一種聚[2,5-二羥基-1,4-苯撐吡啶并二咪唑]纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種纖維的制備方法，更具體地說，本發(fā)明涉及一種聚[2，5-二羥基-1，4-苯撐吡啶并二咪唑](PIPD)纖維的制備方法，屬于高性能纖維制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]1998年，荷蘭的阿克蘇.諾貝爾研究所(Akzo Nobel)開發(fā)成功聚[2，5_ 二羥基-1,4-苯撐吡啶并二咪唑](PIPD)纖維，并申請(qǐng)基本專利US5674969。PITO纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能:拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別為5GPa和330GPa，達(dá)到甚至部分超越有著“有機(jī)纖維之王”美譽(yù)的ΡΒ0纖維；壓縮強(qiáng)度接近碳纖維，高達(dá)1.7GPa，為目前有機(jī)纖維之最；優(yōu)異的界面性能使得其剪切模量約為6GPa。另外，PIPD纖維還具有優(yōu)異的耐光老化性能，良好的耐沖擊、耐熱、阻燃和介電等性能。PIH)纖維是一種綜合性能優(yōu)越的高性能纖維。
[0003]PIPD纖維優(yōu)異的綜合性能使其自問世起就受到廣泛關(guān)注。首先，美國具有軍方背景的麥哲倫國際(Magellan Systems Internat1nal)購買了 PIFO的基本專利。隨后，該公司成為杜邦(Ε.1.du Pont de Nemours andCompany)的子公司，并攜手美國陸軍士兵與生化中心(U.S.Army Soldier and B1logical Chemical Command)，憑借杜邦的紡絲優(yōu)勢(shì)和美國陸軍士兵與生化中心的軍事應(yīng)用專長做進(jìn)一步開發(fā)，并申請(qǐng)了一系列專利。
[0004]US 7, 776, 246 名稱為 “Process for the product1n of polyarenazole yarn”的發(fā)明專利公開了一種制備Piro纖維的方法，具體步驟包括:1)擠出；2)集束；3)加熱絲束至約120°C以上，保溫約2min，使絲束中的PPA水解；4)洗滌；5)干燥；6)在約300°C下進(jìn)行熱處理(可選);7)收卷。US 7, 888, 457 名稱為“Process for removing phosphorus froma fiber of yarn”的發(fā)明專利公開了兩種除去PIH)纖維中PPA，降低纖維含磷量的方法。一種是直接將含有PIH)聚合物和PPA的絲條加熱到約120°C以上，保溫一段時(shí)間，使PPA充分水解；之后用100°C左右的液體將水解后的PPA從絲束中洗去。另一種是使絲條通過溫度為100°C，pH值低于4.0的酸性介質(zhì)(主要為一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸的水溶液)，同時(shí)水解和洗去其中的 PPA。US 7,906，615 名稱為“Process for hydrolyzing polyphosphoric acidin a spun yarn”發(fā)明專利對(duì)US 7，888，457專利中水解和除去纖維中的PPA的方法進(jìn)一步細(xì)化。而且，兩個(gè)專利的實(shí)施例中都提到:在61m/min的速度下，用表面溫度為201-220°C的熱輥使絲束中的PPA水解時(shí)，絲束剛性變得很大，纖維之間發(fā)生粘連，在熱輥表面可以觀察到殘留的纖維。US 8, 263, 221 名稱為“High inherent viscosity polymers and fiberstherefrom"的發(fā)明專利對(duì)以上所有專利中提及的PIH)纖維的制備過程和纖維中PPA的水解和除去進(jìn)行了更為詳盡充分的披露。該專利關(guān)于PIH)纖維的制備過程主要集中在纖維中PPA的除去，具體步驟如下:1)用23°C左右質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%磷酸水溶液洗滌，除去纖維中的大部分磷酸；2)使用US 7，888，457中公開的方法使PPA水解；3)用堿液(主要為NaOH水溶液)洗滌中和纖維中的大部分PPA ;4)去離子水洗滌過量的堿液；5)用酸液(主要為醋酸的水溶液)洗滌纖維表面的金屬陽離子；6)去離子水洗滌過量的酸液。所使用的堿液、酸液、去離子水溫度最好高于30°c。經(jīng)過上述一系列的洗滌后，Piro纖維中的含磷量可以降到2000ppm以下。然后，纖維在表面溫度約80-130°C的干燥設(shè)備上初步干燥大約5s-5min，可以在干燥設(shè)備中提供隊(duì)或其他惰性氣體氛圍。再者，纖維通過通有”2的管式爐進(jìn)行熱處理，釋放分子間內(nèi)應(yīng)力提高纖維強(qiáng)度；最后，收卷。US 8，419，989名稱為“Process andapparatus for the product1n of yarn”的發(fā)明專利對(duì)PIH)纖維采用的傳統(tǒng)的液晶紡絲方法進(jìn)行了改進(jìn)。在空氣隙和牽伸裝置之間增加了以下裝置:一個(gè)下有絲束通過甬道的凝固浴槽，以及位于凝固浴槽下方的兩個(gè)平行的有機(jī)玻璃板形成的狹縫。噴絲孔擠出的Piro絲條經(jīng)空氣隙的拉伸后，立即在凝固浴槽中凝固去除大部分的ppa，經(jīng)過下方的甬道出凝固浴，在通過下方的狹縫時(shí)，利用狹縫對(duì)絲束的摩擦產(chǎn)生向上的拉力，克服絲條自身和帶有的凝固劑受重力作用對(duì)絲條產(chǎn)生的拉伸影響。
[0005]采用干噴濕紡工藝(即所謂的液晶紡絲法)制備Piro纖維過程中，伴隨著一系列不同種類和層級(jí)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變:在Piro/PPA的液晶溶液中，Piro呈向列相；之后流經(jīng)噴絲組件，經(jīng)拉伸取向結(jié)晶，形成溶劑-晶體化合物；在洗滌過程中，纖維中的ppa被水分子萃取替代，含量逐漸減少，溶劑-晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樗?晶體化合物；最終在干燥和熱處理過程中纖維中的水分完全脫除，水-晶體轉(zhuǎn)變?yōu)闊o水的Piro晶體。Piro/PPA的液晶溶液中，ppa對(duì)piro較強(qiáng)的質(zhì)子化作用克服了 Piro分子之間較強(qiáng)的氫鍵作用，使piro具有良好的溶解性。正因此，在紡絲過程中的拉伸取向結(jié)晶才能順利進(jìn)行。洗滌過程是用水分子萃取替代ppa，將拉伸取向形成的溶劑-晶體化合物轉(zhuǎn)變?yōu)樗?晶體化合物。但是，水分子與Piro之間的作用力明顯弱于Piro與ppa之間的作用力，導(dǎo)致絲條中的ppa分子難以除去。以上專利多采用通過加速PPA水解的方式，來輔助除去絲條中的PPA分子。另外，通過干燥和熱處理是將纖維中的水分子逐漸脫除，水-晶體化合物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o水的Piro晶體的過程。因此，絲束的拉伸、絲束中PPA的除去和濕纖維的干燥與熱處理是纖維結(jié)構(gòu)形成與轉(zhuǎn)變過程，整個(gè)紡絲過程中較為關(guān)鍵的三個(gè)步驟。
[0006]以上關(guān)于制備Piro纖維的專利主要是集中在piro纖維中ppa的除去，但是，未提及的是纖維中的PPA洗去過程較為緩慢，含有一定量PPA的絲條強(qiáng)度較低，非常脆弱，不耐摩擦。
[0007]US 8，419，989中增加的凝固浴槽和有機(jī)玻璃板狹縫，目的在于通過凝固浴來快速凝固絲條，同時(shí)利用狹縫產(chǎn)生的摩擦力克服重力對(duì)絲條產(chǎn)生的拉伸影響。但是，較大的摩擦力會(huì)對(duì)纖維造成損傷，甚至導(dǎo)致纖維斷裂。以上提及的控制纖維拉伸比的方法存在較多不便。
[0008]再者，以上專利提及的去除纖維中PPA的方法未考慮到的是:在高達(dá)120°C的溫度下，PPA水解會(huì)對(duì)纖維性能產(chǎn)生不利影響。PIH)的聚合是以PPA和P205體系為溶劑的，水解過程本身就會(huì)放出大量的熱。通過高溫加熱促進(jìn)PPA水解，勢(shì)必會(huì)在纖維內(nèi)部造成局部過熱點(diǎn)，致使纖維發(fā)生粘連，導(dǎo)致纖維發(fā)生部分酸降解，對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)與性能產(chǎn)生不利影響。對(duì)初生纖維的干燥和熱處理過程，以上專利也未有充分的披露。
[0009]另外，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公開了以下幾件關(guān)于Piro纖維的專利申請(qǐng)文件:CN104862826A (一種 ΡΙΗ)/ΡΒ0 混紡纖維的制備方法)、CN103224625A (聚(2，5- 二羥基-1，4-苯撐吡啶并二咪唑)的制備方法)、CN103601886A (—種聚[2，5- 二羥基-1，4-苯撐吡啶并二咪唑]聚合物的制備方法)、CN101418073 (聚(2，5-二羥基-1，4-苯撐吡啶并二咪唑)的制備方法)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中Piro纖維制備方法中初生絲條拉伸比控制不穩(wěn)定，PPA不能快速有效除去以及纖維的結(jié)構(gòu)和性能受到影響的問題，提供一種聚[2，5-二羥基-1，4-苯撐吡啶并二咪唑]纖維的制備方法，該方法能夠穩(wěn)定控制初生絲條拉伸比；同時(shí)，能夠較快有效除去初生絲條中的大部分PPA;之后，能夠?qū)iro初生纖維中的水分緩慢除去，得到結(jié)構(gòu)良好、高性能的Piro纖維。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，其具體的技術(shù)方案如下:
一種聚[2，5-二羥基-1，4-苯撐吡啶并二咪唑]纖維的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:將Piro/PPA液晶溶液通過空氣隙拉伸、驟冷室冷卻、磷酸水溶液凝固、洗滌、多級(jí)逐步干燥、熱處理和收卷過程，得到聚[2，5- 二羥基-1，4-苯撐吡啶并二咪唑]纖維。
[0012]上述基本技術(shù)方案中，Piro/PPA液晶溶液的制備方法已在【背景技術(shù)】中的文件中公開，這里不再贅述。
[0013]在上述基本技術(shù)方案中，多個(gè)特定的工藝步驟設(shè)置，具體方法和參數(shù)采用本領(lǐng)域常規(guī)設(shè)計(jì)就能夠解決本發(fā)明所要