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芳纶Ⅲ纤维,为何被称为“超级纤维”

2021-03-30 16:133560
 说到芳纶纤维,很多人不由主动的想到凯芙拉,想到芳纶1313和芳纶1414。 芳纶III虽然毕竟面世几十年了,甚至国内研制成功也有二十多年,但还是有大部分的人和少部分从事复材的人员不认识或极少了解它。
  芳纶Ⅲ(简称F3 纤维)纤维是主链由芳纶和杂环组成的一类高分子聚合物纤维,全称杂环芳香族聚酰胺纤维,又称“杂环芳纶”,被工程界誉为“超级纤维”。
  芳纶 III 纤维由对苯二胺(PPDA)、对苯二甲酰氯(TPC)和第三单体苯并咪唑基团在低温环境中进行共缩聚反应,并经湿法纺丝技术制得。相对于聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA,又称芳纶 14),在大分子主链中引入了苯并咪唑基团替代部分 PPDA 和 TPC。F3 纤维的大分子结构可以用如下结构式表示:
  一、芳纶III 的历史
  1、国外
  俄罗斯上世纪60年代后期开始芳香聚酰胺尤其是杂环芳香聚酰胺,并在上世纪70年代后期到80年代初取得较大进展,多个产品实现产业化。上世纪80年代末90年代初,俄罗斯科学家还进行Rusa芳纶(含氯-Armos)的研发,即用邻氯对苯二胺代替Armos单元中的对苯二胺。俄罗斯科学家对位芳纶CBM(SvM)、高强高模芳纶APMOC(Armos)的经验基础上,开发出新的产品Rusar。
  目前,俄罗斯生产芳纶主要厂家为卡明斯克化纤股份公司,生产SvM、Armos、Rusar、Arutek、Arus等5种型号产品。
  2、国内
  国内芳纶III 在1998 年,根据需要及军工需求,以俄罗斯同类产品Armos为参照进行研发,于2005 年由中蓝晨光率先研制成功,其商品名为STARAMID F-3。于 2006 年由四川辉腾科技有限公司投入生产实现工业化,并实现年产量高达 300 吨以上的生产能力。中蓝晨光化工研究院于2006年投产50t/a芳纶III项目。广州彩艳集团规划建设的100吨/年芳纶III生产线也于2011年开始投产。
  目前国产芳纶III 产品拉伸强度达到5.0GPa,拉伸弹性模量150-180GPa,性能居国内批产有机纤维之,达到俄罗斯Rusar 批产产品水平。
  二、芳纶III 的特点
  芳纶III纤维由于其特殊的杂环结构使其比普通对位芳纶1I具有更高的强度和模量,影响分子链的刚性,降低了分子链排布的有序性,结晶度相对芳纶II下降。纤维本身就类似一个复合体系,由结晶区和无定形区复合而成。
  芳纶III是采用第三单体(M3)部分取代对苯二胺(PPDA)与对苯一甲酰氯(TPC)进行低温溶液缩聚反应制得的三元共聚物,该反应时在强极性溶剂DMAC和助溶剂LiCl存在下进行的。芳纶III树脂原液经过纺丝、热处理制得芳纶III纤维。
  图1.  芳纶 III 纤维的生产工艺
  F3纤维的密度仅为1.43g/cm?、具有超高强/高模、高韧性、耐高低温、优异电绝缘性、耐辐照、抗腐蚀、耐疲劳、高阻燃性等特点。
  图2、芙丝特?芳纶Ⅲ的基本性能
  芳纶III与其他几种纤维的性能指标对比:
  来自英国利 兹大学的科学家得出 结论:芳纶 IIIRusa 纤维稳定性是杜邦 kevlar和帝人Twaron 的 2-2.5 倍。科学家分别将 Rusa、kevlar 和Twaron 放在沸水中煮 300小时,结果显示长时间的沸腾使kevlar和Twaron强度降低到了初始的60%,而Rusa强度仅仅降低了 10%。
  三、芳纶III 的应用
  芳纶III 由于其自身优异的性能,使之广泛应用于各行各业。
  图3.芳纶III 的应用领域
  芳纶 III 纤维具有优异的防弹性能,其高强高模,质量轻,抗冲击性好目前在防弹领域应用为广泛 。
  俄罗斯芳纶 III 产品 Rusar 已经大量用于个人防护领域,被公认为上好的防护材料之一。
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