桁架式網(wǎng)狀可展開(kāi)天線等，編織物可用于太陽(yáng)翼，天線、太陽(yáng)電池陣等柔性或半剛性輕量化結(jié)構(gòu)中，滿足寬溫域、長(zhǎng)輻射環(huán)境的服役能力需求。對(duì)于一些承受極端高低溫的應(yīng)用環(huán)境，如太空、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等，高強(qiáng)高模PI纖維還可作為耐溫光纜的增強(qiáng)層使用，對(duì)纜芯形成結(jié)構(gòu)支撐，確保光纜受力時(shí)均勻可靠。高強(qiáng)高模PI纖維具有很強(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng)，即隨著應(yīng)變速率的提高，其斷裂強(qiáng)度明顯提高。同時(shí)，其高強(qiáng)、高韌和適中的模量可以滿足高防彈效能的要求，且兼具耐高低溫和耐環(huán)境老化的優(yōu)勢(shì)，因此在防彈頭盔、防彈衣、防彈裝甲等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。高強(qiáng)高模PI纖維具有低介電的特點(diǎn)，與石英玻璃纖維相比，具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和更低的密度，可制備結(jié)構(gòu)透波復(fù)合材料，用于艦船、飛機(jī)的雷達(dá)天線罩，在實(shí)現(xiàn)有效減重的同時(shí)顯著提高雷達(dá)罩的綜合性能。采用高強(qiáng)高模PI纖維與環(huán)氧樹(shù)脂制備的復(fù)合材料，與玻纖復(fù)合材料相比可減重20%以上，且具有優(yōu)異的寬頻透波性能，平均透波率可達(dá)95%以上。利用高強(qiáng)高模PI纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊韌性高的特點(diǎn)，制成的復(fù)合材料氣瓶能夠減少?gòu)?fù)合材料裂紋擴(kuò)展所帶來(lái)的性能損失，彌補(bǔ)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料韌性不足的缺陷，有望在儲(chǔ)氧氣瓶、航空航天壓力容器、燃料電池儲(chǔ)氫氣瓶等裝備中獲得重要應(yīng)用。

未來(lái)展望

近年來(lái)，我國(guó)高強(qiáng)高模PI纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)、生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品性能得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，產(chǎn)品逐漸得到了各應(yīng)用領(lǐng)域的認(rèn)可，性能優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，但離大規(guī)模應(yīng)用仍有一定的差距。因此，后續(xù)研究應(yīng)從以下三方面展開(kāi)：