芳纶综述

芳纶合成工艺及应用

【摘要】芳纶是一种高强度，高模量，耐高温，低密度，耐磨性好和的有机合成的高科技纤维，并且其化学稳定性好，对橡胶有良好的粘着力。是20世纪六、七十年代开发出的重要材料。它是在聚酰胺的基础上开发出来的一类产品，为了提高尼龙的耐热性，就要导入芳香环，这一点人们早就熟知了，于是就出现了芳香族聚酰胺，芳纶的全称是芳香族聚酰胺纤维。芳纶主要分为邻位、间位、对位三种，而邻位无商业价值，已工业化的芳纶主要是芳纶1313(聚间苯二甲酰间苯二胺纤维)和芳纶l414(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)两大类。本文将简单的介绍一下芳纶的国内外的发展状况，着重介绍芳纶的制备、性能和芳纶在各个方面的应用，并简要的分析了目前芳纶存在的问题。

【关键词】芳纶；发展状况；制备；性能；应用

1芳纶简介及国内外发展状况

1.1简介

芳纶性能优良，应用广泛，可应用于航空航天工业、IT产业、国防工业、汽车工业、耐热及防护服装、增强混凝土及复合材料、运动器材等。由于其质量轻、强度高、耐热耐腐蚀性好，具有广阔的发展前景。

芳纶的全称是芳香族聚酰胺纤维。1974 年，美国贸易联合会（FTC. 为U.S.Federal Trade Commission 的缩写）将他们命名为“Aramid fibers”，我国称为芳纶。其定义是：至少有 85 % 的酰胺链（-CONH-）直接与两苯环相连接。根据此定义，可把主要化学链和环链脂肪基的一般聚酰胺聚合物和其清楚的分开。[1]它有一些列的产品。在美国，开发芳香族聚酰胺的背景是宇宙开发和军事用途的需要，特别是对耐热性纤维的需求不断高涨。因此，芳香族聚酰胺的主要用途几乎都是纤维，非纤维的用途很少。

1.2国外发展概况

与尼龙的问世一样，芳香族聚酰胺的问世也是美国杜邦公司研究的成果。利用酰氯与胺类反应，通过界面缩聚反应制取聚酰胺，这是早为人们熟知的。但是1951年，杜邦公司的Flory，Morgan等人发现用低温溶液聚合法有可能制备聚酰胺，这就为芳香族聚酰胺的诞生打下了基础，然后于1953年首次合成了芳香族聚酰胺“Aramid”。芳纶最早也是由美国杜邦公司与20世纪60年代研制开发并实现工业化的，产品有商品名为“Nomex”的间位芳纶1313纤维和名为”Kevlar”的对位芳纶1414纤维。由于芳香族聚酰胺纤维优秀的力学性能和耐高温的性质，迅速得到了世界各国的广泛关注，荷兰阿克苏公司、日本帝人和尤尼吉卡公司、俄罗斯全俄合纤院和耐热纺织公司、德国赫司特等先后加入了芳纶的开

发行列，并相继推出了一系列性能优异的芳纶产品[3]。

2006年世界芳纶许求量为6.8万吨，全球对芳纶的需求量呈不断增长的态势，芳纶纤维已进入快速发展期。

1.3 国内发展概况

我国芳香族聚酰胺纤维的研制开发始于20世纪70年代，中科院、清华大学、中国纺织大学、上海纺研所、中石化燕山石化公司、济南齐鲁化纤集团等单位曾先后开展了芳酰胺纤维的研究和小试生产。其中，中国科学院与清华大学先后进行了芳酰胺纤维理论性研究，上海纺研所、四川晨光研究院，以及上海合成纤维研究所和中国纺织大学等研究机构曾先后开展了芳酰胺纤维的试生产。我国于 1972 年开始进行芳纶的研制工作，并于 1981 年通过芳纶 14 的鉴定，1985 年又通过芳纶 1414 的鉴定，他们分别相当于美国杜邦公司的 Kevlar 29 和Kevlar 49。

随着国民经济的发展，我国对芳纶纤维及其制品的需求量以每年30%的速度骤增。近年，我国芳纶纤维的国产化正在加快进程。芳酰胺纤维的国产化、规模化生产技术一直得到国内许多化纤企业的关注，国家有关部门先后将芳纶1414纤维成套生产技术的开发列入了国家“九五”和“十五”重点发展项目之中。目前已完成了PPTA成套生产技术的开发，并实现了纤维的中试生产。

2芳纶的制备及性能

2.1芳纶分类

芳纶的种类很多，按性能划分，主要分耐热型和高强高模型；按结构划分，主要分间位芳纶纤维和对位芳纶纤维。芳纶纤维主要通过不同的单体原料，以缩聚的方法进行成纤聚合物的合成，最后再通过极性溶剂与干喷-湿纺技术进行液晶纺丝制备而成。成纤芳酰胺由芳酰胺长链大分子组成，通常主要分以下两类：1）以芳香族二胺、芳香族二酸或二酰氯为单体，经界面缩聚、低温溶液缩聚或直接缩聚制得，其分子结构式为：

—[—HN—Ar1—HNCO—Ar2—CO—]—n （Ar1、Ar2代表芳撑）2）以芳香族氨基酰氯盐酸盐、芳香族亚硫酰胺酰氯或芳香族氨基羧酸为单体，经低温溶液缩聚或直接缩聚制得，其分子结构式为：

—[—HN—Ar—CO—]—n (Ar代表芳撑)

下面对几种最具代表性的芳酰胺纤维的制备方法加以介绍，分别是聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（芳纶1414或PPTA纤维）和聚间苯二甲酰间苯二胺纤维。

2.2对位芳纶的制备

2.2.1 对苯二甲酰氯

它是白色针状或片状结晶，熔点83~84℃，沸点259℃，在湿空气中发烟，遇水分解，溶于醚类等有机溶剂，其制法如下[6]：

(1)氯化亚砜法以对苯二甲酸和二氯亚砜反应制得，其反应简式为：

HOOC ClOC COCl

SOCl2

(2) 酯氯化法以对苯二甲酸二甲酯（DMT）与氯气反应制得，其反应简式

为：

H3COOC COOCH3COOCl

(3)对二甲苯（PX）侧链氯化水解法将PX和DMF加热到100℃，并在光

照下通氯气，得1,4—双（三氯甲基）苯，再加以水解，即可制得对苯

二甲酰氯，其反应简式为：

H3C CH32Cl

3

C CCl3

H2O

3

ClOC COCl

2.2.2 对苯二胺

它是白色片状结晶物，熔点147℃，沸点267℃，微溶于冷水，溶于热水、乙醇、乙醚、苯，其制法如下[6]:

（1）对硝基苯胺还原法用铁粉和盐酸将对硝基苯胺还原制得，其反应简式为：

H2N NO2Fe,HCl

H2N NH2

（2）聚酯法此法步骤虽多一些，但可用聚酯（或废聚酯）为原料，这一点特别令人注目，此法分三个步骤：

首先是氯化，可将聚酯和乙二醇在加热条件下通入氨气，可得固态的对本二甲酰胺，其反应简式为：