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芳纶纤维
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。
美国杜邦企业首先于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企业(Akzo-Nobel,已与日本帝人企业合并)的Twaron纤维,1987年日本帝人企业的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企业和日本帝人企业生产。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企业、烟台泰和新材(氨纶)、河北硅谷化工、中蓝晨光化工、中石化仪征化纤企业等。
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。杜邦企业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,杜邦企业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,杜邦企业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。帝人企业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,帝人企业新开发的产品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企业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。
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