一种弹性复合面料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及弹性面料，尤其是涉及一种弹性复合面料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、弹性复合面料通常由弹性纤维、或弹性纤维与非弹性常规纤维混纺织造得到。弹性纤维是赋予面料弹性的核心，其在较小负荷下具有较高伸长率，且卸除载荷后能恢复初始状态。通常，高性能纤维(芳纶、聚芳砜、聚酰亚胺、pbo纤维等)具有突出的耐热性与机械性能，但高性能纤维普遍弹性低、服用舒适性较差，开发具有弹性的高性能纤维复合面料具有重要的研究意义与市场价值。聚酰亚胺(polyimide,pi)纤维是一类典型的高性能纤维，具有耐高温(起始分解温度>450℃)、阻燃(极限氧指数>35)、耐辐照(可用于空间辐照场景)等特性，在高温过滤、个人防护领域具有重要应用价值。但是，在个人可穿戴防护领域，聚酰亚胺纤维同样存在弹性低、织物穿着舒适性较差等问题，此外聚酰亚胺本征导热系数较高(约为0.3w m-1k-1)，使其面料热阻隔性能不足。

2、通常，在纤维中引入孔结构可降低纤维热导率，从而提高其热阻隔性能。目前，高长径比的pi(聚酰亚胺)纤维主要由干法纺丝与湿法纺丝技术宏量制备。干法纺丝路线中聚合物细流进入甬道后迅速固化成致密结构，难以得到多孔纤维。而湿法纺丝成形是多个非平衡动力学过程相互竞争的复杂过程，即非溶剂和溶剂之间的传质交换和由传质交换引发的相分离以及其后的固化过程之间的竞争，湿法纺丝成形对孔结构调控效果较差。此外，溶胶凝胶法是制备多孔纤维的另一有效方法，其成孔机理在于：纤维挤出的细流的凝胶过程发生在溶剂置换之前，聚合物成形历经较大的亚稳态过渡区，从而形成丰富、均匀、连续、可控的微孔。但是常规聚酰亚胺纤维不具备溶胶凝胶的可逆行为。

3、基于此，亟需开发一种聚酰亚胺材料，以使得聚酰亚胺纤维具备溶胶凝胶的可逆行。

技术实现思路

1、本发明所要解决的第一个技术问题是：

2、提供一种聚酰亚胺-金属离子复合物。

3、本发明所要解决的第二个技术问题是：

4、提供一种所述聚酰亚胺-金属离子复合物的制备方法。

5、本发明所要解决的第三个技术问题是：

6、所述聚酰亚胺-金属离子复合物的应用。

7、本发明还提出一种弹性复合面料，包括层叠设置的聚酰亚胺上层与改性聚酰亚胺下层，所述改性聚酰亚胺下层包括所述的聚酰亚胺多孔纤维。

8、为了解决所述第一个技术问题，本发明采用的技术方案为：

9、一种聚酰亚胺-金属离子复合物，所述聚酰亚胺-金属离子复合物的原料包括以下组分：

10、改性聚酰亚胺和金属盐；

11、其中，所述改性聚酰亚胺的原料包括以下组分：

12、第一二胺单体，所述第一二胺单体含有α-二亚胺结构；

13、第二二胺单体；

14、二酐单体；

15、极性非质子溶剂。

16、根据本发明的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

17、常规聚酰亚胺纤维不具备溶胶凝胶可逆行为，本发明合成一类改性聚酰亚胺，随后引入金属离子与其形成可逆的配位作用，使得聚酰亚胺-金属离子复合物能够实现溶胶凝胶可逆行为。

18、以聚酰亚胺-金属离子复合物为基础，可以进一步通过溶胶凝胶行为的调控，获得具有均匀多孔结构的聚酰亚胺多孔纤维。

19、以聚酰亚胺多孔纤维为基础，可以进一步采用所得多孔结构的聚酰亚胺多孔纤维与聚酰胺弹性纤维混纺，制备一种兼具阻燃性、热阻隔性、弹性与舒适型的高性能复合面料，提高其在可穿戴热防护领域的应用价值。

20、进一步的，本发明聚酰亚胺-金属离子复合物具备溶胶凝胶可逆行为的原因之一是由于金属离子与改性聚酰亚胺分子之间的配位反应。在制备过程中，改性聚酰亚胺溶液与金属离子混合，这导致聚酰亚胺分子中的α-二亚胺基团与金属离子发生配位反应。这些配位反应形成了聚酰亚胺-金属离子之间的化学键，并在体系中形成了一种网络结构。由于配位反应的存在，聚酰亚胺-金属离子复合物在溶液中表现出凝胶的特性，即形成了一个三维的连续网络结构。这个网络结构能够将极性非质子溶剂分子包裹在其中，并形成一个均匀分散的体系。这时，复合物呈现出胶体性质。当对该体系施加外界刺激，如温度变化，会破坏、改变聚酰亚胺-金属离子复合物的网络结构。这导致凝胶向溶胶状态转变。凝胶具有固体的性质，表现出弹性和形状稳定性。溶胶凝胶转变的可逆性是由于配位键的弱相互作用和适当的外界刺激所引起的。在改变温度或其他条件时，配位键的相互作用可以断裂或重新形成，从而导致溶胶和凝胶之间的转变。这种可逆性使得聚酰亚胺-金属离子复合物能够在不同形态之间进行切换，从而展现出溶胶凝胶的可逆行为。

21、根据本发明的一种实施方式，所述第一二胺单体，包括以下结构式中的至少一种：

22、

23、根据本发明的一种实施方式，所述第一二胺单体的制备，包括以下步骤中的至少一项步骤：

24、

25、根据本发明的一种实施方式，所述第二二胺单体，包括以下结构式中的至少一种：

26、

27、根据本发明的一种实施方式，所述二酐单体，包括以下结构式中的至少一种：

28、

29、

30、根据本发明的一种实施方式，所述金属盐包括含sn2+、ni2+、fe3+、zn2+、cu2+中的至少一种金属离子的盐。

31、根据本发明的一种实施方式，所述极性非质子溶剂包括n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

32、根据本发明的一种实施方式，所述第一二胺单体和第二二胺单体的摩尔量之和与二酐单体摩尔量的比值为1-2：0.99-1。

33、根据本发明的一种实施方式，所述第一二胺单体摩尔量占第一二胺单体和第二二胺单体的摩尔量之和的10-80％。

34、根据本发明的一种实施方式，所述第一二胺单体、第二二胺单体和二酐单体总质量占第一二胺单体、第二二胺单体和极性非质子溶剂总质量的13-18％。

35、为了解决所述第二个技术问题，本发明采用的技术方案为：

36、一种制备所述聚酰亚胺-金属离子复合物的方法，包括以下步骤：

37、在保护气氛中，混合第一二胺单体和第二二胺单体于极性非质子溶剂中，得到二胺溶液；

38、混合二酐单体于二胺溶液中，经加热聚合，得到改性聚酰亚胺；

39、混合改性聚酰亚胺与金属盐，得到所述聚酰亚胺-金属离子复合物。

40、根据本发明的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

41、该方法操作简单，有利于大批量制备，具有很好的产业化前景，得到所述聚酰亚胺-金属离子复合物具有优良的阻燃性和热阻隔性。

42、根据本发明的一种实施方式，所述加热聚合，包括以下步骤：先于20～25℃下反应12-15h，再升温至195℃，恒温反应12～17h。

43、根据本发明的一种实施方式，改性聚酰亚胺与金属盐的混合时间为0.5～1h，温度为60～80℃。

44、一种聚酰亚胺多孔纤维的制备方法，包括以下步骤：加热所述的一种聚酰亚胺-金属离子复合物，然后采用湿法纺丝技术，制备得到聚酰亚胺多孔纤维。

45、根据本发明的一种实施方式，在上述制备方法中，以所述的聚酰亚胺-金属离子复合物为纺丝液，加热使其从凝胶态向溶胶态转变。

46、根据本发明的一种实施方式，经过对聚酰亚胺-金属离子复合物纺丝液进行溶胶凝胶行为调控，能够获得了具有均匀多孔结构的聚酰亚胺多孔纤维。

47、根据本发明的一种实施方式，制备所述聚酰亚胺-金属离子复合物的方法，包括以下步骤：采用高温缩聚反应制备可溶性聚酰亚胺，随后引入金属离子构筑具有可逆凝胶行为的聚酰亚胺，经湿法纺丝、常压干燥得到多孔结构聚酰亚胺纤维。

48、本发明的另一个方面，还提供一种弹性复合面料，包括层叠设置的聚酰亚胺上层与改性聚酰亚胺下层，所述改性聚酰亚胺下层包括所述的聚酰亚胺多孔纤维。由于该应用采用了上述聚酰亚胺-金属离子复合物的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果。

49、根据本发明的实施方式，所述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：

50、改性聚酰亚胺下层具有本征阻燃性、热阻隔性，与聚酰亚胺上层一同，并列双组分纤维使得弹性复合面料具有本征卷曲结构，使得所述弹性复合面料兼具阻燃性、热阻隔性、弹性与舒适型，使其在可穿戴热防护领域具有较大应用潜力。此外，改性聚酰亚胺下层与聚酰亚胺上层使聚酰胺之间存在膨胀系数的差异，这种膨胀系数的差异，会导致弹性复合面料中存在内应力，从而带着纤维卷曲，以提高纤维的染色性、弹性持久性、弹性回复率等性能。

51、根据本发明的一种实施方式，所述制备弹性复合面料，还包括以下步骤：以聚酰亚胺-金属离子复合物为纺丝液，加热使其从凝胶态向溶胶态转变，采用湿法纺丝技术，制备聚酰亚胺多孔纤维，采用纬编双面针织机将所得多孔聚酰亚胺纤维、聚酰胺并列聚酰胺纤维合股织造，经热处理，得到聚酰亚胺上层与改性聚酰亚胺下层。

52、根据本发明的一种实施方式，纺丝液温度为50-60℃。

53、根据本发明的一种实施方式，加热使其从凝胶态向溶胶态转变时，凝固浴为水、乙醇等常规溶剂中的一种，凝固浴温度为15～25℃。

54、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。