聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（MPIA纤维）的特点和应用领域

芳香族聚酰胺纤维中另一个大品种就是聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，我国称为芳纶1313，美国称为诺曼克斯（Nomex）。它具有优良的耐高温性和难燃性，纺织加工性能与天然棉花相似。耐高温纤维是指在200℃高温下，能连续使用而不出现热分解，同时保持一定的物理-力学性能不脆化的纤维。以前工业上广泛应用的天然石棉纤维是很好的耐高温纤维，但近年发现石棉对人体有危害，对环境有污染，已经逐步减少使用。20世纪30～40年代开发的玻璃纤维，有耐热性、绝缘性和强度上优势，在电气和塑料增强材料方面得到应用。

（一）MPIA的合成

和PPTA一样，由于MPIA未熔融就已分解，它的合成采用界面缩聚法及低温溶液缩聚法，由间苯二胺（MPD）和间苯二甲酰氯（ICl）缩合反应而得，反应式如下。

采用界面缩聚法合成MPIA时，先把ICl溶于四氢呋喃（THF）有机溶剂中，然后边强烈搅拌边把溶有ICl的THF溶液加入溶有MPD的碳酸钠水溶液中，在水和THF的有机相界面立即发生缩聚反应，生成MPIA聚合物沉淀，经过分离、洗涤干燥后得到白色固体聚合物。有机相溶剂可以采用THF、二氯甲烷及四氯化碳等与间苯二甲酰氯不起反应，但能使其溶解的有机溶剂，在水相中可加入少量酸吸收剂，如三乙胺，无机碱类化合物，以中和反应生成的盐酸，增加缩聚反应程度，得到高相对分子质量的聚合物。

MPIA也可采用低温溶液缩聚法合成，先把间苯二胺溶解在二甲基乙酰胺（DMAc）溶剂中，在搅拌下加入间苯二甲酰氯，反应在低温下进行，并逐步升温到50～70C直至反应结束。在DMAc中也可加入少量叔胺类添加剂，促进缩聚反应；反应完成后在溶液中加入氧化钙，以中和部分生成的盐酸，使溶液体系成为DMAc-CaCl2酰胺盐溶剂系统，增加聚合物溶解的稳定性，经过浓度调整，这种溶液可以直接进行湿法纺丝。

界面缩聚和低温溶液缩聚相比较，各有优缺点，界面缩聚反应速度快相对分子质量较高，聚合物经过洗涤，可以配制高质量的纺丝原液，采用干法纺丝技术，纤维质量优异，纺丝速度也高，但设备比较复杂，工艺技术要求严格，纺丝机台数增多，投资增加。低温溶液缩聚，反应比较缓和，生成的聚合物直接溶解在缩聚溶剂中，反应得到的浆液直接纺丝，工艺简便，适宜用湿法纺丝，产量大，但纤维质量没有干法纺丝的好。它们的工艺路线比较如图9-22所示。

由于间苯二胺与间苯二甲酰氯反应要放出大量反应热，反应速度又快，为了更好地控制反应，也可采用两段界面缩聚或者两步法溶液缩聚的方法，缓和缩聚反应过程，以制备高相对分子质量的MPIA。

（二）纺丝成型工艺

MPIA纤维可采用干法纺丝和湿法纺丝两种方法制备，这两种方法与常规的化学纤维干法纺丝与湿法纺丝基本相同，只要根据前道聚合工序生产的聚合物，配制或调整纺丝原液，至可纺性良好的范围，经过滤进入喷丝孔纺丝，凝固成型得到初生纤维，水洗后第一道沸水拉伸，再经干燥后第二道高温（300℃以上）拉伸，就可得到成品纤维。

在PPTA液晶溶液的干湿法纺丝技术获得成功之后，也有人研究把这种干湿纺的技术应用于MPIA的纺丝，使纤维的结构比较紧密，得到高质量的MPIA纤维。

图9-22　界面缩聚与溶液缩聚工艺路线比较

以上三种纺丝方法相比较而言，各有利弊，干法纺丝和干湿法纺丝一般适合于纺制MPIA长丝，由于喷丝板孔数少，纺丝速度高，得到的纤维质量好，而机械设备复杂，成本相对比较高。湿法纺丝由于喷丝孔多达30000孔以上，设备简单，产量高，适宜MPIA短纤维的生产，但纤维的性能稍差些。

（三）纤维的结构和性能(www.xing528.com)

MPIA纤维是由酰胺基团相互连接间位苯基所构成的线型大分子，和PPTA纤维相比，间位连接的苯环共价键没有共轭效应，键的内旋转位能相对低些，大分子链呈现柔性结构，其弹性模量的数量级和柔性链大分子处于相同水平，其大分子的结晶模量与其他大分子的结晶模量的比较见表9-7。

表9-7　各种大分子的结晶模量比较

MPIA纤维的结晶属于三斜晶系，其晶胞参数：a=0.527nm,b=0.525nm,c=1.130nm，α=111.5°，β=111.4°，γ=88.0°，Z=1，ρ=1.47g/cm3。

它的晶体里氢键在两个平面上存在，如格子状排列，由于氢键的作用强烈，使MPIA化学结构稳定，具有优越的耐热性及阻燃性，耐化学腐蚀性也相当好。MPIA纤维的玻璃化转变温度为270℃左右，热分解温度高达400～430℃，在200℃时，工作时间长达20000h强度仍能保持原来的90%，260℃热空气里可连续工作1000h，而强度维持原来的65%～70%，耐热性明显优于常规的合成纤维如涤纶等。MPIA纤维不熔融，温度超过400℃纤维劣化直至炭化分解，高温分解产生的气体主要是CO、CO2，在火焰中燃烧时散发的烟密度也大大低于其他纤维，纤维离开火焰就自熄，MPIA纤维进入900～1500℃高温环境时，会产生一种特别的隔热及保护层，外部热量暂时不能传递入内部，这对防御高温是非常有效的。

（四）MPIA纤维的用途

耐高温纤维中，MPIA纤维是品质优良、发展最好的纤维，从耐高温纺织品、高温下使用的过滤材料、防火材料到高级大型运输工具内的结构材料，用途十分广泛。

用MPIA纤维制造的高温过滤袋和过滤毡，高温下长期使用仍可保持高强力、高耐磨性。因此在金属冶炼，水泥和石灰、石膏生产，炼焦、发电和化工等行业除尘器中使用，有利于改善劳动环境，回收资源。

耐高温防护服、消防服和军服是MPIA纤维最重要的用途之一，它有优良的防火效果，当意外的火灾发生时，可在短时间内不自燃或不熔融而烫伤皮肤，因此能起到保护和协助逃生的作用。MPIA纤维由于自身大分子固有的结构特性，具有很高的阻燃耐热性能，点火温度800℃以上，在火焰中燃烧时散发的烟雾极少，因此作为防火隔热的防护服有独特的性能，用该纤维做成的面料，当其暴露于高热或靠近火焰时，纤维会稍稍膨胀，从而在面料与里层之间产生空气间隙，起到隔绝热量的作用。

工业上耐高温产品的部件，如工业洗涤机衬垫、熨衣衬布等，复印机内的清洁毡条，耐高温电缆、橡胶管等均使用MPIA纤维。

MPIA纺丝原液还可以纺成浆粕纤维，和5mm的超短纤维混合打成纸浆，用普通造纸方法抄纸，可得到强度高、耐高温的工业用纸，用在电气绝缘纸材料上是高级的H级绝缘纸。这种纸制成的蜂窝芯，表层用纤维增强复合材料板粘贴后具有优良的防火性能，强度高、质量轻、表面光滑，是航空器内装饰用的高级板材。现在这种材料已经扩展到高速列车的内部构件，从而降低了列车的总重量。

随着社会的发展MPIA纤维还用于高层建筑的阻燃纺织装饰材料，老人小孩的阻燃睡衣和床上用品，可见MPIA纤维的发展前景广阔。