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芳纶纤维的构造

  芳纶纤维的结构、制备及应用综述 摘要: 芳纶是一种高科技特种纤维, 它具有优良的力学性能, 稳定的化学性质和理想的机械性质。 它的全称为“芳香族聚酰 胺纤维” ,1974 年,美国贸易联合会将它们命名为 “aramidfibers” , 其定义是: 至少有 85%的酰胺链(—CONH—) 直接与两个苯环相连接。我国则将它们命名为芳纶,其全称 也可简化为“芳酰胺纤维” 。它有一系列的产品,可用于航空航 天工业、IT(信息技术)产业、国防工业、汽车工业等。 关键词:芳纶 1313,芳纶 1414,芳纶纤维结构,芳纶纤维 应用、发展及制备 一、芳纶纤维的简介 芳纶全称芳香族聚酰胺纤维,是一种新型高科技合成纤 维,具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱、重量轻等优 良性能,还具有良好的绝缘性和抗老化性能,具有很长的生 命周期。 二、芳纶的结构和性能 芳纶可分为邻位、对位和间位3种,而邻位无商业价值。 自20世纪60年代由美国杜邦公司成功开发出芳纶纤维并率 先产业化后,在30多年的时间里,芳纶纤维走过了由军用战 略物资向民用物资过度的历程,价格也降低了一半。现在国 外芳纶无论是研发水平还是规模生产都日趋成熟。在芳纶纤 维生产领域,对位芳酰胺纤维发展最快,产能主要集中在日 本和美国。如美国杜邦的Kevlar纤维,荷兰阿克苏诺贝尔 (Akzo Nobel)公司(已与帝人合并)的Twaron纤维,日 本帝人公司的Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。间位 芳酰胺纤维的品种有 Nomex、Conex、Fenelon纤维等。 下面我们主要介绍一下对位芳纶和间位芳纶的代表产 品,邻位因为无商业价值将不做介绍。 1、芳纶1414的结构和性能 芳纶1414由对苯二胺(PPD)和苯二酰氯(TPC)这两 种单体聚合而成。在缩聚反应中,TPC和PPD反应生成聚合 物聚对苯二甲酰对苯二胺,也就是PPTA。结构式为; 结构特点可以归纳为: 1) 分子链沿纤维轴向高度结晶排列。 2) 纤维含有氢键系,这种氢键系沿其轴线有规则地折叠,并 沿径向分布。 3) 皮芯结构不同,芯层的微晶不如皮层取向度高。 芳纶1414的性能特点; 芳纶1414纤维的性能,特别是其强度主要取决于聚合物 的分子量和分子量分布及其结晶程度。影响上述这些性质的 参数有许多。通过提高纺丝原液中的聚合物浓度,就可以在 湿纺加工过程中提高纤维中链状分子的取向度,从而使纤维 获得较高的强度。 芳纶1414是一种液晶高分子材料,因为聚合物具有线性 结构,所以它是一种高强度、高模量纤维,同时还具有密度 低、韧性较好、耐热性优良、耐酸碱性好、耐化学溶剂等优 点。然而由于结构的原因,芳纶1414也存在一些不足:其溶 解性、耐疲劳性以及韧性还不够好,耐光性较差,横向压缩 模量较低,防紫外线照射能力较差,正因为这些缺点限制了 它的进一步应用。 2、芳纶1313的结构和性能 芳纶1313, 横截面呈腰子形, 有较明显的皮芯结构,学名 聚间苯二甲酞间苯二胺纤维, 具有优异的耐热性、耐燃性及 优良的高温下尺寸稳定性、电绝缘性, 广泛应用于工业及尖 端技术。其结构式为: 芳纶 1313 的性能特点: 1、持久的热稳定性 芳纶 1313 最突出的特点就是耐高温性能好, 可在 220℃ 高下长期使用而不老化,其电气性能与机械性能可保持 10 年之久,而且尺寸稳定性极佳,在 250℃左右的热收缩率仅 为 1%,短时间暴露于 300℃高中也不会收缩、脆化、软化 或者融熔,在超过 370℃的强下才开始分解,400℃左右开 始碳化——如此高的热稳定性在目前有机耐纤维中是绝无 仅有的。 2、骄人的阻燃性 材料在空气中燃烧所需氧气体积的百分比叫做极限氧 指数,极限氧指数越大,其阻燃性能就越好。通常空气中氧 气含量为 21%,而芳纶 1313 的极限氧指数大于 28%,属于 难燃纤维,所以不会在空气中燃烧,也不助燃,具有自熄性。 这种源于本身分子结构的固有特性使芳纶 1313 永久阻燃, 因此有“防火纤维”之美称。 3、极佳的电绝缘性 芳纶 1313 介电常数很低,固有的介电强度使其在高、 低、高湿条件下均能保持优良的电绝缘性,用其制备的绝缘 纸耐击穿电压可达到 10 万伏/mm2,是全球公认的最佳绝缘 材料。 4、杰出的化学稳定性 芳纶 1313 的化学结构异常稳定,可耐大多高浓无机酸 及其它化学品的腐蚀、抗水解作用和蒸汽腐蚀。 5、优良的机械特性 芳纶 1313 是柔性高分子材料,低刚度高伸长特性使之 具备与普通纤维相同的可纺性,可用常规纺机加工成各种织 物或无纺布,而且耐磨抗撕裂,适用范围十分广泛。 6、超强的耐辐射性 芳纶 1313 耐α、 β、 χ射线以及紫外光线辐射的性能十分 优异。用 50Kv 的χ射线 小时,其纤维强度仍保持 原来的 73%,而此时的涤纶则早已成了粉末。 独特而稳定的化学结构赋予芳纶 1313 诸多优异性能, 通过对这些特性加以综合利用,一系列新产品不断地开发出 来,在安全防护、高过滤、电气绝缘、结构材料等领域的应 用越来越广,普及程度越来越高,已成为军事、产业、科技 等许多领域不可或缺的重要基础材料。 三、芳纶纤维的制备工艺: 1、芳纶 1414 的制备工艺 芳纶1414学名为聚对苯二甲酞对苯二胺纤维。因其大分 子主链上的酞胺键分别与两个对苯撑相接而得名。它是以对 苯二胺和对苯二甲酞氯为原料, 在酞胺系溶剂中,通过低温 溶液缩聚制得聚合体, 然后以浓硫酸为溶剂, 经干湿法纺丝 和紧张热处理而制得的超高强度、高模量纤维。因为其不溶 于大多数有机和无机溶剂,仅溶于某些强酸中。根据这一特 性,杜邦公司开发了以浓硫酸为溶剂的湿法纺丝;另外还有 一种方法是对其进行化学改性,使其溶解于有机溶剂后纺 丝。从经济角度考虑,大都采用第一种方法。 2、芳纶1313的制备工艺 芳纶1313 具有优异的耐热性, 没有熔点, 在熔融以前就 已分解, 所以采用溶液纺丝的方法制造, 而且溶液纺丝的三 种方法都可使用, 包括湿法纺丝、干法纺丝和干湿法纺丝。 湿法纺丝和干法纺丝的主要区别在于前者是纺丝原液从喷 丝头中压出后进入凝固液而后者是从喷丝头压出后进入纺 丝甬道, 而干湿法纺丝则是纺丝原液从喷丝头中压出后经过 一段空气层再进入凝固浴。典型的纺丝工艺: (一) 美国杜邦公司的工艺流程:溶液聚合→中和→干法纺丝 →水洗→拉伸→热处理。 (二) 日本帝人公司的工艺流程:界面聚合→聚合物分离→聚 合物溶解→湿法纺丝→水洗→拉伸→热处理。 四、芳纶纤维制品的应用: 1、航空航天工业: 芳纶以其密度低,耐烧蚀性能好,常用于制造导弹的固 体火箭发动机壳体,后又用于制造先进的飞机,航天器的机 身,主翼,尾翼等。有关企业曾以芳纶/环氧无纬布和薄铝板 交叠铺层,经热压后而成的ARALI超混复合层板,其比强度 (抗拉强度与相对密度之比),比模量(弹性模量与相对密度之 比)都较优等铝合金板高,疲劳寿命是铝的100一1 000倍。 2、IT产业: 对位芳纶可用作光纤中的张力构件,有了这种具有高模 量性能的强力构件,可保护细小而脆弱的光纤在受到拉力不 致伸长,从而不使光传输性能受到损害。目前用于此强力构 件的对位芳纶约3000一4 000 t,据业者预测,其实际短缺量 约4000一5 000 t。 3、国防产业: 芳纶可用于制作防弹制品,如芳纶与金属复合装甲板, 芳纶与陶瓷复合装甲板已广泛用于防弹装甲车,防弹运钞 车,防弹头盔上。高档防弹芳纶的无纬布与高性能的聚乙烯 薄膜制成的软质防弹背心,比超高相对分子质量的聚乙烯纤 维的防弹性能和耐热性能更好。 4、汽车产业: 由于对位芳纶的相对密度小,对橡胶有良好的黏附性, 可供制造高速行驶或超重负载的汽车和飞机的轮胎帘子线、耐热及防护服装: 两种芳纶都可用于制作字航服,原子能工业防护服,防 火和消防工作服,具有各种色彩高能见度的阻燃防护工作 服,以满足巡路人员和营救人员的特殊需要。 6、运动器材: 充分利用芳纶高温、耐热、耐疲劳等特性,以制作运动 条件苛刻的拳击手套,登山鞋靴,赛车车体,赛马头盔等。 还可用于制作网球拍,滑雪板,滑雪捍雪橇,弓箭,弓弦, 钓鱼杆,风筝骨架和高尔夫球棍等。 7、其他功能产品:如耐热、缆绳及混凝土结构增强材 料等。 五、结束语: 芳纶纤维及其复合增强材料因具有强力高、伸长小、重 量轻、柔软、耐温湿、寿命长等特点, 在美国、日本和西欧 发达国家得到了广泛的推广和应用, 其中芳纶帆布作为棉帆 布、涤棉帆布、聚醋帆布、锦纶帆布等的替代品, 日益受到 市场的青睐, 芳纶浸胶线绳也已逐步取代人造丝、玻璃丝线 绳及聚醋帘子布成为V 带、同步驱动带、胶管等橡胶制品 的骨架材料。芳纶纤维及其制品因广泛应用于国防、航天、 航海、消防、体育、矿山机械、钢厂等领域,在国内外市场容 量很大, 而生产厂家仅局限于美国、日本和西欧发达国家, 我国在芳纶纤维及其增强复合材料方面的研究与开发刚刚 起步。 参考文献: 崔德政,《芳纶》. 陈 蕾, 胡祖明, 刘兆峰,《芳纶1313 纤维制备技术进展》. 魏春学,《芳纶纤维及其制品的开发应用》. 钱伯章,《芳纶的发展现状与市场》. 黄兴山,《芳纶的性能、应用和生产》.

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