芳纶纤维全称为聚苯二甲酰苯二胺,与碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维并称世界三大高性能纤维,相对密度小、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、绝缘性,被广泛应用在军事、航空航天、电子电器、交通运输、建筑、医疗等领域。
芳纶纤维是人工合成的芳香族聚酰胺纤维,由酰胺键互相连接芳香环(Ar-CONH-Ar)所构成的合成型线型高分子聚合物(至少有85%的酰胺键直接连接在2个芳环上)制成的纤维,主链由芳香环和酰胺键构成,芳环结构刚性高,聚合物链呈伸展状态形成棒状结构;同时线性结构的分子链式使得芳纶纤维空间利用率高,故单位体积可容纳的聚合物多因此强度较高。区别于普通柔性聚合物分子链,对位芳纶纤维的主链结构主要由苯环对位而成的棒状分子结构构成,由于大共轭的苯环存在,分子链段难以发生内旋转,从而呈现一种线性刚性结构。
芳纶纤维按分子结构大致分主要有四种,对聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)、含杂原子的杂环芳族聚酰胺纤维、邻位芳纶的全芳族聚酰胺纤维,被应用较多的是PPTA和PMIA。
对位芳纶(PPTA)。对位芳纶的性能取决于它的内部结构。大分子主链是酰胺键与苯环交替而成的线性分子结构,酰胺键与苯环基团形成共轭结构,内旋转困难,从而呈现一种刚性结构,决定了芳纶纤维的高强度。大分子链通过氢键形成交联网状结构,分子主链排列规整性较好,沿纤维轴向呈现高度取向,结晶度高,在纺丝过程中可达到伸展链结构实现高模量。
对位芳纶具有高强度、高弹性模量、耐高温、耐酸耐碱、重量轻等特性。强度为钢丝的5~6倍、玻纤的3倍、高强尼龙工业丝的2倍,模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍、高强尼龙工业丝的10倍,韧性是钢丝的2倍,重量仅为钢丝的1/5左右。560℃下不分解,不熔融。200℃经100h后,强度保持率仍在75%以上,160℃经过500h后,仍能保持原强度的95%左右。阻燃性方面,对位芳纶的极限氧指数在30%左右,属于难燃纤维。
对位芳纶的应用主要集中在汽车增强与结构材料、航空航天工业、军事防护装备、光学纤维保护增强,以及轮胎、橡胶增强等领域。
图 PPTA
间位芳纶(PMIA)。间位芳纶中的单体是1,3-苯二胺和1,3-苯二酸,大分子呈锯齿状排列,赋予了间位芳纶分子链柔性的优点,玻璃化转变温度较高,因此具有优异的耐高温、阻燃和绝缘性能,是一种综合性能优良的耐高温特种纤维,同时具有优异的热稳定性,可在220℃使用十年以上,240℃下受热1000h,机械强度仍保持原有的65%,在370℃以上才分解出少量气体。具有阻燃性,高温燃烧时表面碳化,不助燃,不产生熔滴。具有电绝缘性,具有可纺性、化学稳定性和耐辐射性。抗辐射性能优良,实验表明,其在50kV的X射线连续照射250h后,仍能保持原有强度的49%。
间位芳纶被应用在各个领域,如环境保护、航空航天、高温防护、耐高温工业用纸、高温过滤毡和过滤袋、高温传送带等。
图 PMIA
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