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[交流] 书籍推荐丨《高性能聚酰亚胺纤维及应用》北京化工大学武德珍齐胜利著

年初时，小编有幸获得了武德珍老师签名的新书：《高性能聚酰亚胺纤维及应用》，阅读之后，获益匪浅，故分享给大家!

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内容简介
本书从制备、表征、结构和形貌、性能、应用的角度对聚酰亚胺纤维进行了总结梳理，以飨读者。本书将对从事聚酰亚胺材料和高性能纤维的研究人员、工程人员和研究生具有一定的参考价值,对从事高性能纤维应用的企业和研究人员提供新的纤维选择及解决方案。

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关于聚酰亚胺纤维

作为一类综合性能突出的高性能芳杂环聚合物,聚酰亚胺纤维一直以来都是高性能有机纤维领域关注的焦点，被认为是21世纪最有发展前景的高性能纤维品种，在航空航天、机械化工、原子能工业和国防军工等重要领域有广泛的应用前景，是重点发展的战略性新材料之一。

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高性能聚酰亚胺纤维产品，图片来源：江苏先诺

近年来，我国聚酰亚胺纤维无论在基础理论研究、工程化研究还是产业化及应用研究方面都取得了突破性的进展，特别是在高性能聚酰亚胺纤维研究方面。北京化工大学武德珍教授所在研究团队于2013年建成国际上首条30t规模高强高模聚酰亚胺纤维的生产线，2016年实现批量生产被鉴定为国际领先水平，2017年又成功建成百吨级生产线，技术水平和产品性能均实现了国际领跑。特别是近几年，在聚酰亚胺纤维分子设计、微结构调控、高性能化、产业化制备及应用方面积累了大量的文献数据，实现了产品系列化。

聚酰亚胺纤维的性能

聚酰亚胺纤维的结构变化多端，性能差异也很大，其耐热、力学、介电、阻燃等性能都可在一定范围内调控。

01

力学性能
由于聚酰亚胺纤维可选择的单体有多种，结构设计性强，所以其力学性能是一个范围。理论上由PDA和PMDA合成的聚酰亚胺纤维，其模量可以达到500GPa，超过碳纤维T300的模量，但由于分子链刚性太大，很难纺丝，实际制备的纤维性能不高。目前文献报道的聚酰亚胺纤维，实验室最高拉伸强度可达到5.8GPa，初始模量可达到280GPa，但市场上并没有相应的产品。近年来，北京化工大学与江苏先诺新材料科技有限公司(以下简称江苏先诺)联合攻关，不仅实现了高强高模，而且通过化学结构调控实现了产品系列化。目前江苏先诺生产的Shinofil高强高模聚酰亚胺纤维，其拉伸强度达4.0GPa，初始模量达160GPa。

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江苏先诺聚酰亚胺纤维产品

02

耐高低温性能
一般来说，聚酰亚胺纤维的Td5（聚酰亚胺热分解5%时的温度）在500℃以上。化学结构上的差异也可造成纤维耐热性能的不同，其中BPDA/PDA体系聚酰亚胺纤维的Td5可达600℃，是迄今高分子聚合物中热稳定性最高的品种之一。另外,聚酰亚胺纤维在-269℃的液氦中仍不会脆裂，具备极好的耐低温性能，可应用于低温环境。

03

耐辐照性能
聚酰亚胺纤维的耐辐照性能优异，在80~100℃的紫外光下照射24h后其强度保持率在90%以上。经过1x1010rad快电子照射后，聚酰亚胺纤维强度保持率为90%，其在耐辐照性能方面的表现是其他有机纤维无法比拟的。因此，聚酰亚胺材料作为放射性物质及高温介质的过滤材料，也是航空航天领域的首选材料之一。

04

介电性能
普通的芳香链聚酰亚胺纤维的介电常数一般在3.4左右，而含氟体系聚酰亚胺纤维的介电常数可降到25左右介电损耗为10-3数量级，介电强度为100~300kV/mm，体积电阻率为1017Ω·cm。而且，从低温到高温和从低频到高频的宽广范围内，聚酰亚胺纤维的介电性能仍能保持较高的水平，使其在高端电子和透波领域有很好的应用前景。

05

耐水解性能

联苯型聚酰亚胺纤维在85℃下浓度为40%的硫酸中浸泡250 h,可以保持93%的强度;在100℃的水蒸气中放置 24 h可以保持60%的强度。但聚酰亚胺纤维在强碱性环境中性能下降明显。

06

其他性能
由于结构的特殊性，聚酰亚胺纤维为阻燃自熄材料，根据其化学结构差异极限氧指数为38%~50%，发烟率低，甚至无烟。聚酰亚胺纤维的热膨胀系数小。为10-7~10-5℃-1数量级，与金属处于同一数量级水平。聚酰亚胺纤维对有机溶剂较为稳定，具有较低的吸水率，根据化学结构不同，吸水率为0.5%~1.5%。另外、聚酰亚胺纤维具有良好的生物相容、绝热和耐烧蚀等优异性能。

聚酰亚胺纤维的产品开发和应用

与其他纤维相比，聚酰亚胺纤维的产业化和产品开发一直落后于研究工作。聚酰亚胺纤维的工业化和商品化信息十分有限，尤其是高强高模聚酰亚胺纤维，更是属于新产品，人们对其认识还比较有限，应用领域尚在开拓中。目前，商品化的聚酰亚胺纤维汇总如下：

1. 耐热型聚酰亚胺纤维产品

2010年以来，随着合成工艺的改进和纺丝技术的发展，我国聚酰亚胺纤维的工业化取得了显著的成果。其中，中国科学院长春应用化学研究所和长春高琦聚酰亚胺材料有限公司合作采用湿法纺丝技术，开发出了一种名为“轶纶”的耐热型聚酰亚胺纤维，并建立了年产千吨级的生产线。东华大学和江苏奥神新材料股份有限公司进行合作，采用干法纺丝工艺建成年产1000 t 耐热型聚酰亚胺纤维规模化干法“ASPI-TM”的耐热型聚酰亚胺纤维，现扩产到2000 t 规模。国内长春高琦和江苏奥神的产品耐热性均高于国外产品50℃左右，同时还有成本优势，在很大程度上实现了对国外产品P84的替代。其长纤维和短切纤维制品可用于高温除尘过滤、防护面料、工业阻燃隔热等领域。

2. 高强高模聚酰亚胺纤维产品

在高强高模聚酰亚胺纤维方面，多家科研机构都进行了不同程度的研究。资料显示，俄罗斯某机构以聚酰胺酸溶液采用湿法纺丝工艺生产聚酰亚胺纤维长丝，主要用在航空航天所使用的轻质电缆屏蔽护套、耐高温特种编织电缆等，起减重作用，大大提高了其战斗能力。但由于该技术敏感，俄罗斯对外一直实行消息封锁，并限制这种聚酰亚胺纤维及相关产品出口，所以产品性能不是十分清楚。近来有报道称，日本IST公司正在开展高强高模聚酰亚胺纤维的研究，实验室制备的纤维拉伸强度达到3.0GPa。

我国在高强高模聚酰亚胺纤维的制备技术方面属于领跑状态。北京化工大学和江苏先诺合作，开发出具有自主知识产权的高性能聚酰亚胺纤维一体化连续制备技术，成功制备出具有高强高模特性的聚酰亚胺纤维，建成国内外首条年产30和100t规模高强高模聚酰亚胺纤维一体化连续制备生产线，开发出系列纤维产品，产品强度可达3.6GPa以上，模量大于150GPa，无论技术工艺还是产品性能均处于世界领先水平，填补了国内外市场空白。产出推出后，进行了3~4年的应用推广和市场培育，用户对高强高模聚酰亚胺纤维产品的认识越来越清晰。

根据高强高模聚酰亚胺纤维的性能特点，主要应用在以下方面:在结构材料方面，利用其高强高模高韧等特点，能够弥补碳纤维韧性的不足，加之与树脂良好的界面相容性，可用于增强树脂基体，制备高强高韧复合材料，也可以与碳纤维混合使用，获得兼具碳纤维和聚酰亚胺纤维特点的复合材料;利用其低介电、低吸水率等特点，在一些领域替代石英玻璃纤维，加之其高模量和低密度的特性，制备轻质高强高模透波复合材料，实现结构功能一体化，在航空航天和电子等领域发挥作用;利用其高强、耐辐照等特性，用于空间绳索、光缆保护、核工业线缆等领域;利用其高强耐高温等特点，用于铝材、玻璃等高温制造行业。经过三年多的努力，用户应用评价结果表明，高强高模聚酰亚胺纤维的使用可以显著提升航天器、武器等装备水平，可实现一代材料、一代装备。

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高性能聚酰亚胺绳索及聚酰亚胺纱线

聚酰亚胺纤维行业发展趋势

由于聚酰亚胺纤维突出的综合性能，特别是高强高模聚酰亚胺纤维的推出，在越来越多的领域发挥重要的作用。近二十年来，具有我国自主知识产权的聚酰亚胺纤维生产工艺技术逐渐提高，规模逐渐放大，产品品种逐渐增多，性能也在不断改善，聚酰亚胺纤维的发展十分迅速。过去高性能聚酰亚胺纤维的应用仅仅局限在耐高温过滤装置和阻燃防护等领域，近几年高强高模聚酰亚胺纤维产品逐渐得到各应用领域的认可，并发挥出独特的作用，对于我国发展高端制造、航空航天、国防军工等高科技领域具有重要战略意义。

高性能纤维属于技术密集型产业，制备技术和市场推广都需要长期的积累和沉淀。与其他高性能纤维相比，聚酰亚胺纤维的研究、产业化和市场化时间还较短，技术水平和产品性能还有上升的空间，应用技术研究尚不完善，市场推广还很不够。后续还要加大研发投入，利用聚酰亚胺纤维结构可调控性强的特点，通过结构设计和工艺优化开发更高性能或差异化性能的纤维，如更高的力学性能、更优的耐热性、更高的阻燃性和更低的介电性能等，满足不同领域需求;同时加大应用技术开发。针对聚酰亚胺纤维的特点，开发下游产品的制备技术，使其性能得到更好发挥;加大产品市场推广应用，通过典型应用案例实现以点带面，使其在更多领域发挥作用。在进行技术提升和应用推广的同时，加快规模化和低成本化制备，让更多的领域能够用得上和用得起。

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