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科普 | 芳纶纤维
来源: 时间: 2018-11-20 浏览: 4033

芳纶纤维具有优异的力学性能和稳定的化学性能,其大分子链上至少有85%的酰胺链(—CONH—)直接与两个苯环相连接,全称为“芳香族聚酰胺纤维”,芳纶纤维的品种主要有芳纶1313(间位芳纶)、芳纶1414(对位芳纶,也称芳纶Ⅱ),芳纶Ⅲ(对位杂环芳纶)。对位芳纶是现有高性能纤维中综合性能最好的有机纤维之一,具有高强高模、耐高温、耐酸耐碱等优良性能,与碳纤维相比较,芳纶纤维不导电,伸长率高,破坏特征为塑性破坏,承受动载能力强,耐局部冲击能力强,在地铁、工业厂房、延性补强方面较碳纤维有不可比拟的优势。

一、最新研发进展评述

美国杜邦公司首先于20世纪60年代发明Kevlar(芳纶Ⅱ),70年代成功实现产业化,随后日本和欧洲也相继生产对位芳纶,如1986年荷兰阿克苏诺贝尔公司(Akzo-Nobel,已与日本帝人公司合并)的Twaron纤维,1987年日本帝人公司的Technora纤维,和1987年的俄罗斯Terlon纤维等。由于高性能芳纶纤维的制备技术难度高、投资大,目前仍主要由美国杜邦公司和日本帝人公司生产。美国杜邦开发了多种对位芳纶的牌号,根据不同的性能应用于不同的领域,如Kevlar29是强度和模量比较适中的纤维,K129具有高强度的纤维主要用于缆绳等方面,近年来又开发了Kevlar AP具有很好的韧性,用于防弹等方面。日本帝人推出黑色芳纶(Twaron Black),以及用纤维制备成膜用于电池等领域。

从上世纪70年代起,中国开展了芳纶Ⅱ的基础性研究和国产化研究,国家从“六五”计划开始就对高性能对位芳纶的大规模稳定化生产、实现国产化进行大力扶持。近年来我国对位芳纶初步实现量产,多家企业建立了年产500-1000吨的对位芳纶生产线,如江苏江苏兆达特纤科技有限公司、烟台泰和新材(氨纶)、河北硅谷化工、中蓝晨光化工、中石化仪征化纤公司等。

芳纶Ⅲ最早由俄罗斯于上世纪70年代开发成功并实现商业化。最早开发的品种为SVM,属于二元杂环芳纶,后又成功开发三元杂环芳纶Armos。上世纪90年代俄罗斯在Armos的基础上采用新型纺丝工艺开发出性能更优的Rusar纤维并实现量产,至今俄罗斯杂环芳纶总产能已达2000t/a。俄罗斯芳纶Ⅲ纤维,拉伸强度可达6.0GPa以上,性能优于碳纤维T800的性能,已成功用在最先进的导弹布拉瓦导弹和发动机上。

当前国际上对位芳纶的发展特点是以技术先进性推进应用产品升级换代。杜邦公司开发了系列对位芳纶品种,如超高强型Kevlar129、超高模量型Kevlar149、高黏结型Kevlar-Ha、用于防弹的KevlarXP以及警用防弹衣织物KevlarProtera的超细芳纶。除此之外,杜邦公司还开发了一系列新品种,如Aracon芳纶新产品,用金属在芳纶纤维表面镀层,具有消除静电、屏蔽辐射、传输电信号的功能,比金属线质轻、柔软。此外,杜邦公司还不断开拓新的应用领域,开发轻质高强的凯夫拉纤维,提高防护性和功能性。帝人公司开发了分别专用于胶管和输送带增强的芳纶丝束Twaronl014和Twaron1015、Twaron2100、Twaron2300,特点是同时具有高勾结强度和拉伸强度以及防弹专用的Twaron1008CT超细芳纶。此外,帝人公司新开发的产品SulfonTM,可使轮胎滚动阻力减少20%,意味着燃油消耗减少5%。德国Acordis公司近期开发出高性能超细对位芳纶,不燃不熔融,强度高,耐切割能力强。俄罗斯在杂环芳纶方面也不断开发出新产品,如Artee纤维。其强度高达35CN/dtex,模量200GPa,浸渍环氧树脂后的纤维强度为5.39GPa。

二、国内外对比分析

在过去几十年中,世界上只有美国、日本、韩国及俄罗斯的少数几家企业拥有对位芳纶纤维的生产技术,美国产能3.3×104t/a,日本帝人已达3×104t/a。韩国可隆产能扩大到5000t/a,韩国晓星1500t/a。国内对位芳纶已实现工业化生产,产能达4500t/a,年产量大约1500吨~2000吨。

我国生产的芳纶Ⅱ大部分用于工业领域,如短纤增强材料、橡胶密封材料和芳纶纸的蜂窝材料,产品种类还比较少。目前国产对位芳纶性能已达到杜邦Kevlar29水平(强度18~20CN/dtex,模量480CN/dtex)。河北硅谷化工有限公司在与东华大学973项目合作下,开发并实现了高模量芳纶的产业化,纤维的性能达到杜邦Kevlar49水平(强度22CN/dtex,模量780CN/dtex),目前相应的产品已用到光纤和电力用间隔棒等领域。此外,芳纶Ⅱ采用高速干喷湿纺工艺,目前杜邦的纺速可达到1000m/min。

我国于上世纪九十年代也开始研发芳纶Ⅲ纤维,经过技术攻关和工程化开发,中蓝晨光化工研究设计院有限公司于2006年率先成功开发STARAMID F-3纤维,性能达到俄罗斯Rusar产品水平。中国航天科工六院46所,在国内率先解决了纤维用关键原材料(特殊第三单体)合成,开发了年产50吨的F-12的杂环高强有机纤维的稳定生产,总体技术达到国际先进水平。我国是除俄罗斯以外第二个拥有芳纶Ⅲ生产技术的国家。

三、应用前瞻

芳纶广泛应用在军事、汽车工业、防护、航空航天、加固材料、绳索光缆、体育等领域。

1)航天航空

代替尼龙帘线做橡胶骨架材料,还可应用于机舱门、窗、整流罩体、天花板、舱壁、贮藏箱柜、火箭整流罩和发动机壳体、空运集装箱、飞机壳体等。

2)个人防护/武器装备

特警战训服、软质防弹背心、防弹头盔和防刺防割服、警用防弹车、坦克复合装甲、舰用防弹板材、装甲内饰板。

3)汽车工业

子午线轮胎、挡泥板、保险杠、刹车片、离合器、减振缓冲器和各类软管、轮胎、胶管、发动机齿轮、密封垫片、刹车片。

4)造船产业

帆船、快艇、赛艇、渔船船身。

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