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芳綸纖維拉開建筑輕量化時代
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2022-09-15 15:16:37
據(jù)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(guān)注。該橋以不會被腐蝕的材料代替了鋼筋，據(jù)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(shè)，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(fēng)的腐蝕下可能產(chǎn)生剝落。西日本高速公路公司與三井住友建設(shè)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(fā)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(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、燃燒無熔滴、不產(chǎn)生毒氣等優(yōu)良性能。


芳綸纖維中實現(xiàn)工業(yè)化的產(chǎn)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(chuàng)了高性能合成纖維的新時代。突出優(yōu)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(yīng)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(yōu)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(fù)合材料輕量蜂窩結(jié)構(gòu)。


我國芳綸纖維發(fā)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(yè)研究設(shè)計院、晨光化工研究院、上海合成纖維研究所、西安交通大學(xué)等單位共同承擔(dān)了國家關(guān)于芳香族聚酰胺樹脂合成、紡絲技術(shù)開發(fā)和在橡膠工業(yè)中應(yīng)用的系列科研課題, 并且完成了相應(yīng)的產(chǎn)品開發(fā)和研制工作。短短四個春秋，東華大學(xué)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(chǎn)的對位芳綸性能就已經(jīng)接近國際水平。但由于資源、成本等方面原因，我國應(yīng)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(shè)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(shù)。經(jīng)過3年艱苦的技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出了具有極高科技含量的20多種有色芳綸1313纖維，其產(chǎn)品質(zhì)量可與美國杜邦等世界一流公司相媲美。與此同時，還開發(fā)了另一高端產(chǎn)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(nèi)芳綸產(chǎn)業(yè)化和國外相比還存在一定的差距。未來幾年，國內(nèi)外芳綸的市場需求還將快速增長。我國芳綸企業(yè)在未來一段時期的主要技術(shù)研發(fā)方向?qū)⑹牵和ㄟ^共聚改性提高芳綸的性能，改善加工生產(chǎn)條件和降低纖維生產(chǎn)成本；通過表面改性處理、混雜纖維及新型成型技術(shù)使芳綸適應(yīng)各種用途，提高使用性能，降低應(yīng)用成本等。


芳綸纖維的生產(chǎn)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(yīng)。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(yīng)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(fā)生縮聚反應(yīng), 生成聚合體薄膜, 由于反應(yīng)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(yè)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(yīng)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(xué)計量的粉末狀對苯二甲酰氯, 同時加快攪拌速度，隨著反應(yīng)進行，溶液粘度增大, 液面突起，數(shù)分鐘后，發(fā)生爬桿現(xiàn)象并出現(xiàn)凝膠化，繼續(xù)攪拌數(shù)分鐘，粉碎黃色凝膠團，然后將產(chǎn)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(nèi)公司均采用低溫溶液聚合法縮聚，采用濕法紡絲工藝生產(chǎn)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(yīng)，反應(yīng)過程中會生成 HCl，反應(yīng)時應(yīng)加入Ca(OH)2對 其進行中和，使溶液成為 DMAc-CaCl2溶液系統(tǒng)， 對其濃度加以調(diào)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(chǎn)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(fā)生縮聚反應(yīng)。生成的聚合物沉淀出來，經(jīng)過過濾、洗滌、干燥后得到固體產(chǎn)物。


界面聚合法反應(yīng)速度快，生成的聚合物的相對分子質(zhì)量高，可以配制高質(zhì)量的紡絲原液，但由于此法工藝復(fù)雜，設(shè)備要求高，從而導(dǎo)致投資較高。



芳綸纖維的應(yīng)用領(lǐng)域


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


航空領(lǐng)域


芳綸纖維密度低、強度高、耐腐蝕性好，可用于制造導(dǎo)彈的火箭發(fā)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(jié)構(gòu)部件。采用環(huán)氧樹脂浸漬芳綸布形成芳綸預(yù)浸料，并直接與蜂窩或泡沫結(jié)構(gòu)相黏結(jié)制備的多層蜂巢結(jié)構(gòu)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(huán)氧無緯布交疊熱壓后形成的超混復(fù)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(fù)合材料應(yīng)用于飛機客體中，可使飛機總重量大大減輕。


建筑領(lǐng)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(guī)則形狀的構(gòu)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(zhì)輕的優(yōu)點外，還可耐腐蝕，可同時起到較好的抗剪切作用。


交通領(lǐng)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(zhuǎn)向性能好，熱量容易發(fā)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(xiàn)代超音速飛機對輪胎的使用要求。


電子電氣領(lǐng)域


芳綸纖維具有較高的強度和模量及較低的介電系數(shù)，電磁波透過率好，在同等剛度條件下，芳綸復(fù)合材料制作的雷達天線防護罩厚度比玻璃纖維復(fù)合材料可降低30%，電磁波透過率提高10%; 芳綸與環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺等樹脂復(fù)合制成的層壓基板與陶瓷的線膨脹系數(shù)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(shù)中的特種印刷電路板，有利于電子設(shè)備的小型化和輕質(zhì)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(gòu)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(fù)合產(chǎn)品，有良好的可加工性和半導(dǎo)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(jīng)過絕緣漆浸漬后，絕緣性好，與天然云母片結(jié)合用作耐熱性電機的絕緣材料。


其他領(lǐng)域


芳綸纖維分子中含有大量苯環(huán)，化學(xué)穩(wěn)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(yōu)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(lǐng)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(yōu)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(fù)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(zhì)阻燃等優(yōu)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(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)。


比如應(yīng)用在梁上，主要是橋梁和民用建筑或工業(yè)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(cè)，以提高梁的承載能力。據(jù)有關(guān)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(jié)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(guī)則的承臺，更適合應(yīng)用芳綸布進行加固。


在砌體、板的加固應(yīng)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(fù)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(fā)展的結(jié)構(gòu)，其加固維修難度大，傳統(tǒng)方法基本上很難解決這樣的問題，而芳綸纖維輕質(zhì)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(yōu)勢，由于地鐵和隧道是一種在地下工作的結(jié)構(gòu)，其受力與地面結(jié)構(gòu)是不一樣的，在洞頂和洞側(cè)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(tǒng)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(cè)壁的裂縫一般是多向且不規(guī)則的，這就要求它的修復(fù)材料必須具有良好的抗剪性能，而且芳綸還是一種不導(dǎo)電的FRP材料，因此，芳綸布在隧道地鐵工程中的加固應(yīng)用方面優(yōu)勢還是比較突出的。

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