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芳綸纖維拉開建筑輕量化時代

文章來源：賢集網更新時間：2022-09-15 15:16:37

據日媒報道，位于德島縣阿波市阿波町天西山的別埜谷橋作為一座“永不生銹”的高速公路橋吸引了各方關注。該橋以不會被腐蝕的材料代替了鋼筋，據西日本高速公路公司介紹，這是全球首次將這種新型材料投入高速公路建設，有望大幅降低維護管理費用。

報道稱，用來加固混凝土的鋼筋在含有鹽分的風的腐蝕下可能產生剝落。西日本高速公路公司與三井住友建設公司使用了耐腐蝕、可制作防彈衣的高強度纖維材料“芳綸纖維”代替鋼筋。

什么是芳綸纖維？

芳綸纖維全稱為芳香族聚酰胺纖維，與碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維一起被列為我國重點發展的四大高性能纖維。它具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕、絕緣、抗老化、生命周期長、化學結構穩定、燃燒無熔滴、不產生毒氣等優良性能。

芳綸纖維中實現工業化的產品主要有間位芳綸和對位芳綸兩種。

對位芳綸，即聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA），我國稱芳綸1414。它是世界上首例采用高分子液晶紡絲液制得的纖維，開創了高性能合成纖維的新時代。突出優點是高強度、高模量。其拉伸強度是鋼絲的6倍，拉伸模量是鋼絲及玻璃纖維的2~3倍，密度僅為鋼絲的五分之一。主要應用于安全防護、防彈，橡膠制品增強，高強度纜繩以及石棉摩擦材料替代。

間位芳綸，即聚間苯二甲酰間苯二胺（PMTA），我國又稱芳綸1313。具有優異的耐熱性、耐焰性及絕緣性，主要用于防火材料和防機械損傷。常用于纖維形式的防護服、熱氣體過濾材料、電絕緣紙及復合材料輕量蜂窩結構。

我國芳綸纖維發展史

我國于1972年開始進行芳綸的研制工作, 并于1981年通過芳綸1313的鑒定，1985年又通過芳綸1414的鑒定。

1986～1990年，北京橡膠工業研究設計院、晨光化工研究院、上海合成纖維研究所、西安交通大學等單位共同承擔了國家關于芳香族聚酰胺樹脂合成、紡絲技術開發和在橡膠工業中應用的系列科研課題, 并且完成了相應的產品開發和研制工作。短短四個春秋，東華大學化纖研究所、晨光化工研究院、上海合成纖維研究所、沈陽市紅星密封材料廠等單位研制和生產的對位芳綸性能就已經接近國際水平。但由于資源、成本等方面原因，我國應用的芳綸纖維大部分仍依賴于進口。

1999年, 山東煙臺氨綸股份有限公司正式提出建設中國第一個芳綸1313工程項目, 并在2001年5月份引進了俄羅斯技術。經過3年艱苦的技術攻關，開發出了具有極高科技含量的20多種有色芳綸1313纖維，其產品質量可與美國杜邦等世界一流公司相媲美。與此同時，還開發了另一高端產品——芳綸絕緣紙。

七年后，我國煙臺泰和新材的對位芳綸——泰普龍也推向市場。

目前國內芳綸產業化和國外相比還存在一定的差距。未來幾年，國內外芳綸的市場需求還將快速增長。我國芳綸企業在未來一段時期的主要技術研發方向將是：通過共聚改性提高芳綸的性能，改善加工生產條件和降低纖維生產成本；通過表面改性處理、混雜纖維及新型成型技術使芳綸適應各種用途，提高使用性能，降低應用成本等。

芳綸纖維的生產工藝

對位芳綸纖維的合成方法

對位芳綸的主要原料是對苯二甲酰氯(TPC)和對苯二胺(PPD)。對位芳綸須在無水條件下進行縮聚反應。制備方法有：

①界面縮聚法：

將二羧酸酰氯溶解在與水不相混合的有機溶劑中, 如苯、四氯化碳等, 再將二元胺溶于水中( 水中加少量 NaCO3 或 NaOH, 以吸收反應生成的鹽酸) , 然后將上述 2 種溶液混合, 再加入的瞬間, 就在 2 種液體界面上發生縮聚反應, 生成聚合體薄膜, 由于反應在界面上進行, 所以稱為界面縮聚。

②低溫溶液縮聚法：

是目前工藝最成熟的合成芳綸纖維的方法。目前已工業化的 Kevlar, Technoral 纖維的合成均采用此種方法。

在裝有不銹鋼攪拌器并通有干燥N2的玻璃聚合反應器中，加入含一定量無水LiCl和吡啶的NMP溶液, 在室溫下加入粉末狀對苯二胺，待溶解后，用冰水浴將溶液降到一定溫度，然后加入化學計量的粉末狀對苯二甲酰氯, 同時加快攪拌速度，隨著反應進行，溶液粘度增大, 液面突起，數分鐘后，發生爬桿現象并出現凝膠化，繼續攪拌數分鐘，粉碎黃色凝膠團，然后將產物靜置6h以上。將所得的聚合體加少量水，粉碎過濾, 再用冷水及熱水洗滌多次，以除去殘留的溶劑、LiCl 、HCl 及吡啶，至洗液顯中性，再將聚合物于100℃下干燥5h以上，得干燥聚合體。然后將聚合體于冷濃硫酸中混合, 再加熱至75℃, 成為向列型液晶溶液，再進行紡絲。

間位芳綸纖維的合成方法

間位芳綸是由IPC和MPD縮聚而成，有低溫聚合法、界面縮聚法、乳液聚合法、氣相聚合法。

其中，低溫聚合法和界面縮聚法比較常見。

美國杜邦公司采用低溫聚合法進行縮聚，并且采用干法紡絲工藝；日本帝人公司采用界面聚合法縮聚，采用濕法紡絲工藝；山東煙臺泰和新材料和廣東彩艷兩家國內公司均采用低溫溶液聚合法縮聚，采用濕法紡絲工藝生產間位芳綸。

①低溫聚合法：

在攪拌下把MPD溶解在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶劑中，冷卻至0℃左右，然后在攪拌下加入 IPC，并升溫到50~70℃進行反應，反應過程中會生成 HCl，反應時應加入Ca(OH)2對其進行中和，使溶液成為 DMAc-CaCl2溶液系統，對其濃度加以調整即可用于濕法紡絲。此法消耗的溶劑少，操作步驟簡單，生產效率高，所以低溫縮聚法被廣泛采用。

②界面聚合法：

將 IPC溶于四氫呋喃(THF)溶劑中，形成有機相；將 MPD溶于碳酸鈉水溶液中，形成水相，然后在強烈攪拌下把有機相加入到水相中，使有機相和水相在兩相界面快速發生縮聚反應。生成的聚合物沉淀出來，經過過濾、洗滌、干燥后得到固體產物。

界面聚合法反應速度快，生成的聚合物的相對分子質量高，可以配制高質量的紡絲原液，但由于此法工藝復雜，設備要求高，從而導致投資較高。

芳綸纖維的應用領域

它在我國航空航天、汽車、機電、建筑、體育等諸多領域運用廣泛，是未來生活中不可或缺的材料之一。

航空領域

芳綸纖維密度低、強度高、耐腐蝕性好，可用于制造導彈的火箭發動機殼體以及飛機、航天器的機身、主翼、尾翼等的寬頻透波材料和可以承受沖擊力量的結構部件。采用環氧樹脂浸漬芳綸布形成芳綸預浸料，并直接與蜂窩或泡沫結構相黏結制備的多層蜂巢結構的板材，具有突出的耐沖擊和電磁波透過性等特性。將芳綸與薄鋁板、環氧無緯布交疊熱壓后形成的超混復合層板，具有極高的比模量和比強度，抗疲勞壽命是鋁合金板的100倍～1000倍，可用于飛機的機身等部位。芳綸纖維制備的樹脂基增強復合材料應用于飛機客體中，可使飛機總重量大大減輕。

建筑領域

芳綸纖維織物的延展性好于碳纖維，材料自身重量輕、自由度靈活，是一種理想的建筑工程加固材料，尤其是在加固不規則形狀的構件時，由于其柔軟度好，在加固棱角時不必做倒角。將芳綸編織成鋼筋狀，可作為大型建筑物的水泥增強骨架，除了具有高強、質輕的優點外，還可耐腐蝕，可同時起到較好的抗剪切作用。

交通領域

由于芳綸纖維密度小，可耐高、低溫，并對橡膠有良好的粘附性，可作為汽車或飛機的輪胎簾子線。由芳綸纖維制成的輪胎，重量輕、輪胎薄、滾動阻力低、輪胎承載力高，還有很好的耐磨性、耐切割性及耐刺穿性，且輪胎使用過程中接地壓力重心移動小，轉向性能好，熱量容易發散，不易變形，提高了汽車的乘坐舒適性，延長了輪胎的使用壽命，并可滿足現代超音速飛機對輪胎的使用要求。

電子電氣領域

芳綸纖維具有較高的強度和模量及較低的介電系數，電磁波透過率好，在同等剛度條件下，芳綸復合材料制作的雷達天線防護罩厚度比玻璃纖維復合材料可降低30%，電磁波透過率提高10%; 芳綸與環氧、酚醛、聚酰亞胺等樹脂復合制成的層壓基板與陶瓷的線膨脹系數匹配度較高，在熱脹冷縮作用下不會引起開裂，可用于制作表面安裝技術中的特種印刷電路板，有利于電子設備的小型化和輕質化。

利用芳綸纖維強度高、耐高溫等特性，用作光纖中的“張力構件”，可保護細小而脆弱的光纖受到拉力作用時不致伸長變形，不會影響光的傳輸。芳綸纖維與碳纖維的復合產品，有良好的可加工性和半導體性，并可耐高溫，多用于制作高電壓裝置中降低電場的材料。芳綸紙經過絕緣漆浸漬后，絕緣性好，與天然云母片結合用作耐熱性電機的絕緣材料。

其他領域

芳綸纖維分子中含有大量苯環，化學穩定性好，耐腐蝕，比強度高，輕而堅牢，可用于制造海輪用和石油深井用纜繩。利用芳綸纖維耐高溫、耐疲勞等特性，以制作檔次較高的球拍、釣魚竿、雪橇、滑雪板、滑雪桿、弓箭、賽艇、高爾夫球桿等，還可用于制作運動條件苛刻的登山鞋靴、拳擊手套、賽車頭盔、賽車車體等。由于石棉對人體呼吸道有嚴重危害，可由芳綸替代石棉制成增強橡膠密封板等密封件，用于汽車制動器的襯墊和襯圈。

芳綸單向布為建筑加固提供更優解

如文章開頭所提到的不會生銹的高速公路，芳綸纖維不僅可以修路，還可造房加固，在建筑領域的地位前景十分廣闊。

對位芳綸纖維是一種新型高科技合成纖維，具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優良性能，比強度是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，在560℃的溫度下，不分解，不融化。芳綸纖維布復合材料具有高抗拉強度，比重小，良好的抗腐蝕性能，延伸性能好，絕緣性能好，韌性強抗剪強度和抗擠壓強度高，抗震性能強，本質阻燃等優異性能，可用于對橋梁、柱體、地鐵、煙囪、水塔、隧道及電氣化鐵路、海港碼頭進行維修、補強，特別適合對混凝土結構的加固與修復。

比如應用在梁上，主要是橋梁和民用建筑或工業廠房，加固的方式包括抗彎和抗剪，在進行抗彎加固時，芳綸布的纖維方向與梁的軸向一致，一般貼在梁的受拉側，以提高梁的承載能力。據有關試驗得出，只要該梁不是超筋梁，貼一層280克芳綸布可以提高承載力30％左右，貼兩層可以提高40％左右；在進行抗剪加固時，芳綸布的纖維方向與梁的軸向垂直。

芳綸布也是加固柱子的理想材料。首先，因為芳綸的彈模是118Gpa，相對于碳纖維230Gpa的彈模，芳綸的延性更好；其次，在進行棱角打磨時只需要10mm左右，一般不需要打磨，而碳纖維則需要30mm左右。相比之下，使用芳綸布可以節約很多工時。最后，由于芳綸布是一種柔軟的布，追隨性比較好，特別是對于形狀不規則的承臺，更適合應用芳綸布進行加固。

在砌體、板的加固應用方面，一般對于板的加固凈空要求比較高，而且加固后要不影響其外觀，所以用厚度很薄且柔軟的芳綸復合材料進行加固更方便。在煙囪、水塔的加固上，由于像煙囪、水塔這樣向高空發展的結構，其加固維修難度大，傳統方法基本上很難解決這樣的問題，而芳綸纖維輕質高強、耐腐蝕、耐久性能良好，會是加固煙囪、水塔更好的選擇。

在地鐵隧道的加固上，芳綸布同樣有一定的優勢，由于地鐵和隧道是一種在地下工作的結構，其受力與地面結構是不一樣的，在洞頂和洞側都有土壓力的作用，而且它也有凈空的要求，所以進行裂縫修補時，使用傳統加固方法的可能性很小，用芳綸布進行加固維修可以滿足其各方面要求。在地鐵或隧道的拱頂或側壁的裂縫一般是多向且不規則的，這就要求它的修復材料必須具有良好的抗剪性能，而且芳綸還是一種不導電的FRP材料，因此，芳綸布在隧道地鐵工程中的加固應用方面優勢還是比較突出的。

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來源：賢集網
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