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芳纶纤维概述

芳纶纤维全称为聚苯二甲酰苯二胺，与碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维并称世界三大高性能纤维。相对密度小、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、绝缘性，被广泛应用在军事、航空航天、电子电器、交通运输、建筑、医疗等领域。

图1 芳纶纤维

芳纶纤维是人工合成的芳香族聚酰胺纤维，由酰胺键互相连接芳香环（Ar-CONH-Ar）所构成的合成型线型高分子聚合物（至少有85%的酰胺键直接连接在2个芳环上）制成的纤维，主链由芳香环和酰胺键构成，芳环结构刚性高，聚合物链呈伸展状态形成棒状结构；同时线性结构的分子链式使得芳纶纤维空间利用率高，故单位体积可容纳的聚合物多因此强度较高。区别于普通柔性聚合物分子链，对位芳纶纤维的主链结构主要由苯环对位而成的棒状分子结构构成，由于大共轭的苯环存在，分子链段难以发生内旋转，从而呈现一种线性刚性结构。

图2 柔性链段聚合物和刚性链段聚合物示意图

图3 PPTA

间位芳纶(PMIA)。间位芳纶中的单体是1，3－苯二胺和1，3－苯二酸，大分子呈锯齿状排列，赋予了间位芳纶分子链柔性的优点，玻璃化转变温度较高，因此具有优异的耐高温、阻燃和绝缘性能，是一种综合性能优良的耐高温特种纤维，同时具有优异的热稳定性，可在220℃使用十年以上，240℃下受热1000h，机械强度仍保持原有的65%，在370℃以上才分解出少量气体。具有阻燃性，高温燃烧时表面碳化，不助燃，不产生熔滴。具有电绝缘性，具有可纺性、化学稳定性和耐辐射性。抗辐射性能优良，实验表明，其在50kV的X射线连续照射250h后，仍能保持原有强度的49%。

间位芳纶被应用在各个领域，如环境保护、航空航天、高温防护、耐高温工业用纸、高温过滤毡和过滤袋、高温传送带等。

图4 PMIA

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芳纶制备方法

2.1 对位芳纶PPTA制备方法

低温溶液缩聚法合成PPTA聚合物是目前世界上最为成熟的工艺方法，PPTA纤维的制备方法为：首先将对苯二胺(PPDA)和对苯二甲酰氯(TPC)通过低温溶液缩聚得到PPTA聚合物，然后将这种聚合物溶解在浓硫酸中，采用干喷湿法纺制成PPTA纤维。

图5 PPTA制备流程

2.2间位芳纶PMIA制备方法

PMIA的合成是由间苯二甲酰氯和间苯二胺通过低温缩聚反应聚合而成，间位芳纶可采用干法纺丝、湿法纺丝或干喷湿纺法制得。PMIA的反应式如下所示。

图6 PMIA制备流程

2.3芳纶Ⅲ树脂制备

芳纶Ⅲ是将第三单元体即5(6)-胺基-2-(4-胺基苯基)苯并咪唑引入PPTA的大分子链上进行共缩聚，并改进了纤维成形加工工艺，从而得到一种含有杂环结构的新型三元共聚聚酰胺纤维。芳纶Ⅲ树脂是将第三单元体(M3)引入缩聚反应中，部分代替PPDA与TPC在低温溶液中进行缩聚反应而得到的三元共聚物，且在此聚合反应中需加入强极性溶剂N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)和助溶剂氧化锂(LiCl)，其生产工艺流程见下图。芳纶Ⅲ树脂原液再经过纺丝和热处理两步成形工艺制成芳纶Ⅲ。芳纶Ⅲ具有高强高模、耐酸碱试剂腐蚀性、超强耐高温性、电绝缘性等特点，同对位芳纶类似，可应用于高强度，耐高温烧蚀等构件的制造。

图7 芳纶Ⅲ生产工艺流程

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芳纶纤维的应用

3.3建筑领域

芳纶纤维复合材料在建筑领域主要是充当增强材料使用，用芳纶纤维增强水泥，可获得轻质高强的结构件，有效防止水泥制品开裂；同时芳纶纤维韧性好，可加工成布、索、编织成钢筋状，作为水泥增强骨架材料，质量轻强度高，耐腐蚀、抗剪切。国外研究开发用芳纶纤维增强胶粘层压木梁的技术，采用低级木材取代高级贵重木材而极大地降低成本，性能不比钢筋水泥构件差且降低了成本。此项技术在欧美国家如美国、德国、日本、澳大利亚等国研究开发较多，应用前景广阔。

3.4安全防护领域

个体防护装备的阻燃耐高温性能是保障人员安全的重要条件。随着材料科学技术及纺织加工技术的发展，阻燃防护服已经由暂时性阻燃整理、半耐久性阻燃整理逐步发展为耐久性阻燃整理以及本质阻燃材料的应用。

3.5橡胶补强领域

由于橡胶的弹性大，弹性模量较低，在外力作用下极易产生变形，因此很多橡胶制品都必须用纤维材料或金属材料作为骨架。以芳纶制成的帘子布、线绳、纱线、帆布、整体带芯、直经直纬织物等被用作轮胎、动力传动胶带、物料输送胶带、胶管的骨架材料。

3.6环保领域

芳纶具有优异的耐热性、阻燃性和化学稳定性，可在高温恶劣环境中长期工作，是加工耐高温过滤袋的理想材料，用于钢铁、水泥、炭黑等空气污染较重领域的高温烟尘过滤。由芳纶1313纤维所织成的非织造布具有非常好的过滤粉尘性质，例如：380g/m2的间位芳纶非织造布作为高温过滤布具有较涤纶布530 g/m2及腈纶布600 g/m2更好的过滤性质。在袋式除尘领域，对于间位芳纶滤袋，在废气温度不超过200℃，湿度6%，SO2的含量为100ppm的情况下，使用寿命超过两年。

3.7电子电气材料领域

芳纶纤维强度高，可用于光纤加工，当光纤受拉力时不会因伸长变形而影响光的传输；若将芳纶纤维与碳纤维复合加工，可用于制作高电压装置中降低电场的材料；利用芳纶短切纤维优异的耐磨和非磨耗表面特性，可用于制作电子电器设备上用的制动器(闸)、离合器、断路器等。还可与天然云母片结合用作耐热性电机的绝缘材料。 纤维介电系数低及电磁波透过率好的性能特点，可制作雷达天线防护罩，再加上芳纶纤维密度低，加入后复合材料的整体厚度降低30%，电磁波透过率提高10%； 结合芳纶纤维线膨胀系数低的优势可与陶瓷匹配，将芳纶与环氧、酚醛、聚酰亚胺等树脂复合制成层压基板抗热胀冷缩效果好。

3.8运动器材领域

充分利用芳纶耐高温、耐疲劳等特性，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，还可用于制作球拍、滑雪板、滑雪杆、雪橇、弓箭、弓弦、钓鱼竿、风筝骨架、高尔夫球棍、赛艇等。

来源：纺织大学堂

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