一种高模量聚酰亚胺纤维及其制备方法和应用技术领域
本发明属于高性能纤维技术领域，具体地说，涉及一种高模量聚酰亚胺纤维及其
制备方法和应用。
背景技术
近年来，聚酰亚胺材料的发展迅猛，主要包括脂肪族类聚酰亚胺、芳香族聚酰亚
胺。其中芳香族聚酰亚胺纤维具有优异的热稳定性、力学性能以及良好的耐化学腐蚀性。通
常情况下，芳香族聚酰亚胺可以在-196～450℃的温度区间范围内保持良好的性能，因此芳
香族聚酰亚胺的使用温度范围远高于其他聚合物材料。此外，芳香族聚酰亚胺在不添加阻
燃剂的情况下还具有优异的耐烧蚀性。
经过一步法或两步法制备得到的聚酰亚胺纤维具有诸多良好的性能，而在聚酰亚
胺的纺丝过程中常用湿法纺丝或干喷湿纺的方式，但是制备得到的聚酰亚胺纤维的高玻璃
化转变温度、不溶性，以及纤维的刚性主链，使得难以通过后处理的方式(如温度场和应力
场)对聚酰亚胺进行进一步的高模量化制备。
目前针对柔性显示材料、纺织品及复合材料的制备都需要纤维具有较高的模量、
强度并且安全、耐用等性能特点，以满足从具有防护性能的服装织物到电子柔性显示领域，
乃至航天航空领域中复合材料中对纤维较为苛刻的性能要求。因此，开发具有高模量的聚
酰亚胺纤维，并推进其向高性能化、功能化发展具有重要的实际应用价值。
目前对纤维的改性方法主要包括：偶联剂法、辐照改性法、化学改性法、等离子体
处理法以及碱解法。
申请号为CN201610506189.0的中国专利公开了一种聚酰亚胺纤维表面活化的连
续化处理方法。该方法利用表面处理液、中和处理液对聚酰亚胺纤维进行表面处理后在聚
酰亚胺纤维表面进行接枝，增加了纤维的表面粗糙度，从而实现了纤维表面活性的明显改
善，也提高了聚酰亚胺纤维与树脂基体的界面结合性。
申请号为CN201410664198.3的中国专利公开了一种在聚酰亚胺纤维中加入经表
面改性处理的纳米二氧化硅，通过二氧化硅与聚酰亚胺的杂化及其相应的纺丝与湿牵伸、
热酰亚胺化和热牵伸处理等工艺技术，提高聚酰亚胺纤维的强度、模量、热稳定性和抗水性
能。
申请号为CN201410449422.7的中国专利公开了一种利用等离子体对纤维进行处
理，并将处理后的纤维与含有接枝剂的溶液混合，得到表面改性的纤维。改性后的聚酰亚胺
纤维强度不会受到损伤，同时提高了纤维与树脂的浸润性及界面剪切强度。
申请号为CN201410172072.4的中国专利公开了一种利用等离子体(如氧气、氮气、
氩气或氦气)对聚酰亚胺纤维进行改性的方法。该发明在保证纤维的机械性能下降小于5％
的情况下，改善了纤维的浸润性能，同时纤维的表面自由能提高了20％-70％，从而可以应
用于制备环氧树脂复合材料，该材料的层间剪切强度相对提高了5-40％。
申请号为CN200810051689.5的中国专利公开了一种导电聚酰亚胺纤维的制备方
法。通过对预处理的聚酰亚胺纤维采用粗化剂使其结构改性，随后将聚酰亚胺浸入氯化亚
锡、银氨溶液或氯化钯溶液中使其表面吸附一层锡离子、银或钯；或是镀铜、镀镍从而制备
导电的聚酰亚胺纤维。该方法既保持聚酰亚胺纤维的耐高温、柔韧、耐弯折的特点，又使聚
酰亚胺纤维具有了金属的一些性能，从而可以在防静电织物、屏蔽织物和柔性电缆等多种
领域中得到应用。
申请号为CN201110222300.0的中国专利公开了一种高强高模聚酰亚胺纤维的制
备方法。该方法利用联苯二酐与对苯二胺和2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑制备聚酰亚胺
纤维，突破了2-(4-胺基苯)-5-胺基苯并咪唑含量增加带了的合成及加工上的困难，解决了
纤维性能均一性和稳定性差的问题，强度可达4.5GPa，模量可达201GPa。
“聚酰亚胺表面化学改性的红外光谱研究”【张欣，吴宜勇.聚酰亚胺表面化学改性
的红外光谱研究[j].河北工业科技，2010，27(3)：149-152】报道了聚酰亚胺表明通过在碱
或胺溶液中改性以提高与其他材料的结合力。通过1mol/L的KOH处理并质子化和5mol/L的
NH2(CH2)2NH2处理分别对聚酰亚胺表面改性，通过FTIR-ATR红外光谱对改性表面结构进行
分析。结果表明，聚酰亚胺表面改性是从外到内渐进的选择性反应，随处理时间延长改性程
度增加。与KOH相比，NH2(CH2)2NH2反应活性较弱且空间位阻较大，因此其改性程度明显较
低。经处理后酰亚胺环打开，聚酰亚胺表面激活生成氨基化合物和羟基，从而提高了表面结
合力，但为了不影响整体材料性能，需控制改性时间。
“聚酰亚胺薄膜的碱处理”公开了将聚酰亚胺薄膜进行碱处理的方法，具体为：配
制5～7％的氢氧化钠水溶液放入碱槽，温度控制在30～40℃；水槽中放满水后，调节水槽中
进出水量使进出水量平衡；聚酰亚胺薄膜在碱液中约经30～40秒钟处理后，接着进入水槽
中水洗约一分钟至中性；然后进入上胶机烘干收卷而成。
但是以上方法均从分子结构设计、等离子体改性、添加纳米填料等方法出发，以实
施对聚酰亚胺的改性。以上方法有助于提高纤维与树脂基体间的界面结合性，或提高纤维
模量，但改性后纤维力学性能及与树脂间的界面结合性提升有限，并且方法实施成本高，工
艺复杂。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种高模量聚酰亚胺纤
维及其制备方法和应用。本发明通过混合碱液碱解法制备一种具有高拉伸模量、高强度、抗
烧蚀，同时使纤维与树脂基体间的界面结合强度得以提高的聚酰亚胺纤维。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高模量聚酰亚胺纤维，其中：所述的高模量聚酰亚胺纤维的拉伸模量为120-
160GPa，断裂强度为2000-2800MPa，断裂伸长率为1.5-2.5％，界面剪切强度为30-60MPa，热
分解温度为610-680℃。
本发明所提供的高模量聚酰亚胺纤维性能优异，具有高拉伸模量、高强度、抗烧蚀
性能。
抗烧蚀是指聚酰亚胺的热分解温度相比于其他聚酰胺、聚烯烃纤维高很多，通常
在450℃以上，但仍与纤维化学结构相关。本发明的高模量聚酰亚胺纤维的热分解温度高于
630℃，具有抗烧蚀性。
进一步的，所述的高模量聚酰亚胺纤维的结构密实、分布均匀、孔洞较少。
本发明所述的高模量聚酰亚胺纤维的制备方法为：将聚酰亚胺纤维采用混合碱液
进行碱解。
优选，所述的混合碱液为氢氧化钾与N,N-二甲基乙酰胺的混合水溶液。
现有技术均从分子结构设计、等离子体改性、添加纳米填料等方法出发，以实施对
聚酰亚胺的改性，虽然这些改性方法有助于提高纤维与树脂基体间的界面结合性，或提高
纤维模量，但改性后纤维力学性能的提高有限。而单一氢氧化钾或氢氧化钠的碱解程度较
差。现有文献报道，仅碱解3-4min内纤维与树脂间的界面剪切强度有至多6.5％的提升，碱
解程度低，复合材料界面性能提高有限。本发明利用氢氧化钾与N,N-二甲基乙酰胺的混合
碱液，不但有助于纤维本身拉伸模量的提升，以及复合材料界面性能的提高，同时纤维的热
分解温度下降低，更为重要的是不但没有牺牲纤维本身的性能，反而还提高了纤维本身的
性能。这是因为作为聚酰亚胺纤维制备过程中溶剂的N,N-二甲基乙酰胺在碱解过程中起到
溶胀作用，有助于对纤维表面进行碱解，从而实现纤维表面碱解程度的可控性。
所述的混合碱液中氢氧化钾与N,N-二甲基乙酰胺的体积比为6:0.5～6:5，优选6:
1～6:5，更优选6:1。
所述碱解的时间为20分钟至5小时，优选20分钟至1小时，更优选1h。
本发明意外地发现采用氢氧化钾与N,N-二甲基乙酰胺的混合水溶液在碱解1h内，
纤维的拉伸模量、断裂强度及断裂伸长率都得到提高，并且改性后纤维与树脂间的界面剪
切强度提高62％，而热分解温度仅下降15℃。
将聚酰亚胺纤维采用混合碱液进行碱解前，先对聚酰亚胺纤维进行清洗和干燥。
所述的清洗为以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗；所述的
干燥为将清洗后的聚酰亚胺纤维取出，真空干燥，优选在60℃真空烘箱中真空干燥。
本发明以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，可以更好地去
除纤维制备过程中表面附着的杂质。
将聚酰亚胺纤维采用混合碱液进行碱解后，还包括对碱解后的聚酰亚胺纤维进行
后清洗和后干燥的过程；
优选，所述的后清洗为先用盐酸清洗，再用去离子水清洗至pH＝7；所述的后干燥
为在100℃下真空干燥。
本发明还提供所述的高模量聚酰亚胺纤维在制备以下物品中的应用：
1)用于电子显示的柔性显示纤维材料；
2)用于具有防护性能的服装面料；
3)与树脂基体复合制备高性能耐热复合材料。
与现有技术相比，本发明提供的高模量化聚酰亚胺纤维的制备方法经济、环保，制
得的高模量聚酰亚胺纤维性能价格比优良，可以广泛应用于防护服、电子柔性显示，及航天
航空复合材料等方面，可以得到广泛应用。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
图1a为本发明未经改性处理的聚酰亚胺纤维表面形貌图；
图1b为本发明试验例2中将聚酰亚胺纤维浸泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱
液中10分钟后的改性聚酰亚胺纤维表面形貌图；
图1c为本发明试验例2中将聚酰亚胺纤维浸泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱
液中30分钟后的改性聚酰亚胺纤维表面形貌图；
图1d为本发明试验例2中将聚酰亚胺纤维浸泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱
液中1小时后的改性聚酰亚胺纤维表面形貌图；
图1e为本发明试验例2中将聚酰亚胺纤维浸泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱
液中5小时后的改性聚酰亚胺纤维表面形貌图；
图1f为本发明试验例2中将聚酰亚胺纤维浸泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱
液中10小时后的改性聚酰亚胺纤维表面形貌图；
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范
围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但
不用来限制本发明的范围。
实施例1
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱液中1小时，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清洗
至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤维。
实施例2
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱液中20分钟，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清
洗至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤
维。
实施例3
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：5的混合碱液中1小时，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清洗
至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤维。
实施例4
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：2的混合碱液中1小时，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清洗
至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤维。
实施例5
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱液中5小时，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清洗
至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤维。
实施例6
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱液中4小时，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清洗
至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤维。
实施例7
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱液中30分钟，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清
洗至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤
维。
实施例8
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱液中3小时，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清洗
至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤维。
实施例9
选择聚酰亚胺纤维，以丙酮为溶剂在超声条件下对聚酰亚胺纤维进行表面清洗，
取出清洗后的纤维在60℃真空烘箱中真空干燥备用；将以上烘干干燥后的聚酰亚胺纤维浸
泡于KOH与DMAc体积比为6：3的混合碱液中3小时，取出后利用盐酸清洗，并用去离子水清洗
至pH＝7。随后将改性后的聚酰亚胺纤维在100℃下真空干燥，即得改性后的聚酰亚胺纤维。
对比例1、按照现有技术的方法用氢氧化钠碱处理方法
配制5～7％的氢氧化钠水溶液放入碱槽，温度控制在30～40℃；水槽中放满水后，
调节水槽中进出水量使出水量平衡；聚酰亚胺纤维在碱液中约经1小时处理后，接着进入水
槽中水洗约一分钟至中性；然后进入上胶机烘干收卷而成。
对比例2、按照现有技术的方法用氢氧化钾碱处理方法
将聚酰亚胺薄膜切割成小片并用无水乙醇和丙酮清洗后干燥，然后用1mol/L的
KOH于室温下处理1小时，再用0.2mol/L的HCl进行质子化处理，最后用去离子水洗去表面残
液并干燥后，即得改性后的聚酰亚胺纤维。
试验例1
本试验例考察了混合碱液中KOH与DMAc的不同体积比对改性后的聚酰亚胺纤维的
性能的影响。
方法：具体方法同实施例1，所不同的是改变混合碱液中KOH与DMAc的体积比，以考
察混合碱液中KOH与DMAc的不同体积比对改性后的聚酰亚胺纤维的性能的影响。改性后的
聚酰亚胺单纤拉伸模量、断裂强度及断裂伸长率用DMA的拉伸模式进行测试。改性后的聚酰
亚胺纤维与树脂基体间的界面剪切强度利用复合材料界面评价装置进行测试。改性后的聚
酰亚胺纤维的热稳定性利用TGA进行测试。测试结果如表1所示：
表1、混合碱液中KOH与DMAc的不同体积比对改性后的聚酰亚胺纤维的性能的影响
试验例2
本试验例测定了未经改性处理的聚酰亚胺纤维表面形貌图(见图1a)，以及将聚酰
亚胺纤维浸泡于KOH与DMAc体积比为6：1的混合碱液中碱解10分钟、30分钟、1小时、5小时和
10小时所得的改性聚酰亚胺纤维的表面形貌图，如图1b至图1f。从图1f可以看出纤维表面
出现较大的孔洞，发生断裂，强度太差，不具备相关性能测试条件。
同时，本试验例还考察了不同的碱解时间对改性后的聚酰亚胺纤维的性能的影
响。
方法：具体方法同实施例2，所不同的是改变碱解的时间，以考察不同的碱解时间
对改性后的聚酰亚胺纤维的性能的影响。各性能参数的测试方法同试验例1，试验结果见表
2所示：
表2、不同的碱解时间对改性后的聚酰亚胺纤维的性能的影响
由表2可知，实施例2中在KOH与DMAc体积比为6:1的条件下，选择了碱解时间20分
钟至5小时的实验条件，观察结果可知在一定碱解时间范围内(1小时)，随碱解时间的延长，
纤维的拉伸模量、断裂强度及断裂伸长率都得到提高，并且改性后纤维与树脂间的界面剪
切强度提高62％，而热分解温度仅下降15℃。
试验例3
本试验例对本发明和现有技术的方法制得的改性后的聚酰亚胺纤维的性能进行
了检测，检测结果见表3：
表3、本发明和现有技术的方法制得的改性后的聚酰亚胺纤维的性能
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽
然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人
员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许变动或修饰为
等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对
以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。