芳纶纤维

芳纶纤维

芳纶是一种高强度、高模量、低密度和耐磨性好的有机合成的高科技纤维。它的全称是芳香族聚酰胺纤维。1974年，美国贸易联合会( U.S，Federal Trade Commission，FTC)将它们命名为“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。

20世纪60年代初，美国杜邦公司首先开发出具有优良热稳定性的间位芳给-HF-1，即Nomex纤维；1966年，公司又生产出了对位芳纶即Kevlar纤维；1972年日本帝人公司生产出对位芳纶Conex纤维；1986年荷兰Akzo公司生产出Twaron纤维；1987年日本帝人公司生产出Technora纤维。而我国于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，它们分别相当于美国杜邦公司的Kevlar 29和Kevlar 49。

芳纶可分为邻位、间位及对位3种，而邻位无商业价值。对位芳纶主要有Kevlar（杜邦）、Technora（帝人）、Twaron（原AkzoNobel，现并人帝人）等；J司位芳纶主要有杜邦的Nomex、帝人的Conex等。

对位芳纶的主链结构具有高度的规则性，大分子是以十分伸展的状态存在，它具有耐高温、防火、耐化学腐蚀及高的力学性能和抗疲劳性。它的强度为钢的3倍，为强度较高的涤纶工业丝的4倍，它的初始模量为涤纶工业丝的4—10倍，聚酰胺纤维的10倍以上。它的稳定性好，在150℃温度下收缩率为0。它在高温下仍能保持较高的强度，如在260℃温度下仍可保持原强度的65%。

间位芳纶的大分子链呈锯齿状，它具有优良的物理力学性能，如强度、断后延伸率等。同时还拥有极佳的耐火和耐氧化性。它在260℃温度连续使用lOOOh后，其强度仍能保持原强度的65%;在300℃高温下使用7cf，仍能保持原强度的50%；它的0强度约为500℃；在火焰中难以燃烧，离开火焰后具有自熄性；它在酸、碱、漂白剂、还原剂及有机溶剂中的稳定性很好。同时还具有良好的抗辐射性能。纤维主要性能见表2-17。

表2-17世界各国生产的主要芳纶的性能比较商品名密度／(g／cm3)抗拉强度/GPa抗拉模慑/GPa断裂伸长率／%Kevlar-29Kevlar-49Kcvlar-l49NomexTwa ronTechnora劳纶14141. 441. 451. 471. 57144-1. 451. 391. 432. 92. 82. 30. 342. 83. 42. 98721301446. 080-12572103巭3.6巭2.4巭1.531巭3.3-2.O巭4.6巭2.7由于芳纶其独特的物理性能和化学性能，使得其广泛用于国防、航空、航天、造船、体育器材、汽车、建筑等工业，例如：在建筑业可以作增强混凝土构件、汽车业可替代石棉来制造刹车片、离合器、整流器等，以降低石棉对环境及人体健康的伤害。还可以用来制作防护服装，如宇航服、消防服等；耐热制品如芳纶增强的橡胶传送带；以及高性能的绳索等。

间位芳纶

间位芳纶全称“聚间苯二甲酰间苯二胺”，英文缩写MPIA( poly-m-phenyleneisophthalamide)，我国称为芳纶1313。芳纶1313是一种开发早、应用广、产量大、发展快的耐高温纤维品种，其总量居特种纤维的第二位。其分子结构为：聚间苯二甲酰间苯二胺是排列规整的锯齿型大分子，在熔融以前就已经分解，玻璃化温度Tg 为270℃，在350℃以下不会发生明显的分解和碳化。当温度超过400℃时，纤维逐渐发脆、炭化直至分解，但是不会产生熔滴；在火焰中不延燃，具有较好的阻燃性，极限氧指数LOI 为29%—32%，性能极佳。间位芳纶的突出特点是优异的耐高温性，良好的尺寸稳定性，优良的可纺性、防火性和耐腐蚀性。

(l)聚间苯二甲酰间苯二胺缩聚物的制备芳纶1313由间苯二甲酰氯(ICI)和间苯二胺(MPD)缩聚而成，其反应式为：生产缩聚物主要有如下三种方法。

①界面缩聚法把配方量的间苯二胺溶于定量的水中，加入少量的酸吸收剂成为水相。再将配方量的ICI溶于有机溶剂中，然后边强烈搅拌边把ICI溶液加到MPD的水溶液中，在水和有机相的界面上立即发生反应，生成聚合物沉淀，经过分离、洗涤干燥后得到固体聚合物。

②低温溶液缩聚法先把间苯二胺溶解在N，N二甲基乙酰胺( DMAc)溶剂中，在搅拌下加人间苯二甲酰氯，反应在低温下进行，并逐步升温到反应结束。然后加入氢氧化钙，中和反应生成的氯化氧，使溶液成为DMAc-CaCI2酰胺盐溶液系统，经过浓度调整，可直接用于湿法纺丝，也可以通过碱性的离子交换树脂除去反应生成的HCI。黎苇等研究叔胺添加剂对PMIA缩聚反应的影响，发现不同结构叔胺对PMIA分子量的影响是不同的，其中以加入少量a甲基吡啶作为HCI吸收剂对提高PMIA分子量最为明显。

③乳液缩聚法将ICI溶于与水有一定相溶性的有机溶剂（如环己酮），MPD溶于含有酸吸收剂的水中，高速搅拌，使缩聚反应在搅拌时形成的乳液体系的有机相中进行。此方法利于热量传递。此外，还有专利报道有气相缩聚法制备芳香族聚酰胺。

鉴于低温溶液缩聚与界面缩聚、乳液缩聚相比，耗用溶剂少，生产效率高，在直接使用树脂溶液进行纺丝、打浆和制膜时可以省去树脂析出、水洗和再溶解等操作，在生产上更为经济，所以低温溶液聚合应用广泛。采用低温缩聚法制备聚间苯二甲酰间苯二胺，溶剂为N，N二甲基乙酰胺( DMAc)时，有下列因素对反应有影响：间苯二甲酰氯，间苯二胺纯度，摩尔比，反应温度，反应时间，溶剂中的水分含量和搅拌速度等。

(2)芳纶1313纤维的制备纤维可采用干法纺丝、湿法纺丝或干喷湿纺法制备。

①干法纺丝干法纺丝的流程为将低温溶液缩聚所得的纺丝液用氢氧化钙中和，得到约含20%聚合物及9% CaCl2的黏稠液，经过滤后加热到150～160℃进行干法纺丝，得到初生纤维因带有大量无机盐，需经多次水洗后在300℃左右进行4～5倍的拉伸，或经卷绕后的纤维先进入沸水浴进行拉伸、干燥，再于300℃下张紧1.1倍处理。干法纺丝产品有长丝和短纤维两种。

②湿法纺丝湿法纺丝的一般流程为：纺前愿液温度控制在22℃左右，原液进入体积