芳纶作业小论文

芳纶及其增强材料新进展摘要：芳纶又称芳香族聚酰胺纤维，是一种新型合成纤维。具有高强度、高模量、耐高温、耐酸碱腐蚀、比重小等等优异性能。其中对位芳纶广泛用做复合材料的增强材料。关键词：芳纶；对位芳纶；增强材料；对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)的发明是世界化纤史上里程碑式的发明。其划时代的超高强度、高模量和耐高温性能，大大开拓了合成纤维的应用领域，开创了高性能合成纤维的新时代。同时在当前，轻质高强的复合材料正在逐渐取代传统的材料。增强复合材料对轻量化和损伤容限有着极高的要求，对位芳纶纤维在其中发挥了重要的作用。1.芳纶概述芳纶全称芳香族聚酰胺纤维（AramidFiber），是指85%以上的酰胺键直接连在苯环上的长链聚酰胺纤维，是一种新型的特种高分子材料[1]。目前实现商业化生产的芳纶纤维品种主要有间位芳纶，对位芳纶，共聚改性芳纶。间位芳纶的分子结构如图1所示，酰胺键连接在两个苯环的1号和3号位置。间位芳纶的耐热性，耐焰性，绝缘性，纺织加工性能极佳，主要用于防火，电气绝缘，个体防护以及化工生产中的高温过滤，除尘，烟气处理。多元共聚芳纶具有优良的耐热性、尺寸稳定性、耐老化、耐辐射性、电绝缘性和力学性能，主要用于橡胶制品，导线和电缆的包覆。对位芳纶的分子结构如图2所示，酰胺键连接在两个苯环的1号和4号位置。对位芳纶具有高强度和高模量,主要应用在先进复合材料、防护材料、工业织物、建筑结构加固材料、摩擦材料和密封材料等领域[2，3]。2对位芳纶2．1对位芳纶纤维性能对位芳纶是芳纶纤维中的典型代表，使用范围广，用量很大。人们提到的芳纶通常就是指对位芳纶（芳纶1414）。对位芳纶突出的性能是高强度、高模量和耐热性。同时，它还具有适当的韧性可供纺织加工。对位芳纶的比强度是钢丝的6倍，玻璃纤维的3倍，高强尼龙工业丝的2倍；在200℃下经历100h，仍能保持原强度的75％，在160oC下经历500h，仍能保持原强度的95％[2]。对位芳纶纤维的内部大分子沿纵向取向，取向度很高。芳纶1414分子结构上的酰胺基团被苯环分隔开且与苯环形成共轭效应，内旋转位能相当高，分子链节呈平面刚性伸直链，这种结构使其具有极高的拉伸强度、优异的耐热性和韧性，同时它还具有良好的耐强碱性、耐有机溶剂和耐漂白性能以及抗虫蛀和霉变[4]。表1主要牌号的对位芳纶的性能2．2对位芳纶纤维的制造技术由于芳纶在温度升至其熔点之前就会发生分解，所以不能用熔融聚合法聚合。其主要生产技术是低温溶液缩聚法和共聚法。（1）低温溶液缩聚法：反应方程如图3，反应速率很快。反应物料一经混合，立即开始聚合并发生固液相分离。聚合产物相对分子量的大小，同缩聚反应条件有关，尤其是单体杂质和反应溶剂的性质对产物相对分子量影响很大。聚合物经洗去溶剂和干燥后，溶于浓硫酸中配成纺丝浆液。纺丝时，聚合物大分子在搅拌剪切力的作用下易于高度取向。采用干喷丝工艺，得到的纤维再进行牵伸或热处理。图3聚对苯二甲酰对苯二胺溶液缩合反应（2）共聚法共聚法也是芳纶生产普遍采用的技术之一。经拉伸后的半刚性共聚芳纶的强度也很出色。典型的工艺是日本帝人开发的共聚型芳纶Technora（聚对苯二甲酰3,4’氧亚苯基对苯二胺）。它是在NMP/CaCl2之类的酰胺溶剂（浓度10％）中，使PPD和第三单体（各为25％mol）与TPC作用，直至聚合完成。聚合温度为0～80℃，反应混合物用氢氧化钠中和，再通过干喷湿纺法或湿纺直接纺入水凝固浴中，然后将初生丝用溶剂萃取，在490℃下拉伸10倍后干燥，经过整理得到最终产品。（3）俄罗斯芳纶生产工艺俄罗斯芳纶的特征是聚合物主链都含有苯并咪唑二胺（PHA）链节，且不同型号的芳纶以含有此芳杂环基量的不同而区别。目前，Armos和Rusar已经产业化。Armos的生产采用湿纺工艺，并将聚合生产过程的缩聚物溶液直接用作纺丝溶液。Armos成纤聚合物的合成工艺一步或分两步进行，第一步是齐聚物合成，第二步是缩聚。聚合溶剂是添加了碱性盐类的高极性质子惰性酰胺类溶剂，Armos成纤聚合物在这种溶剂中可溶。由于Armos成纤聚合物的不规则分子链结构，缩聚/纺丝溶液呈现各向同性态，其聚合物浓度控制在5%～6％，经过典型的工艺流程：混合、过滤、和脱泡。过滤要求严格，分别为齐聚物过滤和聚合物过滤。纺丝液通过高长径比喷丝孔的喷头拉伸，初生纤维进入凝固浴，凝固后在较高的卷绕速度下被湿拉伸，并通过逆流洗涤除去溶剂，再干燥和卷绕。由此所得的纤维的强度和模量为0.8G～2.0GPa和50G～70GPa。通过在350～450℃下的热拉伸（拉伸率2.5%～5.0％），Armos?的强度和模量上升到4.0G～5.5GPa和130G～160GPa的程度。最新的Rusar强度高达6GPa，并且由于第四单体侧基的作用，具有更好的复合材料相容性。2.3芳纶聚合物的纺丝因为PPTA聚合物熔融温度高于分解温度，所以不能用其直接熔融纺丝。纺丝常用液晶纺丝工艺，将聚合物先溶于浓硫酸中，在临界浓度以上(一般≥14％)配成向列型溶致液晶纺丝液，经脱泡、过滤和计量泵计量从喷丝板喷出，然后进入约10℃的凝固浴，接着碱洗、水洗、干燥，即可制得PPTA维。若要制成复合增强的纤维，则还要在550℃氮气保护下，进行补充热处理[5]。3.芳纶III杂环芳香族聚酰胺纤维是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳纶，这种芳纶在我国称为芳纶III。芳纶III的分子结构如下图：图3芳纶III分子结构芳纶Ⅲ是目前综合性能最优的高性能纤维之一，与聚苯并双嗯唑(PBO)纤维并驾齐驱，普通对位芳纶（芳纶1414）的强度只能达到3.4GPa，而芳纶Ⅲ纤维的强度可以达到4．5GPa以上，最高能达到7.0GPa，极限氧指数(LOI)为对位的2．5倍，耐热性提高100℃。因此在航空航天和国防领域尤为重要[6]。4.芳纶复合材料推动芳纶纤维复合材料发展的最初动力是制造固体燃料火箭发动机壳体、航空气瓶、航空器结构材料以及其它军用制品如复合装甲，防弹衣，头盔等的需求。到目前为止，这些领域的应用仍然是芳纶纤维增强材料的开发重点[7]。在车辆中，芳纶复合材料还广泛应用于轻型卡车与轿车的传动轴、车身底盘、保险架、坐椅骨架、车门、面板、水箱等部件[2]。芳纶纤维还可用于增强橡胶，与普通子午线轮胎使用的传统骨架材料如钢丝、聚酯或者锦纶帘线等相比，对位芳纶帘线具有强度高、热变形小、耐热性好，蠕变小等诸多优点。将对位芳纶用于轿车子午胎带束层，可降低轮胎滚动阻力5％一7％，减小车辆能耗；若用于载重轮胎胎体，可减少轮胎重量，降低胎内空气温度，寿命延长12％一14％；若用于载重轮胎带束层，质量可减少5．5～6．7kg，耐冲击性更好，同等带束强度时断裂能高出20％；用于斜交卡车胎，与尼龙比较，胎面寿命延长20％一25％；用于航空胎带束层，则具有优异耐磨性能，可延长使用寿命；用于工程胎，可大大提升轮胎的耐切割性，显著降低损耗和安全性。芳纶纤维亦可用于建筑结构加固材材料，如果使用芳纶纤维增强水泥，在适当的应变率下，则可大大提升其抗拉性能[8]。芳纶复合增强材料除了具有轻质高强、高模外，还具有抗碱腐蚀、绝缘性好、抗动载抗冲击和抗疲劳性的特点。这就使它耐腐蚀性要求较高的场合如海港码头工程，化工；绝缘性要求高的场所如地铁、隧道及电气化铁路等工程中克服了碳纤维的导电，不耐冲击和弯折以及玻璃纤维易被腐蚀和比强较低的缺点，从而其使用得到了推广。此外，芳纶纤维还能替代致癌的石棉用于摩擦材料，或者用于电线电缆，渔业，运动，劳防，气象等民用领域。5芳纶纤维使用有待克服的问题芳纶作为一种新型的高性能特种纤维，在许多行业有着广阔的发展前景。但芳纶易断头，表面易起毛，吸湿性差，而且不易大规模生产，产品的品种和规格少，工程应用设计可选择余地小；其次，芳纶的表面处理技术还不够成熟。芳纶韧性大，其复合材料的机械加工性能差，常规机械加工方法难以加工。所以尚需对其做进一步的研究。参考文献：[1]罗益峰2008年世界高性能纤维的回顾[J，化工新型材料，2009，37(2)：1-5，[2]李晔对位芳纶的发展现状、技术分析及展望[J]，合成纤维，2009，9(1)：1-5，[3]南九红芳纶Kevlars——ADSS光缆理想的增强材料2000年AOSS光缆应用技术学术会议论文集114-116[4]俞波对位芳纶生产和应用技术进展2005(03)[5]王芳，秦其峰芳纶技术的发展及应用[J]，合成技术及应用2013,28（1）21-27[6]刘勇，安瑛，阎华，丁玉梅，等芳纶分类及几种芳纶丝束的力学性能比较材料工程2010年增刊1224-226[7]李汉堂芳高性能增强材料——对位芳族聚酰胺纤维[J]，合成技术及应用200621（1）39-43[8]HuiYang,HengwenSong.ShiZhangExperimentalinvestigationofthebehaviorofaramidfiberreinforcedpolymerconfinedconcretesubjectedtohighstrain-ratecompression[J]，ConstructionandBuildingMaterials2015,95,143-151