聚酰亚胺纺丝溶液

【叶博士在线】第六十五期聚酰亚胺绿色纺丝

本期“叶博士在线”的主题是【聚酰亚胺绿色纺丝】！x0a聚酰亚胺是由含有酰亚胺基链节构...

本期“叶博士在线”的主题是【聚酰亚胺绿色纺丝】！

聚酰亚胺是由含有酰亚胺基链节构建的芳杂环高分子化合物，被称作工程塑料中的“黄金”。聚酰亚胺纤维具有机械强度高、耐高温、耐化学腐蚀等优点，可用在高温过滤领域，如奥地利兰精公司开发的聚酰亚胺短纤针刺无纺布，商品名为P84纤维，被用于烟囱袋式除尘中使用的除尘袋；在第五十五期叶博士在线-高温空气滤膜中，聚酰亚胺纳米纤维膜被用于汽车尾气的高温过滤。但是聚酰亚胺纳米纤维的制备，不管是直接采用可溶性聚酰亚胺溶液纺丝，还是采用聚酰胺酸前驱体溶液先纺丝再加热亚胺化的手段，都不可避免要使用有毒有害的有机溶剂，如DMF、DMAc、DMSO等，而纺丝聚合物浓度一般不超过30%，大量有机溶剂的使用就限制了其工业化生产前景。小编在这里介绍的是，通过形成聚酰胺酸前驱体铵盐，并将聚氧化乙烯PEO作为纺丝载体聚合物的手段，来自德国的Andreas Greiner教授课题组成功实现了以水作为纺丝溶剂，聚酰亚胺纳米纤维的绿色纺丝，得到的纤维平均直径为295 ± 58 nm，气溶胶颗粒物过滤效率高达99%以上，还可用于高温过滤热硅油中的污染物。论文以《Polyimide nanofibers by “Green” electrospinning via aqueous solution for filtration applications》为名发表在《ACS Sustainable Chemistry and Engineering》上。

整个纺丝的过程如下所示：首先是合成聚酰胺酸前驱体粉末；然后采用两种纺丝方式作为对比，一是直接用DMF作为纺丝溶剂，一是配置聚酰胺酸铵盐（氨水）/PEO混合水溶液，两者都可以通过电纺得到聚酰胺酸的纳米纤维膜；最后在氮气气氛下进行高温亚胺化，PEO和铵盐在加热过程中均易分解，最终得到纯聚酰亚胺纳米纤维膜。

需要指出的是，单独的聚酰胺酸铵盐水溶液因导电性（为DMF溶液的430多倍）过高，电纺过程中会出现如下图a/b所示的纤维丝束直立/坍塌现象，因此额外加入PEO作为纺丝载体聚合物来调节纺丝行为，稳定纺丝过程（较佳溶液配比3%PEO，10%氨水，10~15%聚酰胺酸），可得到略蓬松的白色聚酰胺酸纳米纤维膜，最终加热亚胺化即可。可考虑聚酰胺酸铵盐水溶液采用常规纺丝工艺制备聚酰亚胺长纤/短纤的可行性。

两种纺丝过程得到的聚酰亚胺纳米纤维膜，平均直径均为300 nm左右，水溶剂法得到的膜拉伸强度较低一些。

两种纺丝过程得到的纳米纤维膜，对气溶胶颗粒物均有高达99%以上的过滤效率，但因水溶剂法得到的膜略蓬松，同样克重下，对小粒径颗粒物过滤效率稍低一些。总体来看，两种纺丝过程得到的膜性能相近。

论文作者还进一步考察了水溶剂法得到的聚酰亚胺纤维膜的高温热油过滤性能，热油污染物组成：500 mL硅油、1 mg 炭黑颗粒（粒径10~80 nm）、1 mg 氧化铁颗粒（粒径1~40 mm），过滤前将硅油加热到200度，趁热过滤，可看到过滤前后颜色差别明显，过滤后的硅油透光率与纯硅油接近，为94%，有望用做燃油滤清器。