可溶性聚酰亚胺抗紫外涂层的应用研究

摘要

聚酰亚胺分子中具有稳定的芳香杂环结构单元，使它具有其它高聚物无法比拟的综合性能，特别是优秀的紫外线阻隔性能。但普通聚酰亚胺大多难溶难熔，加工困难，所制薄膜颜色深，极大地限制了其在耐辐射领域的应用。
　　 本文合成了一种可溶性聚酰亚胺，将其作为抗紫外保护涂层应用于PBO纤维和染料喷绘薄膜上，探索其对PBO纤维和染料光稳定性的改善效果。
　　 以2，6-二甲基苯胺和苯甲醛为原料，合成了高纯度的芳香二胺单体3，3’，5，5’-四甲基-4，4’-二胺基苯基甲苯；该单体再与二苯酮四酸二酐经高温缩聚得到了具有较高相对分子质量的聚酰亚胺(SPI)。该聚酰亚胺具有优异的溶解性能，室温下能快速溶于NMP、DMAc、CHCl3、CH2Cl2等大多数极性有机溶剂中；并能浇注成浅色、高透明的薄膜。SPI薄膜表现出优异的紫外阻隔性能、良好的热性能、力学性能、和高的表面自由能：其黄色指数为5.62，截断波长在380 nm左右，480 nm波长后的光透过率大于82％；玻璃化转变温度在400℃以上，空气和氮气氛围下，10%的热失重温度分别在462～465℃和526～530℃，氮气中900℃时质量残留率为50%～54%；拉伸强度为87 MPa，断裂伸长率为5.5%，杨氏模量为3.3 GPa；薄膜表面自由能σ及其非极性分量σd和极性分量σp分别为60.8、50.1和10.7。溶液的流变性能测试结果表明SPI溶液属于牛顿流体，溶液的粘度基本只与溶液浓度与温度有关。
　　 将SPI配制成不同浓度的溶液，对PBO纤维进行了表面涂层处理。发现涂层改性的PBO(记为xSPI/PBO，x为涂层液浓度mg/mL数)纤维的力学性能较PBO纤维有所提高，如100SPI/PBO纤维的拉伸强度为37.18cN/dtex，比PBO纤维强度高28.12%。对改性PBO纤维进行了紫外加速老化实验，研究了老化过程中纤维的力学性能、特性粘度变化。结果发现随着SPI涂层厚度的增加，改性PBO纤维的拉伸强度、特性粘度保持率都较PBO纤维有了明显的提高。如50SPI/PBO纤维，涂层厚度适宜，包覆完整，均匀致密，强度保持率相比纯PBO纤维的40.25%提高到89.59%，有效地改善了纤维的紫外稳定性。
　　 以间甲酚为溶剂配制不同浓度的SPI溶液，采用喷涂法在喷墨打印有色膜上形成透明、均匀的SPI保护层，考察其对喷墨染料光稳定性的影响。将经过表面处理的染料样品分别进行日光老化实验和紫外加速老化实验，结果发现，在可见光或紫外光的照射下，SPI表面涂层对染料的防护作用效果显著，当涂层厚度达到2.0～2.3μm时，染料的光稳定性改善效果明显，如红色染料在紫外光老化后的褪色率由32.34%降低至3.41%。通过分析染料样品老化过程中紫外-可见透射光谱积分发现，可见光和紫外光均可以引起染料褪色，但可见光不是引起染料褪色的主要原因，并且必须在氧气的参与才会引起染料褪色；而紫外光是引起染料褪色的主要原因。