Kevlar纤维的凯芙拉纤维合成与成型
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发布时间：2022-05-01 08:19
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时间：2022-06-26 16:34
a.界面缩聚法
界面缩聚法于1959年由美国杜邦公司发表,方法是将二羧酸酰氯溶解在与水不相混合的有机溶剂中,如苯、四氯化碳等,再将二元胺溶于水中 (水中加少量 Na2CO3或NaOH ,以吸收反应生成的盐酸 ),然后将上述 2种溶液混合 ,再加入的瞬间,就在2种液体界面上发生缩聚反应生成聚合体薄膜,由于反应在界面上进行 ,所以称为界面缩聚。
Morgan在研究中指出,移去界面附近形成的高聚物薄膜,界面处继续不断产生新的薄膜。为获得产量高、易于分离、水洗和干燥的粉状或颗粒状的聚合物,还是要搅拌。通常将有机溶剂配制的酰氯液体加入搅拌的二胺水溶液中,反应在室温下开始,因反应放热,温度可升至50～60 ℃,生成的高聚物可经过分离而得。在这种合成方法里,选择合适的有机溶剂、反应物的浓度比都是比较重要的因素。
b.直接低温法制备
在三苯基膦- 多卤代烷- 吡啶存在下二元酸可直接与二元胺或醇在室温下缩聚成聚合物。原料的加料顺序为:先将对苯二甲酸与三苯基膦六氯乙烷以及吡啶混合,而后加对苯二胺。反应示例如下:取0.356 g (0.002 mol) 对苯二甲酸和1.26 g(0.0048 mol) 三苯基膦溶液于5 mL 吡啶中。另取0.234 g (0.002 mol) 对苯二胺和1.42 g (0.006 mol)C2Cl6 溶于5 mL 吡啶。将上述两溶液混合,反应立即放热并立即产生*沉淀。30 min 后加入100mL 丙酮洗去副产物,过滤得到聚合物。聚合物以水洗3 次,再加少量丙酮洗2 次,产物减压干燥。
c.低温溶液缩聚法
低温溶液缩聚法是目前工艺最成熟的合成芳纶纤维的方法。目前已工业化的Kevlar, Technoral 品牌纤维的合成均采用此种方法。在装有不锈钢搅拌器并通有干燥N2 的玻璃聚合反应器中, 加入含一定量无水LiCl 和吡啶的NMP 溶液,在室温下加入粉末状对苯二胺,待其溶解后,用冰水浴将溶液降到一定温度,然后加入化学计量的粉末状对苯二甲酰氯,同时加快搅拌速度,随着反应进行,溶液粘度增大,液面突起,数分钟后,发生爬杆现象并出现凝胶化,继续搅拌数分钟,粉碎*凝胶团,然后将产物静置6 h 以上。将所得的聚合体加少量水,粉碎过滤,再用冷水及热水洗涤多次,以除去残留的溶剂、LiCl 、HCl 及吡啶,至洗液显中性,再将聚合物于100 ℃下干燥5 h 以上,得干燥聚合体。然后将聚合体于冷浓硫酸中混合,再加热至75 ℃,成为向列型液晶溶液,再进行纺丝。
d.酯交换反应
帝人公司进行了直接的酯交换反应。在二芳砜(如二苯砜) 和具有2个苯环或萘环的醚或碳氢化物存在下,芳香族二芳酸二芳酯(如对苯二甲酸二苯酯) 和芳香族二胺(如对苯二胺,间苯二胺) 进行加热缩聚反应。反应温度高于150 ℃,最好为180～400 ℃,反应时间是2～30 h ,为了加速反应,可以加入聚酯交换反应及缩聚反应用的催化剂。反应初期在常压下进行,生成的芳香族羟基化合物不需排出。反应后期应将副产物及部分溶剂蒸出。
e.气相聚合法
将芳香族二胺和芳香族二酰氯汽化,并在惰性气体和气态叔胺类化合物(如三乙胺或吡啶) 存在下进行混合,然后在管式反应器或担体式反应器中进行气相缩聚反应,单体浓度为2～50 mol % ,反应温度150～350 ℃,反应时间0.101 s。此法制得的芳香族聚酰胺,可以经过干法湿法或干- 湿法纺制成纤维。 a.两步法工艺
杜邦公司的Kevlar品牌纤维用的就是两步法工艺,其步骤如下: (1) 溶解。将合成好的聚合物与冷冻浓硫酸混合,固含量约为1914 %; (2) 熔融。将混合好的纺丝液加热到85 ℃的纺丝温度,此时形成液晶溶液; (3) 挤出。纺丝液经过滤后用齿轮泵从喷丝口挤出; (4) 拉伸。挤出液在一个被称为气隙的约为8 mm 的空气层,在气隙中进行约为6 倍的拉伸; (5) 凝固。液态丝条在温度为5～20 ℃,含5 %～20 %硫酸的凝固浴中凝固成形; (6) 水洗/ 中和/ 干燥。丝条从凝固浴出来后水洗,在160～210℃加热干燥; (6) 卷绕。最后,干的Kevlar (R) 纤维在卷筒上卷绕。这个工艺的纺速大于200 m·min - 1 。
b .一步法制备工艺
两步法芳纶纺丝过程复杂,生产成本较高。由于硫酸有腐蚀性,对设备的要求很高,且残存的浓硫酸会使纤维在纺丝过程中导致聚合物的降解,这就*了纤维的强度和模量。为缩短流程,简化工艺,人们探索出由聚合物原液直接纺丝制纤维的新工艺。
褚凤奎等人的直接成纤工艺把缩聚后的聚合溶液不经纺丝,直接处理得到短纤维。该法中聚合物溶液由NMP、LiCl 、吡啶和PPTA 构成,其中聚合物的浓度必须要能行成液晶态,以保证后续沉析过程的顺利进行。该工艺受搅拌速度的影响很大,一般搅拌速度增加会造成短纤维长径比增加。其简化工艺流程如下：
低温溶液缩聚---沉析成纤--水洗---烘干---短纤维
由该法获得的短纤维长度为1～50 mm ,直径为2～100μm ,具有针状末端。
