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對位芳綸III纜繩

返回列表 來(lái)源:華凱海洋 瀏覽量: 541 發(fā)布日期:2023-08-09 09:40:33

高性能纖維纜繩是指由高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、難燃燒、化學(xué)穩定性突出的纖維編織而成的纜繩。


而在眾多高性能纖維纜繩中,世界上達萬(wàn)噸以上規模生產(chǎn)的只有碳纖維纜繩、芳綸纜繩和超高分子量聚乙烯纖維纜繩等少數品種。


其中芳綸纜繩以其優(yōu)異的綜合性能和多樣的存在形式,使其成為目前應用比較廣、產(chǎn)量比較大的高性能纖維纜繩,在國防、航天、航空、汽車(chē)等領(lǐng)域,以及新能源開(kāi)發(fā)等方面都具有不可替代的作用。


芳綸纜繩的用途包括:衛星、防彈車(chē),火箭發(fā)動(dòng)機、輪胎骨架、剎車(chē)片和石油井平臺。


芳綸纖維纜繩具有優(yōu)異的力學(xué)性能和穩定的化學(xué)性能,大分子鏈上至少有85%的酰胺鏈(—CONH—)直接與兩個(gè)苯環(huán)相連接。全球芳綸纖維產(chǎn)能已超過(guò)8萬(wàn)噸/年,需求量超過(guò)10萬(wàn)噸/年。目前只有美、日、俄和中國等少數國家實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)。


一、芳綸簡(jiǎn)介


全稱(chēng)為“芳香族聚酰胺纖維”,芳綸纖維的品種主要有芳綸1313(間位芳綸)、芳綸1414(對位芳綸,也稱(chēng)芳綸Ⅱ),芳綸Ⅲ(對位雜環(huán)芳綸)。


1、間位芳綸——芳綸1313


芳綸1313是一種間位芳綸,最早由美國杜邦公司研制成功,并于1967年實(shí)現了工業(yè)化生產(chǎn),產(chǎn)品注冊為Nomex(諾美克斯)。

它具有長(cháng)久的熱穩定性,這是其非常重要的特性,可在200 ℃高溫下長(cháng)期使用不老化,具有非常好的尺寸穩定性。間位芳綸具有本質(zhì)阻燃性,其極限氧指數值(LOI)>28 %,在空氣中不會(huì )自燃、融化,也不會(huì )產(chǎn)生熔滴,離焰自熄。


間位芳綸的電絕緣性?xún)?yōu)良,以其制成的絕緣紙耐擊穿電壓可達20kV/mm;間位芳綸耐腐蝕性能非常優(yōu)越,耐輻射的性能也十分優(yōu)異。此外,間位芳綸還具有低剛性、高延長(cháng)性,能用常規紡織機械進(jìn)行加工。


2、對位芳綸——芳綸1414、芳綸III


對位芳綸的品種主要有芳綸1414(如美國杜邦Kevlar、日本帝人Twaron等)和芳綸III(俄羅斯Armos、中藍晨光STARAMID F-3)。


芳綸III纜繩


對位芳綸非常突出的性能是其高強度、高模量、質(zhì)量輕和突出的耐熱性。對位芳綸的綜合性能比間位芳綸1313更好。


對位芳綸的耐熱性能高于間位芳綸,在200℃高溫下經(jīng)歷上百個(gè)小時(shí),仍能保持原強度,在560℃高溫下不分解、不熔化。此外,對位芳綸還具有良好的抗沖擊、耐腐蝕和抗疲勞性能。


由于對位芳綸具有以上種種優(yōu)點(diǎn),被喻為“防彈纖維”,廣泛應用于航空航天、國防軍工、個(gè)體防護及體育休閑等領(lǐng)域。


1)對位芳綸——芳綸1414(芳綸II)


芳綸1414是一種全對位芳綸,俗稱(chēng)芳綸II。由杜邦公司在上世紀六十年代末研制成功,其商品于1972年首次問(wèn)世,定名為Kevlar(凱芙拉)。芳綸1414的發(fā)現被認為是材料界發(fā)展的一個(gè)的重要里程碑。


芳綸1414有非常高的強度,大于28克/旦,是優(yōu)質(zhì)鋼材的五~六倍,模量是鋼材或玻璃纖維的二~三倍,韌性是鋼材的兩倍,而重量?jì)H為鋼材的五分之一。(芳綸1414的強韌性也使其裁切與加工異常困難,需要昂貴的專(zhuān)用工具)。


目前芳綸1414已作為一種高技術(shù)含量的纖維材料被廣泛應用于軍事、航天航空、機電、建筑、汽車(chē)、海洋水產(chǎn)、體育用品等國民經(jīng)濟各個(gè)方面。



2)對位芳綸——芳綸III


芳綸Ⅲ是對位芳綸的一種,是一種三元共聚芳香族聚酰胺纖維,也是一種性能優(yōu)異的高技術(shù)特種纖維.因其含有雜環(huán)結構,也稱(chēng)雜環(huán)芳綸。最早由俄羅斯于上世紀1978年代由全蘇合成纖維研究院開(kāi)發(fā)成功,產(chǎn)品注冊為Armos。


芳綸III纜繩


芳綸Ⅲ位于芳綸家庭中的塔尖,其綜合性能更勝芳綸1414一籌。是國內批產(chǎn)綜合性能最優(yōu)的有機纖維。


芳綸Ⅲ具有增強、減重、拒腐蝕、抗降解、耐高溫等卓越功能特性,是支撐當代航天航空、軍事工業(yè)、生命保護等尖端產(chǎn)業(yè)的核心基礎材料和直接影響國家安全利益的戰略物資,具有廣闊的市場(chǎng)前景和迫切的現實(shí)需求。


二、芳綸生產(chǎn)工藝


以帝人芳綸Twaron(芳綸1414)為例:


Twaron的生產(chǎn)需要三種工藝:聚合、長(cháng)絲紡絲和絲束紡紗。


1、聚合


在第一階段,先將單體紡成密實(shí)的細粒聚合物粉末。該物料具有對位芳綸的主要熱性能和化學(xué)特性。然而,其不具備紗線(xiàn)或紙漿的強化特性。這種細粉末可用于增強塑料組分的特性。


2、紡絲


第二階段將聚合物溶在硫酸中,生成一種液晶溶液。隨后該溶液紡入細長(cháng)絲中,每根絲的直徑為12μm。絲的結構為100%亞晶狀,分子鏈與纖維軸平行。正式這種高趨向性分布使Twaron長(cháng)絲具有各種優(yōu)異的特性。


3、短纖


為生產(chǎn)人造短纖維或短切纖維,現將紗線(xiàn)進(jìn)行起皺處理,然后再利用整理劑進(jìn)行處理。干燥后,將纖維切割成目標長(cháng)度,然后包裝。


4、紡成漿粕


為生產(chǎn)紙漿,首先切割紗線(xiàn),然后使紗線(xiàn)懸浮在水中進(jìn)行纖維化處理。然后直接包裝并作為濕紙漿出售,或經(jīng)過(guò)脫水干燥并作為干紙漿待售。


三、芳綸纖維發(fā)展概況


1. 芳綸家族各產(chǎn)品特點(diǎn)


芳綸最具實(shí)用價(jià)值的品種有3個(gè):芳綸1313是開(kāi)發(fā)最早、產(chǎn)量最大、應用最廣,也是最有發(fā)展前途的有機耐高溫纖維,到目前為止,全球年生產(chǎn)能力已達3.1萬(wàn)t左右;芳綸1414具有高強度、高模量的特點(diǎn),素有高分子材料中的“百變金剛”之譽(yù),是當今世界高性能纖維材料的代表;芳綸III具有更優(yōu)異的綜合性能,已用于國家戰略戰術(shù)武器上,目前僅中國和俄羅斯能批量穩定生產(chǎn),但產(chǎn)量較小,約為3000~4000t/a。


高性能芳綸由于具有良好的應用性能,目前已進(jìn)入快速發(fā)展期,其中芳綸III功能最佳。因具有超高的強度、模量和耐高溫性能,以及良好的絕緣性和抗腐蝕性,芳綸III在高性能纖維中占據了領(lǐng)導地位,并被人們稱(chēng)為“芳綸纖維中的戰斗機”。


在軍事裝備現代化、民用產(chǎn)品高性能化、生產(chǎn)過(guò)程標準化、技術(shù)進(jìn)步高速化發(fā)展的今天,芳綸纖維及其增強復合材料作為戰略物質(zhì)之一,在各領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)極其重要的作用。芳綸纖維的產(chǎn)業(yè)化不僅可以帶動(dòng)原材料,可以使下游的產(chǎn)品得到更大的發(fā)揮,帶來(lái)更大的經(jīng)濟效益,但是需要研究的時(shí)間很長(cháng),涉及的學(xué)科很多,是國家綜合實(shí)力的充分體現。目前世界上做的最好的芳綸纖維是美國、日本,性能指標上是俄羅斯芳綸III纖維做的最好,用量最大的是美國和日本。芳綸纖維應用最廣泛是對位芳綸纖維,其中芳綸纖維1414(芳綸II),美國杜邦公司、日本帝人公司生產(chǎn)的為主;芳綸III(雜環(huán)芳綸),主要以俄羅斯的雜環(huán)纖維、國內以中藍晨光生產(chǎn)的STARAMID F-3為主。


2.發(fā)展現狀


芳綸1313


全球來(lái)看,芳綸1313的主要供應商依次為美國杜邦、煙臺泰和新材、日本帝人。芳綸1313主要用于制防輻射衣料、航天衣料,也用于制耐高溫衣料、蜂窩制件、高溫線(xiàn)管、飛機油箱、防火墻、反滲透膜或中空纖維等。


芳綸1414


1966年,杜邦公司生產(chǎn)出了對位芳綸即Kevlar纖維;1972年日本帝人公司生產(chǎn)出對位芳綸Conex纖維;1986年荷蘭Akzo公司生產(chǎn)出Twaron纖維;1987年日本帝人公司生產(chǎn)出Technora纖維。而我國于1972年開(kāi)始進(jìn)行芳綸的研制工作,1985年通過(guò)芳綸1414的鑒定,纖維性能已達到美國杜邦公司 Kevlar 49水平。


芳綸III


芳綸Ⅲ最早由俄羅斯于上世紀70年代開(kāi)發(fā)成功并實(shí)現商業(yè)化。最早開(kāi)發(fā)的品種為SVM,屬于二元雜環(huán)芳綸,后又開(kāi)發(fā)成功三元雜環(huán)芳綸Armos。俄羅斯芳綸III纖維,拉伸強度可達6.0GPa以上,性能優(yōu)于碳纖維T800的性能。其芳綸III纖維已成功用在最先進(jìn)的導彈布拉瓦導彈和發(fā)動(dòng)機上。


芳綸III纜繩


鑒于芳綸Ⅲ纖維的綜合性能優(yōu)異,國內于上世紀九十年代也開(kāi)始研發(fā),經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)和工程化開(kāi)發(fā),國內由中藍晨光化工研究設計院有限公司于2006年率先開(kāi)發(fā)成功,商品名為STARAMID F-3。目前STARAMID F-3已開(kāi)發(fā)出多種產(chǎn)品類(lèi)型,產(chǎn)品拉伸強度達到5.0GPa以上,拉伸彈性模量150-180GPa。中藍晨光芳綸III纖維性能居國內批產(chǎn)有機纖維之首,達到俄羅斯Rusa產(chǎn)品水平。


國產(chǎn)芳綸III的研發(fā)成功,使我國成為除俄羅斯以外第二個(gè)擁有該技術(shù)的國家,解決了這一關(guān)鍵軍用材料長(cháng)期依賴(lài)于國外進(jìn)口的現狀,具有很好的軍事與社會(huì )效益,是我國高性能纖維國產(chǎn)化的重要里程碑。


3. 發(fā)展前景


今后,我國在防護服領(lǐng)域的芳綸1313纖維用量將以每年30%以上的速度遞增,作為生產(chǎn)防護服以及其他室內裝飾用品的芳綸有色纖維用量也隨之增加,輕量汽車(chē)子午胎用簾子布和剎車(chē)片的需求正在興起,預計今后對位芳綸年需求量將以超過(guò)10%的速度增長(cháng)。隨著(zhù)我國能源工業(yè)的發(fā)展,用對位芳綸增強橡膠及熱塑性樹(shù)脂作為石油及液化天然氣的耐高壓輸送管線(xiàn)將有所發(fā)展。


目前芳綸III主要用于火箭發(fā)動(dòng)機及飛機構件領(lǐng)域,但因其具有輕質(zhì)高強、抗沖擊、耐高溫、柔韌性好、耐磨等優(yōu)異性能,使其在防彈、裝甲、輪胎、電子等領(lǐng)域有大量應用。未來(lái)隨著(zhù)芳綸Ⅲ產(chǎn)品和其應用的不斷開(kāi)發(fā),其市場(chǎng)也將不斷擴大。


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