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芳纶的应用领域有哪些?

芳纶的应用领域有哪些?

什么是芳纶

芳纶全称“芳香族聚酰胺纤维”, 指85%以上的酰胺键直接连在苯环上的长链合成聚酰胺纤维,连接酰胺键的为芳香环或芳香环的衍生物,具有阻燃、耐高温、高强度、高模量、绝缘等突出性能,是一类新型的特种高分子材料。目前,市场上有两种芳纶实现了广泛的商业化应用和生产,分别是间位芳纶和对位芳纶。

间位芳纶具有优异的热稳定性、阻燃性、电绝缘性、化学稳定性和耐辐射性。间位芳纶全称“聚间苯二甲酰间苯二胺”(MPIA)纤维,是由间苯二甲酰氯和间苯二胺合成的有机高分子纤维。间位芳纶具有长久的热稳定性,这是其最重要的特性,可在200℃高温下长期使用不老化,具有极佳的尺寸稳定性。间位芳纶具有本质阻燃性,其极限氧指数值(LOI)>28%,在空气中不会自燃、融化,也不会产生熔滴,离焰自熄。间位芳纶的电绝缘性优良,以其制成的绝缘纸耐击穿电压可达20kV/mm;间位芳纶耐腐蚀性能非常优越,耐辐射的性能也十分优异。此外,间位芳纶还具有低刚性、高延长性,能用常规纺织机械进行加工。  

对位芳纶具有高比强度、高比模量、耐高温和阻燃等优异性能,与碳纤维、高强高模聚乙烯并称为世界三大高性能纤维。对位芳纶的拉伸强度是钢丝的6倍,是玻璃纤维和高强尼龙工业丝的2~3倍;拉伸模量是钢丝和玻璃纤维的2~3倍,高强尼龙工业丝的10倍;其密度却只有钢丝的1/5左右。对位芳纶具有良好的抗冲击、耐腐蚀和抗疲劳性能,被喻为“防弹纤维”。对位芳纶的耐热性能要高于间位芳纶,在200℃高温下经历上百个小时,仍能保持原强度,在560℃高温下不分解、不熔化。在环保方面,对位芳纶结构稳定不易降解的特性也决定了其存在后期难以回收处理影响环境的问题。

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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。芳纶也可用于制作大型飞机的二次结构材料,如机舱门、窗、机翼、整流罩体表面等,可以制作机内天花板、仓壁等,可减轻其重量。

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。

它们的主要优势是具有非常强的强度和轻量,能够减少飞机整体重量,增加安全性,提高油耗效率,减少空中污染。此外,芳纶及其复合材料具有耐腐蚀性,可以确保飞机在恶劣环境下的安全性,并且不会出现积水、冻结或腐蚀等问题。

芳纶及其复合材料在航空结构设计中的未来发展趋势也非常可观。由于芳纶及其复合材料在航空结构设计中的许多优势,它们在效率和安全性方面几乎可以替代钢铁和铝材料,并且可以在结构设计和制造过程中实现更多的灵活性。此外,芳纶及其复合材料的重量也在不断减少,这将使飞机更轻,更具有空中可操控性。

军事领域

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芳纶复合材料可以制造导弹的固体火箭发动机壳、压力容器、宇宙飞船驾驶舱、潜艇、防弹装甲车、防弹运钞车、防弹板、防弹头盔、防弹衣等。

芳纶纤维与碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维并称为三大高性能纤维,在国防军工和民用工业上都有广泛的应用,是强国强军的战略物资。产品主要应用在光纤光缆、绳缆织带、骨架材料、复合材料、摩擦密封材料、纺织和防弹防护等领域,标配就是防弹衣。

        图片用芳纶纤维制成的防弹背心和防弹头盔可以取代老式尼龙背心和罐性钢盔,在防弹背心和头盔中加入适量芳纶,不仅可使其体积小、质量轻,而且防弹效能可提高40%。高档防弹芳纶无纬布与高性能聚乙烯薄膜制成的软质防弹背心,比超高分子量聚乙烯纤维具有更好的防弹性能和耐热性。芳纶纤维也可与其他材料( 如金属、陶瓷等) 复合,制成各种高强度、耐冲击的防爆罐、防弹盾牌和防弹装甲板等。此外,将芳纶纤维织物黏结在结构物的内壁,可有效吸收爆炸波,防止弹片对人体的伤害。

电子电器领域

由于我国对芳纶材料的研究起步相对较晚,但是技术发展迅速。当前研制的卫星APSTAR-2R,其使用蜂窝夹层作为天线的反射面,天线的内外蒙皮部分使用对位芳纶材料,间位使用蜂窝芳纶。在飞机雷达罩制造过程,使用对位芳纶,利用此材料良好的透波性能,同时膨胀系数较低,因此反射器频率可满足自身结构以及功能双重要求。ESA曾经研制出双色副类型反射器,其直径1.1m,在夹层结构中使用间位蜂窝结构,使用芳纶材料作为蒙皮,该结构环氧树脂温度可达25℃,介电常数为3.46,损耗因数为0.013,该种反射器传输环节反射损耗只有0.3dB,传输信号损失0.5dB。

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。

芳纶纤维在复合膜、绝缘绳/杆、断路器、制动器等电子部件领域中也有广泛应用。例如:在500kV输电线路中,使用芳纶材料制作成的绝缘绳代替绝缘吊杆当承力工具,利用绝缘绳连接丝杆,有利于促使安全系数在3以上。绝缘杆主要是使用芳纶纤维和涤纶纤维相互缠绕方式组成的结构,将其置于真空当中,并浸入到环氧树脂材料中,经固化之后形的。使用过程中具有良好的耐腐蚀性能,质量轻便、强度更高,这种材料绝缘性能良好。在110kV的线路中,使用绝缘杆的操作较为频繁,其在应用过程机械强度较高,具有良好的动态抗疲劳特征。在电器机械的制造方面,使用芳纶纤维材料可提升部件强度,防止成型换货表面磨损严重,其在电器设备中取代玻璃纤维,芳纶纤维中纤维含量为5%、长度可达6.4mm,拉伸强度为28.5MPa,耐电弧性为192s,抗冲击强度138.68J/m,因此耐磨损强度更高。

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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。

伴随着纺织品器材的类型愈来愈多,纺织行业的生产工艺也愈来愈获得了发展,芳纶布是一种开发设计早、运用广、生产量大、发展趋势快的化学纤维种类。芳纶布是一种高性能纤维织物,具有耐热、耐化学腐蚀、抗辐射、阻燃、高强度等特点。因此,它在工业、军事、消防、航空航天等领域有着广泛的应用。

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工业方面:芳纶布可以用于制作高温过滤材料、阀门包套、密封垫片等耐高温、耐腐蚀的产品。此外,在纺织、石化、电子、船舶等行业中,芳纶布也是常用的材料。

军事方面:芳纶布主要应用于制作防弹衣、防刺衣、头盔等防护用品。由于芳纶布具有优异的强度和耐热性能,可以有效地保护士兵免受子弹、炮弹等攻击。

消防方面:芳纶布可以作为防火隔离带、防火窗帘等材料。由于芳纶布自身具有阻燃性能,可以在火灾发生后起到有效的防火作用。

航空航天方面:芳纶布可以用于制作飞机座椅、航天服、降落伞等高强度、耐高温的产品。芳纶布还可以作为卫星遮阳材料、火箭隔热材料等。



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