初生纤维的形态及特征

根据所需的纤维规格和聚酰亚胺的化学结构，纤维的纺丝成型温度可选择在220～370℃，通过调控热空气的温度和吹风速率得到初始纤维。其中，热风温度对纺丝成型的影响至关重要，温度过高时初生纤维内外部扩散不均匀，容易发生破裂，很难成型；温度较低时，溶剂很难去除，影响后期的加工处理，所以找到合适的温度是干法纺丝成型的关键。图4-13 是PMDA—ODA/DMAc 纺丝溶液经干法纺丝得到的初生纤维的扫描电镜图，可以看出初生纤维的横截面呈规整的圆形，截面尺寸为20～22μm，纤维表面光滑，没有明显的缺陷，内部结构紧密。

图4-13　聚酰胺酸/DMAc 体系干法成型得到的初生纤维的断面结构的扫描电镜图

干法成型过程中，溶剂的挥发导致纤维的固化成形，溶剂的挥发速率与高温环境以及溶剂与聚合物的相互作用密切相关。图4-14 显示了可溶性聚酰亚胺BTDA—TFMB—BIA（TFMB 为2，2′-双（三氟甲基）-4，4′-二氨基联 苯）共聚体系在不同甬道温度成型条件下得到的初生纤维的形貌观察［23］。在甬道温度为335℃、350℃、365℃时，纤维都呈现了较为致密的结构，这可能与干法纺丝中“单相凝胶化”的成型工艺优势有关［24］。很明显的是，尽管所采用的是圆形喷丝板孔，但所得初生纤维均呈现非圆形的扁平状，且随着甬道热风温度的升高，初生纤维的截面扁平度逐渐降低，从扁平的肾形变成了心形，365℃时其截面近乎呈现椭圆形。(www.xing528.com)

图4-14　可溶性聚酰亚胺/NMP 溶液体系在不同甬道温度下制备的初生纤维截面形貌图

根据干法纺丝理论，初生纤维的形貌是由丝条与外界环境进行能量交换的传质通量比r 决定的［25］。如图4-14（d）所示，溶剂NMP 离开丝条的速度主要由以下两种速度控制：溶剂从丝条表面蒸发的速度（E）、溶剂从丝条芯部扩散至其表面的速度（V），两者的比值即为传质通量比r=E/V。如果r ≤1，即溶剂从丝条芯部扩散到表面的速度不小于溶剂从丝条表面蒸发的速度，此时丝条固化成型的条件较为缓和均匀，得到的初生纤维截面趋向于圆形；如果r ≥1，即溶剂从丝条芯部扩散到表面的速度小于溶剂从丝条表面蒸发的速度，此时，溶剂在丝条表面迅速挥发，形成皮层结构，而后，芯层溶剂在浓度差作用下扩散至表面，使得芯层聚合物体积减小，皮层结构部分塌陷，得到的初生纤维截面趋向于扁平状［26-27］。另外，文献报道在干法纺制醋酸纤维素纤维时，通过计算发现［5］，在聚合物溶液从喷丝口挤出后，其表面温度会从最初的细流温度（75℃）迅速下降至最低温度（3.2℃），然后再上升至甬道热风温度，同理，对于PI/NMP 纺丝溶液体系，纺丝甬道温度的增加，会在聚合物溶液离开喷丝板后，使丝条芯部与表面形成一个更大的温度梯度，溶剂从芯部扩散到表面的速率随之增加，纤维成型条件变得缓和，截面逐渐倾向于圆形。