聚酰亚胺纤维的性质与结构分析

长久以来，结构与性能关系一直都是材料科学领域的重要研究内容，建立材料结构与性能的关系，对于优化加工工艺，提升材料性能具有重要意义。纤维不同于其他高聚物材料的特性，是由其几何尺寸小（细度可达几微米至几十微米）以及结构和性能存在显著的各向异性所决定的，后者与成纤高聚物大分子的链状或层状结构、单轴取向和高度有序结构有关。纤维本身在化学组成和结构上的多样性以及纺丝工艺的多变性，大大增加了纤维结构的复杂程度。对于纤维结构的认识，既可以小到微观分子组成，也可以大到纤维本身的宏观形貌结构，可以是纤维内部的组成与结构，也可以是纤维表层或表面结构与组成等。

聚酰亚胺纤维作为高性能聚合物纤维的重要品种之一，具备优异的力学性能，突出的耐高温稳定性、耐射线辐照性、耐溶剂腐蚀性，以及极佳的尺寸稳定性。相对于芳香族聚酰胺纤维而言，聚酰亚胺纤维的耐高温等级（可在500～600℃保持良好的力学性能）和耐紫外辐照稳定性更高。这些优异的综合性能依赖于聚酰亚胺分子链的化学组成、纤维的形态和凝聚态结构。对于聚合物纤维来说，其结构本身具有多层次性和多样性，决定其最终性能的结构因素主要包括三个方面，首先是聚合物本身的化学结构，也称为近程结构，包括链节的化学组成、键结方式、空间立构、键接序列以及支化和交联等。聚酰亚胺化学结构丰富，可根据实际的加工和应用需求，选择不同的单体合成结构各异的聚酰亚胺，这种化学结构的可设计性和可调性也是聚酰亚胺纤维的重要特征之一。其次，特殊的聚合物分子链间（或分子链内）会形成氢键、范德瓦耳斯力等弱键作用，从而影响分子链的排列和纤维的最终性能［1］。以芳香族聚酰胺（PPTA）纤维为例［2］，PPTA 分子链为棒状伸直链构象，分子链内相邻共轭基团间的共价键作用，使酰氨基和对苯二甲基能在一个平面内稳定共存，而PPTA 分子链间则是通过中等强度的氢键使聚合物链平行堆砌，形成片状微晶，这样的氢键平面像紧密堆砌的金属晶格一样起着滑移面的作用，使之在外场作用下容易形成液晶，从而赋予纤维内部分子链较高的取向度和结晶度；然而，相邻的氢键平面之间通过较弱的范德瓦耳斯力相结合，在外力作用下，PPTA 大分子容易沿纤维纵向开裂产生原纤化。对于聚酰亚胺纤维而言，高度共轭的酰亚胺环和苯环，以及分子链间（或链内）存在的氢键和范德瓦耳斯力，对分子链的紧密堆砌及纤维微观结构和性能具有的重要影响，将在本章节详细介绍。除上述两种因素外，聚合物纤维的力学、耐热、耐辐照、耐溶剂腐蚀和尺寸稳定性等性能还取决于纤维内部分子链沿纤维轴向的取向及二维有序排列情况，即凝聚态结构。与PPTA、PBO 等纤维不同［3］，聚酰亚胺是典型的半结晶型聚合物，初生纤维只有经过高温热牵伸处理，其无定形区分子链才会沿纤维轴向取向、结晶，提高纤维的结晶度和取向度，才可得到高性能聚酰亚胺纤维。(www.xing528.com)

Ando等人［4］认为聚酰亚胺分子链结构可用横截面为矩形的条带表达，在掠入式X 射线（X-ray）图像中多表现为无定形结构，即分子链难以紧密堆积形成三维有序的结晶结构。而Saraf等人［5］则认为，聚酰亚胺材料内部更倾向于形成一种介于晶体和无定形结构之间的“近似液晶有序区”（Liquid Crystalline-like），相对于完善的晶体，尽管分子链上二酐和二胺单元缩减表现为有序结构，但存在一定的无序性和错乱性；而相对完全无序结构，却有一定的规整性和有序性。可见，聚酰亚胺纤维微观结构较为复杂，而理解此类结构与纤维性能的关系，对于优化材料加工方法，提升纤维综合性能，拓展应用领域具有重要意义。本章节针对聚酰亚胺纤维化学结构、分子链间多层次作用和凝聚态及微缺陷结构与纤维综合性能间的相互关系展开系统讨论，以便读者更深入理解此类高性能纤维的构效关系。