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芳纶纤维拉开建筑轻量化时代

文章来源：贤集网更新时间：2022-09-15 15:16:37

据日媒报道，位于德岛县阿波市阿波町天西山的别埜谷桥作为一座“永不生锈”的高速公路桥吸引了各方关注。该桥以不会被腐蚀的材料代替了钢筋，据西日本高速公路公司介绍，这是全球首次将这种新型材料投入高速公路建设，有望大幅降低维护管理费用。

报道称，用来加固混凝土的钢筋在含有盐分的风的腐蚀下可能产生剥落。西日本高速公路公司与三井住友建设公司使用了耐腐蚀、可制作防弹衣的高强度纤维材料“芳纶纤维”代替钢筋。

什么是芳纶纤维？

芳纶纤维全称为芳香族聚酰胺纤维，与碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维一起被列为我国重点发展的四大高性能纤维。它具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长、化学结构稳定、燃烧无熔滴、不产生毒气等优良性能。

芳纶纤维中实现工业化的产品主要有间位芳纶和对位芳纶两种。

对位芳纶，即聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA），我国称芳纶1414。它是世界上首例采用高分子液晶纺丝液制得的纤维，开创了高性能合成纤维的新时代。突出优点是高强度、高模量。其拉伸强度是钢丝的6倍，拉伸模量是钢丝及玻璃纤维的2~3倍，密度仅为钢丝的五分之一。主要应用于安全防护、防弹，橡胶制品增强，高强度缆绳以及石棉摩擦材料替代。

间位芳纶，即聚间苯二甲酰间苯二胺（PMTA），我国又称芳纶1313。具有优异的耐热性、耐焰性及绝缘性，主要用于防火材料和防机械损伤。常用于纤维形式的防护服、热气体过滤材料、电绝缘纸及复合材料轻量蜂窝结构。

我国芳纶纤维发展史

我国于1972年开始进行芳纶的研制工作, 并于1981年通过芳纶1313的鉴定，1985年又通过芳纶1414的鉴定。

1986～1990年，北京橡胶工业研究设计院、晨光化工研究院、上海合成纤维研究所、西安交通大学等单位共同承担了国家关于芳香族聚酰胺树脂合成、纺丝技术开发和在橡胶工业中应用的系列科研课题, 并且完成了相应的产品开发和研制工作。短短四个春秋，东华大学化纤研究所、晨光化工研究院、上海合成纤维研究所、沈阳市红星密封材料厂等单位研制和生产的对位芳纶性能就已经接近国际水平。但由于资源、成本等方面原因，我国应用的芳纶纤维大部分仍依赖于进口。

1999年, 山东烟台氨纶股份有限公司正式提出建设中国第一个芳纶1313工程项目, 并在2001年5月份引进了俄罗斯技术。经过3年艰苦的技术攻关，开发出了具有极高科技含量的20多种有色芳纶1313纤维，其产品质量可与美国杜邦等世界一流公司相媲美。与此同时，还开发了另一高端产品——芳纶绝缘纸。

七年后，我国烟台泰和新材的对位芳纶——泰普龙也推向市场。

目前国内芳纶产业化和国外相比还存在一定的差距。未来几年，国内外芳纶的市场需求还将快速增长。我国芳纶企业在未来一段时期的主要技术研发方向将是：通过共聚改性提高芳纶的性能，改善加工生产条件和降低纤维生产成本；通过表面改性处理、混杂纤维及新型成型技术使芳纶适应各种用途，提高使用性能，降低应用成本等。

芳纶纤维的生产工艺

对位芳纶纤维的合成方法

对位芳纶的主要原料是对苯二甲酰氯(TPC)和对苯二胺(PPD)。对位芳纶须在无水条件下进行缩聚反应。制备方法有：

①界面缩聚法：

将二羧酸酰氯溶解在与水不相混合的有机溶剂中, 如苯、四氯化碳等, 再将二元胺溶于水中( 水中加少量 NaCO3 或 NaOH, 以吸收反应生成的盐酸) , 然后将上述 2 种溶液混合, 再加入的瞬间, 就在 2 种液体界面上发生缩聚反应, 生成聚合体薄膜, 由于反应在界面上进行, 所以称为界面缩聚。

②低温溶液缩聚法：

是目前工艺最成熟的合成芳纶纤维的方法。目前已工业化的 Kevlar, Technoral 纤维的合成均采用此种方法。

在装有不锈钢搅拌器并通有干燥N2的玻璃聚合反应器中，加入含一定量无水LiCl和吡啶的NMP溶液, 在室温下加入粉末状对苯二胺，待溶解后，用冰水浴将溶液降到一定温度，然后加入化学计量的粉末状对苯二甲酰氯, 同时加快搅拌速度，随着反应进行，溶液粘度增大, 液面突起，数分钟后，发生爬杆现象并出现凝胶化，继续搅拌数分钟，粉碎黄色凝胶团，然后将产物静置6h以上。将所得的聚合体加少量水，粉碎过滤, 再用冷水及热水洗涤多次，以除去残留的溶剂、LiCl 、HCl 及吡啶，至洗液显中性，再将聚合物于100℃下干燥5h以上，得干燥聚合体。然后将聚合体于冷浓硫酸中混合, 再加热至75℃, 成为向列型液晶溶液，再进行纺丝。

间位芳纶纤维的合成方法

间位芳纶是由IPC和MPD缩聚而成，有低温聚合法、界面缩聚法、乳液聚合法、气相聚合法。

其中，低温聚合法和界面缩聚法比较常见。

美国杜邦公司采用低温聚合法进行缩聚，并且采用干法纺丝工艺；日本帝人公司采用界面聚合法缩聚，采用湿法纺丝工艺；山东烟台泰和新材料和广东彩艳两家国内公司均采用低温溶液聚合法缩聚，采用湿法纺丝工艺生产间位芳纶。

①低温聚合法：

在搅拌下把MPD溶解在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶剂中，冷却至0℃左右，然后在搅拌下加入 IPC，并升温到50~70℃进行反应，反应过程中会生成 HCl，反应时应加入Ca(OH)2对其进行中和，使溶液成为 DMAc-CaCl2溶液系统，对其浓度加以调整即可用于湿法纺丝。此法消耗的溶剂少，操作步骤简单，生产效率高，所以低温缩聚法被广泛采用。

②界面聚合法：

将 IPC溶于四氢呋喃(THF)溶剂中，形成有机相；将 MPD溶于碳酸钠水溶液中，形成水相，然后在强烈搅拌下把有机相加入到水相中，使有机相和水相在两相界面快速发生缩聚反应。生成的聚合物沉淀出来，经过过滤、洗涤、干燥后得到固体产物。

界面聚合法反应速度快，生成的聚合物的相对分子质量高，可以配制高质量的纺丝原液，但由于此法工艺复杂，设备要求高，从而导致投资较高。

芳纶纤维的应用领域

它在我国航空航天、汽车、机电、建筑、体育等诸多领域运用广泛，是未来生活中不可或缺的材料之一。

航空领域

芳纶纤维密度低、强度高、耐腐蚀性好，可用于制造导弹的火箭发动机壳体以及飞机、航天器的机身、主翼、尾翼等的宽频透波材料和可以承受冲击力量的结构部件。采用环氧树脂浸渍芳纶布形成芳纶预浸料，并直接与蜂窝或泡沫结构相黏结制备的多层蜂巢结构的板材，具有突出的耐冲击和电磁波透过性等特性。将芳纶与薄铝板、环氧无纬布交叠热压后形成的超混复合层板，具有极高的比模量和比强度，抗疲劳寿命是铝合金板的100倍～1000倍，可用于飞机的机身等部位。芳纶纤维制备的树脂基增强复合材料应用于飞机客体中，可使飞机总重量大大减轻。

建筑领域

芳纶纤维织物的延展性好于碳纤维，材料自身重量轻、自由度灵活，是一种理想的建筑工程加固材料，尤其是在加固不规则形状的构件时，由于其柔软度好，在加固棱角时不必做倒角。将芳纶编织成钢筋状，可作为大型建筑物的水泥增强骨架，除了具有高强、质轻的优点外，还可耐腐蚀，可同时起到较好的抗剪切作用。

交通领域

由于芳纶纤维密度小，可耐高、低温，并对橡胶有良好的粘附性，可作为汽车或飞机的轮胎帘子线。由芳纶纤维制成的轮胎，重量轻、轮胎薄、滚动阻力低、轮胎承载力高，还有很好的耐磨性、耐切割性及耐刺穿性，且轮胎使用过程中接地压力重心移动小，转向性能好，热量容易发散，不易变形，提高了汽车的乘坐舒适性，延长了轮胎的使用寿命，并可满足现代超音速飞机对轮胎的使用要求。

电子电气领域

芳纶纤维具有较高的强度和模量及较低的介电系数，电磁波透过率好，在同等刚度条件下，芳纶复合材料制作的雷达天线防护罩厚度比玻璃纤维复合材料可降低30%，电磁波透过率提高10%; 芳纶与环氧、酚醛、聚酰亚胺等树脂复合制成的层压基板与陶瓷的线膨胀系数匹配度较高，在热胀冷缩作用下不会引起开裂，可用于制作表面安装技术中的特种印刷电路板，有利于电子设备的小型化和轻质化。

利用芳纶纤维强度高、耐高温等特性，用作光纤中的“张力构件”，可保护细小而脆弱的光纤受到拉力作用时不致伸长变形，不会影响光的传输。芳纶纤维与碳纤维的复合产品，有良好的可加工性和半导体性，并可耐高温，多用于制作高电压装置中降低电场的材料。芳纶纸经过绝缘漆浸渍后，绝缘性好，与天然云母片结合用作耐热性电机的绝缘材料。

其他领域

芳纶纤维分子中含有大量苯环，化学稳定性好，耐腐蚀，比强度高，轻而坚牢，可用于制造海轮用和石油深井用缆绳。利用芳纶纤维耐高温、耐疲劳等特性，以制作档次较高的球拍、钓鱼竿、雪橇、滑雪板、滑雪杆、弓箭、赛艇、高尔夫球杆等，还可用于制作运动条件苛刻的登山鞋靴、拳击手套、赛车头盔、赛车车体等。由于石棉对人体呼吸道有严重危害，可由芳纶替代石棉制成增强橡胶密封板等密封件，用于汽车制动器的衬垫和衬圈。

芳纶单向布为建筑加固提供更优解

如文章开头所提到的不会生锈的高速公路，芳纶纤维不仅可以修路，还可造房加固，在建筑领域的地位前景十分广阔。

对位芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，比强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560℃的温度下，不分解，不融化。芳纶纤维布复合材料具有高抗拉强度，比重小，良好的抗腐蚀性能，延伸性能好，绝缘性能好，韧性强抗剪强度和抗挤压强度高，抗震性能强，本质阻燃等优异性能，可用于对桥梁、柱体、地铁、烟囱、水塔、隧道及电气化铁路、海港码头进行维修、补强，特别适合对混凝土结构的加固与修复。

比如应用在梁上，主要是桥梁和民用建筑或工业厂房，加固的方式包括抗弯和抗剪，在进行抗弯加固时，芳纶布的纤维方向与梁的轴向一致，一般贴在梁的受拉侧，以提高梁的承载能力。据有关试验得出，只要该梁不是超筋梁，贴一层280克芳纶布可以提高承载力30％左右，贴两层可以提高40％左右；在进行抗剪加固时，芳纶布的纤维方向与梁的轴向垂直。

芳纶布也是加固柱子的理想材料。首先，因为芳纶的弹模是118Gpa，相对于碳纤维230Gpa的弹模，芳纶的延性更好；其次，在进行棱角打磨时只需要10mm左右，一般不需要打磨，而碳纤维则需要30mm左右。相比之下，使用芳纶布可以节约很多工时。最后，由于芳纶布是一种柔软的布，追随性比较好，特别是对于形状不规则的承台，更适合应用芳纶布进行加固。

在砌体、板的加固应用方面，一般对于板的加固净空要求比较高，而且加固后要不影响其外观，所以用厚度很薄且柔软的芳纶复合材料进行加固更方便。在烟囱、水塔的加固上，由于像烟囱、水塔这样向高空发展的结构，其加固维修难度大，传统方法基本上很难解决这样的问题，而芳纶纤维轻质高强、耐腐蚀、耐久性能良好，会是加固烟囱、水塔更好的选择。

在地铁隧道的加固上，芳纶布同样有一定的优势，由于地铁和隧道是一种在地下工作的结构，其受力与地面结构是不一样的，在洞顶和洞侧都有土压力的作用，而且它也有净空的要求，所以进行裂缝修补时，使用传统加固方法的可能性很小，用芳纶布进行加固维修可以满足其各方面要求。在地铁或隧道的拱顶或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的，这就要求它的修复材料必须具有良好的抗剪性能，而且芳纶还是一种不导电的FRP材料，因此，芳纶布在隧道地铁工程中的加固应用方面优势还是比较突出的。

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