什么是芳纶 芳纶主要特点

芳纶纤维诞生于20世纪60年代末,是冷战时期军备竞赛的产物,最初作为宇宙开发材料和重要的战略物资而秘不示人,因而平添了许多神秘色彩。冷战结束后,芳纶才作为高新技术的纤维材料开始用于民生领域,逐渐露出庐山真颜。
芳纶是一类新型的特种用途合成材料,全称为“芳香族聚酰胺纤维”(英文名Aramidfibers,杜邦公司的商品名为Kevlar),与锦纶同属聚酰胺类纤维,但不同的是,锦纶分子中连接酰胺基的是脂肪链,而芳香族聚酰胺纤维中连接酰胺基的是芳香环,所以这类纤维统称为芳香族聚酰胺纤维,简称芳纶。
什么是芳纶 芳纶主要特点
芳纶的分子结构很独特,分子链的柔性小而刚性强,反映在纤维性能方面,其耐热性和初始模量都显著增大,所以芳香族聚酰胺纤维成为目前有机耐高温纤维中的主要类别。强度是钢丝的5~6倍,模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在560度的温度下,不分解,不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能,具有很长的生命周期。

芳纶纤维是重要的国防军工材料,为了适应现代战争的需要,目前,美、英等发达国家的防弹衣均为芳纶材质,芳纶防弹衣、头盔的轻量化,有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。在海湾战争中,美、法飞机大量使用了芳纶复合材料。除了军事上的应用外,现已作为一种高技术含量的纤维材料被广泛应用于航天航空、机电、建筑、汽车、体育用品等国民经济的各个方面。在航空、航天方面,芳纶由于质量轻而强度高,节省了大量的动力燃料,据国外资料显示,在宇宙飞船的发射过程中,每减轻1公斤的重量,意味着降低100万美元的成本。除此之外,科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民用空间。据报道,目前,芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占7~8%,航空航天材料、体育用材料大约占40%;轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约占20%左右,还有高强绳索等方面大约占13%。

芳纶主要分为两种,对位芳酰胺纤维(PPTA),我国命之为芳纶1414,间位芳酰胺纤维(PMIA),我国命之为芳纶1313。两者化学结构相似,但性能差异却很大,应用领域各有不同:芳纶1313以其出色的耐高温绝缘性,成为高品质功能性纤维,而芳纶1414极好的金属特性使之在高性能纤维中占据着重要核心地位。

芳纶1313的特点包括:
一是持久的热稳定性。芳纶1313最突出的特点就是耐高温,可在220℃高温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℃高温中也不会收缩、脆化、软化或者融熔,在超过370℃的强温下才开始分解,400℃左右开始碳化——如此高的热稳定性在目前有机耐温纤维中是绝无仅有的。
二是骄人的阻燃性。我们知道,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。
三是极佳的电绝缘性。芳纶1313介电常数很低,固有的介电强度使其在高温、低温、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。
四是杰出的化学稳定性。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。
五是优良的机械特性。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。
六是超强的耐辐射性。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射线辐射100小时,其纤维强度仍保持原来的73%,而此时的涤纶或锦纶则早已成了粉末。
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、高温过滤、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。

芳纶1414的生产原理是:采用对苯二胺(PPD)、对苯二甲酰氯(TPC)为单体,N-甲基吡咯烷酮(NMP)-氯化钙为溶剂体系,以双螺杆挤出机为主反应器,连续化低温溶液缩聚工艺稳定地制备出比浓对数粘度达6.5dl/g以上的淡黄色PPTA树脂,达到美国杜邦公司生产的PPTA树脂性能.工艺过程:在低水份干燥的NMP溶液中,加入7%的无水氯化钙配制成NMP-CaCl2溶液,在氮气保护下,加入对苯二胺(PPD),让其溶解,冷却至-5度,加入对苯二甲酰氯进行预缩聚后,预聚液进入到双螺杆反应挤出机,缩聚反应在双螺杆挤出机中迅速进行,生产的PPTA树脂中含有NMP、CaCl2、HCl,对其进行中和、洗涤、干燥得到淡黄色的粉状PPTA树脂。

自20世纪60年代由美国杜邦(DuPont)公司成功地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渡的历程,价格也降低了将近一半。现在国外芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。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、欧洲。如美国杜邦的Kevlar纤维,荷兰阿克苏诺贝尔(AkzoNobel)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。美国的杜邦是芳纶开发的先驱,他们无论在新产品的研发、生产规摸上,还是在市场占有率上都是世界一流水平,仅他们生产的Kevlar纤维,目前就有Kevlar一49、Kevlar-29等十多个牌号,每个牌号又有数十种规格的产品。杜邦公司在去年宣布将扩大Kevlar纤维的生产能力,该扩建项目预计在今年年底完工。帝人、赫斯特等芳纶生产的知名企业也不甘示弱,纷纷扩产或联合,并积极开拓市场,希望成为这个朝阳产业的生力军。

德国Acordis公司近期开发出高性能超细对位芳纶(Twaron)产品,它既不燃,也不会熔融,还有很高强度和极大杭切割能力,主要可用于生产涂层及非涂层织物、针织产品和针剌毡等既耐高温又抗切割的各种纺织服装装备。Twaron超细长丝的细度仅为职业安全服常用对位芳纶的60%,用它织造手套·其抗切割能力提高l0%,用它生产梭织物和针织产品,其手感更柔和,使用更舒适。Twaron防切割手套主要用于汽车制造业、玻璃工业及金属零部件生产厂,还能为森林工业生产护腿用品,为公共运输行业提供防破坏装备等。利用Twaron的阻燃耐热性,可为消防队提供防护套装和毡毯等装备,以及为铸造,炉窑、玻璃厂等高温作业部门提供耐热防火服,以及生产飞机座阻燃防火包覆材料。用这一高性能纤维还能创造汽车轮胎、冷却软管、V型皮带等机件、光学纤维电缆和防弹背心等防护装备,还能代替石棉做摩擦材料和密封材料等。

与海外芳纶纤维产业的红红火火相比,芳纶的国产化才刚刚起步。由于芳纶纤维在我国的发展起步较晚,国外公司对核心技术的封锁垄断等原因,目前我国芳纶纤维的技术水平、产品档次及生产能力都与国外发达国家存在着一定的差距。据悉,近几年,我国电子、建筑、轮胎工业迅速发展,使得我国芳纶用量迅猛增长。造成我国芳纶国产化如此艰难的原因主要有两点:一是生产的技术瓶颈难以突破;二是大部分原料需要进口,特别是国产的溶剂不能过关。但正是因为它在国内是新生事物,市场还远远没有饱和,才值得我们去关注、去开发。目前我国芳纶生产的发展已提到了议事日程,芳纶被列入国家鼓励发展的高新技术产品目录之中,政府也将"芳纶纤维在工程轮胎、同步带中应用技术开发"列为我国"十五"橡胶工业重大研究和产业化课题。特别是在间位生产线芳酰胺的开发和生产方面,我国取得了一定程度的进步。

  

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