聚酰亚胺纤维制备中的结构调控与性能相关性

As one type of high-performance fibers, polyimide fibers possess many excellent properties, such as high strength, high modulus, and good resistance to high temperatures and irradiation, resulting in the potential application in the areas of national economy and defense. However, high performance polyimide fibers have not been industrized. This project focuses on the investigation of macromolecular structures and aggregation, cyclization dynamics from polyamic acid to polyimides, formation of microfibrils, crystal, orientation and defects in the preparation of polyimide fibers. In addition, in order to effectively control the morphology, structure and property of fibers, this approval aims to establish the relationship between molecular of polyimide and corresponding properties, to propose a way to investigate mutual conversion of sol-gel structures in fiber formation, and to reveal the evolving regulars in the formation mechanism of aggregation structure and micro-defect of rigid chains with the existence of external field. The potential results can provide theory basis and technical support for the preparation of high performance polyimide fibers, and thus promote the industrialization of polyimide fiber in China, along with our independent intellectual property in the field.

聚酰亚胺纤维作为一类高技术纤维，具有高强高模、耐高温、耐辐射等优异的性能，在国民经济和国防建设等方面有望得到广泛应用，但目前高性能聚酰亚胺纤维尚未工程化。本课题针对聚酰亚胺高性能纤维制备中，聚合物的分子结构、刚性链的凝聚态结构、前驱体转化为聚酰亚胺过程中的环化反应动力学、以及微纤、结晶、取向和缺陷等结构的形成和演变规律等基础问题进行深入系统的研究。探讨聚合物的分子结构与纤维性能的相互关系，建立纤维形成过程中溶胶－凝胶结构的变化过程、微缺陷的调控方法、以及环化动力学，揭示外场作用下刚性分子链凝聚态结构形成机制和微缺陷的演变规律，从而实现纤维的形态、结构和性能的有效调控。通过这些基础问题的研究，为制备聚酰亚胺高性能纤维提供理论依据和技术支撑，形成在聚酰亚胺纤维领域的自主知识产权，推动我国聚酰亚胺纤维的产业化进程。

本项目针对聚酰亚胺高性能纤维制备中聚合物的分子结构、刚性链的凝聚态结构、前驱体转化为聚酰亚胺过程中的环化反应以及微纤、结晶、取向和微孔缺陷等结构的形成和演变规律等基础问题进行了深入系统的研究。探讨了聚合物的分子结构与可纺性、流变行为的相互关系，揭示了聚酰亚胺分子链在溶剂中聚集诱导取向机制；探究了聚酰亚胺纤维成形过程中溶胶-凝胶转变过程和纤维形态结构的调控规律，并首次建立聚酰亚胺纤维干法成形纺丝动力学模型；详细分析了前驱体聚酰胺酸的环化动力学和环化反应机理，揭示了复杂外场中聚酰亚胺刚性链凝聚态结构形成机制和微缺陷的演变规律，从而达到对纤维的形态、结构和性能的有效控制。上述基础问题的研究，为制备聚酰亚胺高性能纤维提供理论了依据和技术支撑，聚酰亚胺纤维的力学强度和模量分别高于3.5 GPa和150 GPa，玻璃化转变温度超过400 °C，起始热分解温度超过550 °C，综合性能优于杜邦公司Kevlar49纤维。在相关研究成果的支持下建成了国际上首条千吨级干法纺聚酰亚胺纤维生产线，有力地推动了我国聚酰亚胺纤维的工程化进程，聚酰亚胺纤维相关产品已在高温过滤、特种防护、航空航天及复合材料等领域得到广泛应用。相关研究成果“干法纺聚酰亚胺纤维制备关键技术及产业化”获2016年国家科技进步二等奖。在该项目资助下，已培养毕业硕士研究生11人，博士生研究10人；发表学术论文42篇，其中SCI收录论文29篇；申请国家发明专利15项，其中已授权8项。