聚酰亞胺纖維及其紙基功能材料研究進(jìn)展

賈峰峰 閆 寧 李嬌陽 馬 秦 耿 博 張雨婷 陸趙情

（陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021）

聚酰亞胺（PI）于1955年率先由美國科學(xué)家Ed‐wards和Robison申請應(yīng)用專利并隨后實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，其中，最為典型的聚酰亞胺材料是聚酰亞胺薄膜（商品名Kapton）、清漆（商品名Pyre ML）［1‐2］。根據(jù)聚酰亞胺低密度、高絕緣、耐腐蝕、阻燃等優(yōu)異性能，聚酰亞胺薄膜和聚酰亞胺纖維被廣泛應(yīng)用在特種防護、高溫過濾、電氣絕緣、電子封裝、液晶顯示、軍艦及風(fēng)電等領(lǐng)域［3‐7］。20世紀(jì)末，國際上商品化的聚酰亞胺種類達(dá)20個，美國杜邦、通用電器，日本日立、鐘淵，歐洲BASF、Ciba Geigy均有不同種類聚酰亞胺產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售［8］。聚酰亞胺是含有酰亞胺環(huán)重復(fù)單元聚合物的總稱，根據(jù)結(jié)構(gòu)命名為均苯型聚酰亞胺、可溶性聚酰亞胺、聚酰胺‐酰亞胺和聚醚型亞胺。聚酰亞胺纖維分子主鏈上含有五元酰亞胺環(huán)、高密度苯環(huán)結(jié)構(gòu)及芳雜化引起的共軛效應(yīng)，其主干分子鏈鍵能高、分子間作用強、整體展現(xiàn)出強剛性和高穩(wěn)定性。聚酰亞胺熱分解溫度高達(dá)600℃，模量10~12 GPa，介電常數(shù)3.4，體積電阻率約為1017Ω·cm，極限氧指數(shù)44（可達(dá)到UL‐94等級），屬于高阻燃材料，因此也被稱為“21世紀(jì)最有希望的工程塑料”。除此之外，聚酰亞胺還具有無毒、耐酸、耐低溫、抗輻射等性質(zhì)，在醫(yī)療衛(wèi)生、太空設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域中受到關(guān)注［9‐10］。

聚酰亞胺通過二胺、二酐單體制備得到，制備過程包括前驅(qū)體聚酰胺酸聚合、聚酰胺酸脫水亞胺化兩步，如圖1（a）所示。將聚酰亞胺前驅(qū)體聚酰胺酸紡絲并高溫亞胺化，可獲得直徑為幾微米到幾十微米的高模量聚酰亞胺纖維［11］。聚酰亞胺纖維與聚酰亞胺薄膜分子結(jié)構(gòu)相同，二者主要區(qū)別在于結(jié)晶度、晶體取向及材料形態(tài)方面。聚酰亞胺纖維經(jīng)紡絲法得到，其紡絲工藝和溶劑效應(yīng)改變了纖維內(nèi)部的結(jié)晶度和晶體取向，使聚酰亞胺纖維具有更高的拉伸強度和拉伸模量。因此，聚酰亞胺纖維可被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、耐溫防護、電氣絕緣等領(lǐng)域，如特種兵防護服和消防服、絕緣板等［12］。聚酰亞胺薄膜、聚酰亞胺纖維、聚酰亞胺板材及棒材、聚酰亞胺紙基功能材料如圖1（b）~圖1（e）所示。

圖1 （a）聚酰亞胺制備原理；（b）聚酰亞胺薄膜；（c）聚酰亞胺纖維；（d）聚酰亞胺板材及棒材；（e）聚酰亞胺紙基功能材料Fig.1(a)Preparation principle of polyimide,(b)polyimide film,(c)polyimide fiber,(d)polyimide sheet and bar,(d)paper‐based functional materials derived from polyimide fiber

以聚酰亞胺纖維為原料，經(jīng)造紙濕法成形可制備聚酰亞胺紙基功能材料，又稱聚酰亞胺特種紙，該材料加工適應(yīng)性好、防刺穿、透氣，常用于變壓器、電機線圈繞組、相間、匝間絕緣，是一類重要的、可用于電氣設(shè)備制造的耐溫絕緣材料。表1對比了4種特種纖維的性能。由表1可知，與其他特種纖維類似，用聚酰亞胺纖維造紙也存在一些共性問題，如纖維界面惰性強、漿料難分散、紙張內(nèi)部纖維間結(jié)合弱等。

表1 4種特種纖維的性能對比Table 1 Performance comparison of 4 kinds of specialty fibers

我國在聚酰亞胺紙基功能材料方面仍處于研發(fā)階段，而國際上則進(jìn)步較快，典型的成果有日本專利2003‐96698、美國專利US20070084575A1、美國專利US6294049B1等產(chǎn)品。聚酰亞胺紙基功能材料由于耐溫、低密度、高絕緣、高蠕變、防刺穿的特性優(yōu)勢，可滿足大型電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)減重、穩(wěn)定性提升、延長使用年限等綜合性能的要求，因此具有“電氣設(shè)備升級換代革命性新材料”的美譽。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國在聚酰亞胺纖維及其紙基功能材料制備技術(shù)方面的研究也得到了長足進(jìn)展。目前，關(guān)于聚酰亞胺及其紙基功能材料介紹最為全面的是朱曉光等［13］的一篇綜述，該文章詳細(xì)介紹了聚酰亞胺纖維及其紙基功能材料的制備技術(shù)進(jìn)程和研究進(jìn)展。然而，當(dāng)下技術(shù)更新快，材料制備方法層出不窮，本文將在前人的研究基礎(chǔ)上，從聚酰亞胺纖維制備、聚酰亞胺紙基功能材料制備技術(shù)及應(yīng)用3方面對最新研究進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1 聚酰亞胺纖維制備技術(shù)/方法

聚酰亞胺纖維的制備方法分為濕法、干法和干濕法三大類；此外，根據(jù)紡絲液是前驅(qū)體聚酰胺酸還是聚酰亞胺，也可分為兩步紡絲法和一步紡絲法。通過紡絲法制備的聚酰亞胺纖維一般通過兩步法獲得，包括聚酰胺酸制備，聚酰胺酸紡絲、亞胺化兩步［14］。兩步法中常用單體有二胺和二酐及二胺和二酐衍生物，常用溶劑有二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、二甲基乙酰胺、N‐甲基‐2‐吡咯烷酮等，常用紡絲液有苯酚、間甲苯酚、對氯苯酚，凝固浴通常選擇醇或醇與水混合物。將聚酰胺酸纖維亞胺化有2種方法：①~300℃高溫環(huán)境脫水環(huán)化；②常溫條件利用吡啶、三乙胺等催化脫水環(huán)化。一步法通常是先將二胺和二酐單體溶于酚類，再在醇與水混合物凝固浴中凝固獲得聚酰亞胺纖維。一步法制備的聚酰亞胺纖維雖具有更高模量和強度，但考慮到溫度、毒性、安全等方面的因素，通常不選取一步法用于聚酰亞胺纖維的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。

1.1 干法紡絲

聚酰亞胺纖維最早是通過對聚酰胺酸纖維進(jìn)行干法紡絲制得，制備過程包括單體縮聚獲得聚酰胺酸紡絲液、干法紡絲制得聚酰胺酸纖維、高溫環(huán)化制得聚酰亞胺纖維3個步驟［15］，其示意圖如圖2（a）所示。奧地利公司Lenzing AG開發(fā)的聚酰亞胺纖維（商品名P84?）采用典型的一步法制備方法，具體為：將固含量為25%~35%的3，3’，4，4’‐二苯酮四酸二酐、二苯甲烷二異氰酸酯和甲苯二異氰酸酯聚合液在200℃~350℃下進(jìn)行紡絲、熱拉伸，從而制得聚酰亞胺纖維。國內(nèi)最早采用干法紡絲技術(shù)制備聚酰亞胺纖維的機構(gòu)是上海合成纖維研究所，后因經(jīng)營原因停產(chǎn)。據(jù)報道［16］，江蘇奧神新材料有限公司采用兩步法制備方法實現(xiàn)了國內(nèi)首次千噸級產(chǎn)能的聚酰亞胺纖維生產(chǎn)，獲得2016年國家科技進(jìn)步二等獎。

圖2 （a）干法紡絲示意圖；（b）濕法紡絲示意圖；（c）濕法紡絲工藝流程圖Fig.2 Schematic diagrams of(a)dry spinning and(b)wet spinning,(c)flow chart of wet spinning process

1.2 濕法紡絲

Galasso等［17］于1965年提出濕法紡絲法以制備聚酰亞胺纖維，該法以二甲基乙酰胺、N‐甲基‐2‐吡咯烷酮為溶劑、乙醇為凝固浴進(jìn)行紡絲，之后真空除去溶劑、于250℃~300℃高溫條件下環(huán)化制得聚酰亞胺纖維，其工藝簡圖和工藝流程圖分別如圖2（b）和圖2（c）所示。隨后，Goel等［18］通過將均苯四甲酸二酐和4，4’‐二氨基二苯基甲烷在二甲基乙酰胺中進(jìn)行聚合，制得前驅(qū)體聚酰胺酸纖維，并通過濕法紡絲、化學(xué)環(huán)化、熱拉伸制得拉伸強度0.3 GPa、拉伸模量6.6 GPa的聚酰亞胺纖維。上述兩種濕法紡絲工藝技術(shù)最大的區(qū)別在于紡絲后纖維的亞胺化處理方法不同。20世紀(jì)80年代，法國Kermel公司采用苯二甲酸鹽和二甲基酰胺經(jīng)濕法紡絲制得聚酰亞胺纖維（商品名Kermer），并將其用于耐溫防火服和軍事領(lǐng)域。國內(nèi)聚酰亞胺纖維起步較晚，2012年，長春高琦聚酰亞胺材料有限公司才首次實現(xiàn)了聚酰亞胺纖維的濕法制備，商品名軼綸?［19］。

1.3 其他紡絲工藝

干噴濕紡技術(shù)是日本帝人最早提出的制備聚酰亞胺纖維的方法，該法在N‐甲基‐吡咯烷酮中合成聚酰胺酸，以水/N‐甲基‐吡咯烷酮為凝固浴進(jìn)行濕法紡絲，后將初步制得的聚酰胺酸纖維再進(jìn)行化學(xué)亞胺化。據(jù)報道，利用該法制備的聚酰亞胺纖維的拉伸強度和拉伸模量分別達(dá)到了2.2 GPa和145 GPa。與日本帝人不同，Park等［20］將聚酰胺酸溶液部分環(huán)化，再通過干噴濕紡、高溫環(huán)化得到聚酰亞胺纖維，此法制備的聚酰亞胺纖維拉伸強度和拉伸模量較低，分別為0.4 GPa和5.2 GPa。

聚酰亞胺纖維固有的耐高溫特性決定了其無法直接通過熔融紡絲法制備，因而常通過在聚酰亞胺分子鏈中引入聚酯、聚醚或脂肪鏈以進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)改造，降低其熔點，使其易于通過熔融紡絲法制備。該方法可顯著提高聚酰亞胺纖維的制備產(chǎn)能，但也會因引入側(cè)鏈基團而使聚酰亞胺纖維喪失部分耐溫特性。其中，利用該方法制備聚酰亞胺纖維的典型研究是Irwin等［21］的實驗，研究者在~350℃下對聚酰亞胺酯進(jìn)行熔融紡絲，制備得到聚酰亞胺酯纖維，其拉伸強度為0.59 GPa，熱處理后拉伸強度為1.55 GPa、拉伸模量為48 GPa。另外，Dorsey等［22］對通過熔融紡絲法制得的初生纖維進(jìn)行熱牽引（250℃）處理，制得拉伸強度可與杜邦公司Nomex強度相當(dāng)?shù)木埘啺防w維。

Nah等［23］于2003年提出通過靜電紡絲法制備聚酰亞胺纖維，該法首次制得了直徑為納米級的聚酰亞胺纖維。其原理是在高電壓作用下，將聚酰胺酸溶液進(jìn)行紡絲制得超細(xì)聚酰胺酸纖維，隨后通過熱亞胺化制得聚酰亞胺纖維。該法制得的聚酰胺酸纖維直徑小，經(jīng)亞胺化后可獲得缺陷少、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性高的聚酰亞胺纖維，在實驗室研究中廣受歡迎。Huang等［24］通過對聚酰胺酸靜電紡絲制得了聚酰胺酸無紡布，隨后經(jīng)熱亞胺化制備得到聚酰亞胺無紡布；結(jié)果表明，該聚酰亞胺無紡布拉伸強度664 MPa，拉伸模量15.3 GPa，斷裂伸長率5%。隨后，為進(jìn)一步提高聚酰亞胺納米纖維膜材料的空氣過濾效率，Xie等［25］將聚酰胺酸與低分解溫度的聚合物混合進(jìn)行靜電紡絲，利用熔點差異制得具有粗糙結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺納米纖維膜，為高溫空氣過濾材料的構(gòu)筑提供參考，具體如圖3所示。

圖3 （a~d）靜電紡絲聚酰亞胺空氣過濾薄膜；（e~h）具有粗糙結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺空氣過濾薄膜Fig.3(a~d)Electrospun polyimide air filter film,(e~h)polyimide air filter film with rough structure

目前，聚酰亞胺纖維紡絲工藝亟待解決的技術(shù)難題依舊較多，如紡絲所用凝固浴雙擴散效應(yīng)和亞胺化脫水造成纖維內(nèi)部微細(xì)空隙的問題，紡絲設(shè)備體積大、工藝技術(shù)復(fù)雜、投資成本高的問題，以及紡絲效率相對較低的問題。為了更加直觀地呈現(xiàn)不同技術(shù)之間的優(yōu)缺點，對各種制備技術(shù)進(jìn)行對比，具體如表2所示。

表2 5種聚酰亞胺纖維制備技術(shù)對比Table 2 Comparison of five preparation techniques of polyimide fiber

2 聚酰亞胺紙基功能材料制備技術(shù)

聚酰亞胺紙基功能材料制備可分為前驅(qū)體聚酰胺酸纖維濕法成形及熱亞胺化法、聚酰亞胺纖維直接濕法成形法、聚酰亞胺長絲鋪網(wǎng)浸漬成形法、聚酰亞胺短纖維泡沫成形法幾大類。其中，聚酰亞胺纖維直接濕法成形法保留了原料纖維的全部優(yōu)異性能，其產(chǎn)品具有工程化應(yīng)用的優(yōu)勢。

2.1 前驅(qū)體聚酰胺酸纖維濕法成形及熱亞胺化法

為克服聚酰亞胺纖維濕法成形面臨的困難，90年代日本研究者提出前驅(qū)體聚酰胺酸纖維濕法成形、再亞胺化的方法，如Masato等［26］通過上述思路將聚酰胺酸纖維進(jìn)行水相分散和濕法流送，制備得到聚酰胺酸紙基功能材料，將所制備的聚酰胺酸紙基功能材料熱亞胺化得到聚酰亞胺紙基功能材料，但采用該方法制備的聚酰亞胺紙基功能材料存在強度不足的問題。隨后，美國專利US20070084575A1公開聚酰亞胺纖維與環(huán)氧樹脂分散于聚四氟乙烯懸浮液中以制備聚酰亞胺紙基功能材料的方法，但聚四氟乙烯不沾粘，因此該紙基功能材料出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)疏松、分層等應(yīng)用問題。

2.2 聚酰亞胺纖維直接濕法成形法

田村順一［27］公開了通過控制化學(xué)亞胺法凝固劑制備漿狀顆粒并通過與聚酰亞胺短纖維配抄以制備聚酰亞胺紙基功能材料的方法。古川幹夫等［28］將聚酰亞胺片狀纖維在前驅(qū)體聚酰胺酸中浸漬，后通過熱亞胺化交聯(lián)制得聚酰亞胺紙基功能材料。但深究其工藝，在嚴(yán)格意義上來說，此法已不屬于造紙濕法成形的范疇。2012年，Ozawa等［29］通過對聚酰亞胺泡沫進(jìn)行打漿處理制得了具有分叉結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺纖維，再將其與聚酰亞胺短纖維混合抄紙制備得到耐溫等級較高的聚酰亞胺纖維紙。該方法利用聚酰亞胺纖維分叉結(jié)構(gòu)的良好交織性及其在300℃左右可玻璃態(tài)軟化的特性，提高了纖維間物理纏繞作用。另外，根據(jù)吳國光［30］的研究可知，濕法成形過程中，聚酰亞胺纖維長度（L）>9.0 mm則纖維容易團聚，L<5.0 mm則形成的紙基功能材料基本力學(xué)強度弱；另外，當(dāng)聚酰亞胺纖維直徑（D）>30μm或D<3μm時，聚酰亞胺纖維不易經(jīng)過濕法制備工藝而成形。

國內(nèi)聚酰亞胺紙基功能材料起步較晚。陸趙情等［31］通過添加分散劑聚環(huán)氧乙烯，利用聚酰亞胺短切/芳綸漿粕配抄制得聚酰亞胺紙基功能材料；結(jié)果表明，芳綸漿粕可增加纖維間結(jié)合，使紙張結(jié)構(gòu)更加致密，同時提高紙張抗張指數(shù)（見圖4（a））。隨后，為進(jìn)一步提高聚酰亞胺纖維與芳綸漿粕的結(jié)合，陸趙情等［32］采用堿液刻蝕、乙酸質(zhì)子化對聚酰亞胺纖維進(jìn)行化學(xué)改性預(yù)處理，通過在纖維表面引入親水性羧基以提高纖維的界面結(jié)合力。同年，該團隊在已有研究的基礎(chǔ)上，提出樹脂浸漬以提高聚酰亞胺紙基功能材料力學(xué)性能和絕緣性能的新策略［33］。該研究表明，聚酰亞胺樹脂浸漬填充和致密化制得的聚酰亞胺紙基功能材料可滿足電絕緣應(yīng)用的要求，最佳樹脂浸漬濃度為4%。沿著樹脂浸漬提升性能的思路，王軍等［34］通過優(yōu)化三元合金樹脂組分（乙烯基硅樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂）的配比，提高了聚酰亞胺紙基功能材料的強度、耐溫性及阻隔性能；結(jié)果表明，三元合金樹脂浸漬聚酰亞胺紙基材料的抗張指數(shù)可達(dá)35.1 N·m/g（見圖4（b）~圖4（g））。為進(jìn)一步提高樹脂浸漬紙基功能材料性能，陸趙情等［35］探究了熱壓工藝對聚酰亞胺紙基功能材料力學(xué)性能和電氣性能的影響；結(jié)果表明，當(dāng)壓力為12 MPa、溫度為220℃時，聚酰亞胺紙基功能材料可獲得最佳性能，抗張指數(shù)約43.5 N·m/g，耐壓強度約4.6 kV/mm，該工藝的決定性因素在于輔助成形的芳綸漿粕的玻璃態(tài)軟化溫度點。王志杰等［36］將熔融溫度低的聚酯纖維與聚酰亞胺纖維混合進(jìn)行濕法成形，通過高溫?zé)釅合戮埘ダw維的熔融以提高聚酰亞胺纖維間的結(jié)合力；結(jié)果表明，當(dāng)聚酯纖維添加量為9%時，紙基功能材料的力學(xué)強度和電學(xué)性能顯著提高。

圖4 （a）聚酰亞胺紙基功能材料制備工藝流程圖；（b）環(huán)氧樹脂浸漬表面；（c）改性環(huán)氧樹脂浸漬表面；（d）三元合金樹脂浸漬表面；（e）環(huán)氧樹脂浸漬斷裂面；（f）改性環(huán)氧樹脂浸漬斷裂面；（g）三元合金樹脂浸漬斷裂面[33]Fig.4(a)Flowchart of preparation of polyimide fiber‐based paper material,the surface impregnated with(b)epoxy resin,(c)modified epoxy resin,and(d)ternary alloy resin;the fracture surface impregnated with(e)epoxy resin,(f)modified epoxy resin,and(g)ternary alloy resin

與上述研究不同，嚴(yán)致遠(yuǎn)［37］采用自主開發(fā)的聚酰亞胺沉析纖維作為粘結(jié)材料，探究了沉析纖維打漿度、配比、長度等參數(shù)對聚酰亞胺紙基功能材料性能的影響；結(jié)果表明，聚酰亞胺短切纖維長度為5.1 mm、與沉析纖維配比為6∶4時，所制備的聚酰亞胺紙基功能材料力學(xué)性能最好，絕緣強度最佳。為避免芳綸等耐溫等級低的組分引入從而影響紙基功能材料耐溫等級，同時為提高聚酰亞胺纖維的抄造特性，開發(fā)高品質(zhì)的聚酰亞胺沉析纖維尤為關(guān)鍵。周建榮等［38］對以乙醇/甲基吡咯烷酮/水體系為凝固劑制備的聚酰亞胺沉析纖維進(jìn)行了深入研究；結(jié)果表明，當(dāng)凝固劑中水含量為4%時，所制備的聚酰亞胺沉析纖維保水值為32.6 g/g，比表面積為55.4 m2/g；同時，水作為第三組分被引入且可賦予聚酰亞胺薄膜形態(tài)，從而增加聚酰亞胺纖維間接觸面積，提高聚酰亞胺紙基功能材料的性能。2016年，田國峰等［39］公開了聚酰亞胺漿粕作為填充空隙和輔助成形材料的聚酰亞胺紙基功能材料制備方法；結(jié)果表明，引入聚酰亞胺漿粕后，在高溫條件下纖維間生成了化學(xué)鍵，隨后漿粕通過進(jìn)一步的物理纏結(jié)作用使得紙基功能材料性能得到大幅提升。該方法的顯著優(yōu)勢是，紙基功能材料內(nèi)部未引入其他低分解溫度組分，因此制得的紙基功能材料耐溫等級優(yōu)異，可滿足條件苛刻的工業(yè)環(huán)境。

2.3 其他成形方法

焦曉寧等［40］獨辟蹊徑，將聚酰亞胺長絲纖維經(jīng)開松、梳理、縱橫90°交叉鋪網(wǎng)（類紡織）、鋪網(wǎng)、浸漬于聚酰胺酸溶液加固、干燥、高溫高模壓等步驟，制得了具有優(yōu)異電氣絕緣性能的聚酰亞胺紙基功能材料，但準(zhǔn)確來說，這一過程不屬于造紙范疇。2016年，Antti等［41］提出泡沫成形用于人工長纖維濕法造紙的新技術(shù)路線；結(jié)果表明，相比濕法成形，泡沫成形纖維懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高8%，有效提高了成形工藝的效率。隨后，Song等［42］沿著泡沫成形的思路制備了聚酰亞胺紙基功能材料；結(jié)果表明，懸浮液體系黏度越大、泡沫直徑越小，聚酰亞胺纖維成形效果越好；當(dāng)泡沫直徑小于100μm，泡沫成形制得的紙張力學(xué)性能優(yōu)于濕法成形制得的紙張力學(xué)性能，二者絕緣性能持平；相關(guān)實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 （a）泡沫成形；（b~d）漿料分散狀態(tài)；（e~h）聚酰亞胺纖維分散狀態(tài)Fig.5(a)Foam forming,(b~d)dispersion state of slurry,(e~h)dispersion state of polyimide fibers

2.4 聚酰亞胺纖維濕法成形所面臨的技術(shù)難題

經(jīng)過近二十年的技術(shù)迭代，聚酰亞胺纖維預(yù)處理、濕法成形、輔助試劑及熱壓工藝等方面已有了較深入的研究。然而，通過濕法成形制備聚酰亞胺紙基功能材料，依舊面臨在著一些技術(shù)難題：

（1）聚酰亞胺纖維結(jié)晶度高、表面疏水，不能通過水潤脹進(jìn)行輔助分散，同時纖維的密度大于水、形態(tài)規(guī)整；因此，存在大長徑比纖維在水相分散中易絮聚、沉降快的問題［43］。針對該問題，當(dāng)下主要是輔以分散劑，通過改善分散體系黏度以實現(xiàn)漿料的高效分散，但分散劑的殘留會對聚酰亞胺紙基功能材料的綜合性能產(chǎn)生不利影響，如降低使用壽命、破壞電絕緣性等。

（2）濕法成形后，聚酰亞胺紙基功能材料內(nèi)部交織性差。一方面，由于聚酰亞胺纖維界面無活性基團，纖維之間沒有強有力的化學(xué)鍵合作用，微觀上無法實現(xiàn)較好的界面結(jié)合；另一方面，聚酰亞胺纖維形態(tài)規(guī)整，纖維間難形成有效的機械纏繞，因此聚酰亞胺紙基功能材料結(jié)構(gòu)疏松、強度低［44］。

（3）聚酰亞胺紙基功能材料內(nèi)部纖維交叉產(chǎn)生空隙，需要適當(dāng)填充微細(xì)纖維，當(dāng)下主要通過樹脂浸漬或添加芳綸漿粕以達(dá)到填充效果。然而，樹脂浸漬和添加芳綸漿粕均存在技術(shù)問題：①二者與主纖維間結(jié)合的問題；②引入材料的耐溫等級、絕緣性能會影響聚酰亞胺纖維固有屬性，降低紙基功能材料的各方面性能和附加值。

（4）將聚酰胺酸纖維經(jīng)濕法成形、再亞胺化制得聚酰亞胺紙基功能材料是一條重要的工藝思路。但亞胺化是一個化學(xué)反應(yīng)過程，需要反應(yīng)時間；普通亞胺化一般經(jīng)高溫壓力輥實現(xiàn)，常會存在“外焦里嫩”現(xiàn)象，不易控制；而高溫亞胺化過程需要氣體保護，生產(chǎn)中存在困難。

3 聚酰亞胺紙基功能材料的應(yīng)用

3.1 耐高溫電氣絕緣材料

在使用過程中，電氣設(shè)備的線圈焦耳損耗不可避免地會產(chǎn)生熱量，熱量積累使得大部分的絕緣材料因發(fā)熱發(fā)生老化現(xiàn)象。傳統(tǒng)絕緣材料（如植物纖維牛皮紙等）耐溫等級低，制約了電氣設(shè)備的升級換代，嚴(yán)重影響了變壓器、發(fā)電機、電動機的使用壽命［45］。而聚酰亞胺纖維可耐200℃以上高溫，可抵抗腐蝕、極低溫、高溫、潮濕等極端環(huán)境，自身又具有低密度、高絕緣、自熄、抗輻射等特性，符合大功率電氣設(shè)備對小尺寸、輕量化、長壽命應(yīng)用的要求，可滿足下一代電氣設(shè)備的升級換代。典型的聚酰亞胺絕緣材料有薄膜、涂料、樹脂及紙基功能材料多種形式。其中，聚酰亞胺紙基功能材料因易加工、防刺穿、透氣、可同時應(yīng)用于干式和油浸多種類型電氣設(shè)備而倍受關(guān)注。據(jù)報道，將聚酰亞胺紙基功能材料應(yīng)用于H級以上發(fā)電機、電動機、變壓器、牽引電機中的繞組、相間、匝間絕緣，可將設(shè)備耐溫等級提升至C級及以上并大幅提高其應(yīng)用可靠性，同時聚酰亞胺紙基功能材料也是符合多個國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì)絕緣材料［46］。劉崇崇等［47］對聚酰亞胺紙基功能材料的熱老化行為進(jìn)行了深入研究；結(jié)果表明，高溫條件下聚酰亞胺熱分解反應(yīng)為2級，安全使用溫度上限超180℃，耐溫等級達(dá)到H級。陸趙情等［48］通過引入納米SiO2對聚酰亞胺紙基功能材料的電絕緣參數(shù)進(jìn)行了調(diào)控；結(jié)果表明，添加10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的納米SiO2后，聚酰亞胺紙基功能材料抗張指數(shù)可達(dá)32.6 N·m/g，耐壓強度達(dá)到8.45 kV/mm，介電常數(shù)達(dá)到最小值，為1.02 F/m，介電損耗正切值達(dá)到0.142。

3.2 結(jié)構(gòu)減重及耐高溫料

人工合成高性能纖維如芳綸纖維、碳纖維、聚酰亞胺纖維除力學(xué)性能優(yōu)異外，與金屬纖維相比還具有密度低的優(yōu)勢。因此，在軌道交通、航空航天和國防軍工等領(lǐng)域，這些合成纖維在結(jié)構(gòu)減重方面具有不可替代的用途。基于聚酰亞胺纖維的結(jié)構(gòu)和特性，其在結(jié)構(gòu)減重方面獨具優(yōu)勢。首先，聚酰亞胺纖維力學(xué)性能優(yōu)于芳綸纖維，這使得結(jié)構(gòu)件可承受更大的力學(xué)強度；其次，聚酰亞胺具有更好的自熄特性，極限氧指數(shù)值高；最后，聚酰亞胺纖維可抵抗太空射線輻射、低溫、極高溫環(huán)境。此外，基于聚酰亞胺纖維耐高溫、阻燃的性質(zhì)，其在防火服、防火結(jié)構(gòu)填充等方面也有廣泛應(yīng)用，如核電站的保溫材料、火箭的隔熱材料等，但無論是作為結(jié)構(gòu)減重材料還是作為耐高溫材料，在使用時需考量其綜合性能。

4 結(jié)語及展望

隨著新基建時代的到來，國內(nèi)對于高新材料技術(shù)產(chǎn)品，如耐溫聚酰亞胺紙基功能材料的需求逐漸增多。目前，國內(nèi)長春高琦聚酰亞胺有限責(zé)任公司雖已經(jīng)實現(xiàn)部分種類聚酰亞胺纖維產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)，但依舊存在規(guī)模小、產(chǎn)能低、設(shè)備昂貴、核心技術(shù)仍待突破等諸多問題，與國外先進(jìn)水平仍有差距。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步、國內(nèi)其他研究機構(gòu)或高校（如長春應(yīng)化所、東華大學(xué)、四川大學(xué)、北京化工大學(xué)及中山大學(xué)）對聚酰亞胺纖維研發(fā)的深入，相信國內(nèi)聚酰亞胺纖維及其紙基功能材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化必將迎來更加蓬勃的發(fā)展。