芳纶浆粕纤维的结构性能与应用尤秀兰 傅 群 刘兆峰 (东华大学材料学院,上海,200051)摘 要:芳纶浆粕是芳纶的一种差别化产品,广泛用作填充、增强材料。
本文对芳纶浆粕纤维的结构、性能及应用进行了介绍,认为芳纶浆粕纤维具有良好的发展前景。
关键词:芳香族聚酰胺纤维,浆粕,应用,增强材料,进展中图分类号:TQ342.722 文献标识码:C 文章编号:1004-7093(2001)08-0027-030 引言1972年美国杜邦公司首先推出高性能材料芳纶Kelvar,即PPTA(P2Phenyleneterephthalamid)纤维,其分子结构上的酰胺基团被芳环分离且与苯环形成П共轭效应,内旋位能相当高,分子链节呈平面刚性伸直链,使其具有极高的拉伸强度(仅次于玻璃纤维、石墨纤维和PBI纤维)和优异的耐热性和韧性,同时它还有良好的耐强碱性、耐有机溶剂和耐漂白剂性能以及抗虫蛀和霉变,因此,尽管开发芳纶的初衷是用于航天,但它现已广泛用于消费纺织品和产业用纺织品[1～4],芳纶的产品规格也走向多样化、差别化。
芳纶浆粕正是近年来发展起来的芳纶差别化产品,它是20世纪80年代初美国杜邦公司首先开发出的一种高度分散性的原纤化的芳纶产品。
它的兴起主要是作为石棉的理想替代纤维而与玻璃纤维及碳纤维竞争用于密封材料、塑料增强、摩擦材料等领域,随着欧美等地区开展禁止使用石棉的环境保护运动,芳纶浆粕得到迅速发展,如荷兰Akzo公司的Twaron2Pulp1099、日本帝人公司的芳纶浆粕等[5～6]。
本文拟对目前芳纶浆粕纤维的研究现状及发展作以下综述。
收稿日期:2001-06-12作者简介:尤秀兰,女,1972年生,在读博士生。
主要从事高性能材料的研究。
1 结构与性能芳纶浆粕纤维是芳纶的一个差别化品种,化学结构与芳纶相同,因此它保留了芳纶的绝大部分的优异性能,如:耐热性、耐磨性、尺寸稳定等性能,但由于其成型工艺独特性又使其具有一些区别于芳纶长纤维的物性。
芳纶浆粕的密度为1.41～1.42,比芳纶略小,表面呈毛绒状微纤丛生,毛羽丰富,粗糙如木材浆粕,纤维轴向尾端原纤化成针尖状[7～8],这使其表面积巨大,达7m2/g～9m2/g,是纤维的十倍以上。
杜邦公司的Kevlar浆粕T2979的三种规格如表1所示[1]。
浆粕纤维的长度和直径呈一定的分布,平均长度为2mm～4mm,长径比为60～120,表面氨基含量也是纤维的十倍以上,从而使其与酰胺类的复合树脂有很好的亲和性,也能在浆粕的界面与某些树脂形成氢键,可以增强复合效果。
表1 芳纶浆粕T2979的三种规格1F3681F3561F358公称长度(mm)0.8 2.0 5.0筛网目数14(%)35(%)80(%)200(%)22233431223254045201124比表面积(m2/g)8.5～9.5 6.5～9.5 5.5～7.0 芳纶浆粕的另一个显著优于碳纤维及玻璃纤维的特点是分散混合性能良好,而且具有很好的—72—2001年第8期 产业用纺织品韧性,因此不论在如何激裂的混合加工过程都不会降低复合纤维的长径比,这一点一直是碳纤维和其他矿物纤维难以解决的问题[9]。
同时毒性试验也表明:芳纶不会对生产者和用户造成值得注意的健康危害,芳纶在温度高达400℃时仍无CO、CO2和HCN等有毒气体产生,在800℃时才可测得1%的HCN、13%CO和15%CO2产生[10]。
2 芳纶浆粕的应用芳纶浆粕纤维在工业上广泛用于造纸和制作高性能的增强复合材料及石棉替代纤维。
2.1 用于造纸[7,11～12]芳纶浆粕纤维因兼有优异的湿加工性能和增强性能而被广泛用于工业造纸。
浆粕在水中很易分散抄纸,且浆粕原纤的高长径比提供了芳纶浆粕强度,除了能够改进弹性基体的拉伸强度、模量以及抗蠕变等性能外,由于其热膨胀系数小、质轻、电性能优而适合做高级绝缘用纸及需尺寸稳定性极高的印刷集成电路板,芳纶浆粕的轻量化高密度元件,可用于卫星通信线路、高速传递回路等电子产品。
2.2 在橡胶制品中的应用通过芳纶浆粕与橡胶复合,可以将橡胶的弹性与纤维的强度、刚性有机地结合起来,得到一种新的、非常有用的工程材料,与长纤维增强材料相比,既可用于制造形状和结构复杂的工程部件,又可采用现在橡胶工业上广泛应用的挤出和传递模压工艺,无需对现有的橡胶加工设备做重大改动,从而可以大大简化橡胶制品生产工艺,提高生产的自动化和连续化,降低产品成本[13]。
其在橡胶制品中的应用主要有以下几方面[14～15]。
制造橡胶软管。
芳纶浆粕纤维橡胶复合物可以直接挤出成型,制成各中、低压管,从而大大简化生产工艺,降低产品成本,即使用于高压胶管中,也可降低编织层数和编织密度,很有经济意义。
制造动力传送带、运输带和坦克履带。
可用芳纶帘子线提供其主要的抗张强度,高模量的芳纶浆粕纤维则赋予垂直于帘子线方向的刚性,提高其纵向柔性,改善皮带与带轮之间的摩擦性能。
制造各种密封件,芳纶浆粕的加入,能显著改善橡胶基质的尺寸稳定性、耐温、耐压和抗蠕变性能,从而提高密封件的密封性能,延长其使用寿命。
制造轮胎、自行车胎,可大大改善越野车胎的抗撕裂性、降低裂纹扩散速率和疲劳生热量,提高耐磨性,延长使用寿命。
可用作导弹和火箭的耐烧蚀性绝缘材料。
由于芳纶具有不熔、高温下碳化的性能,少量芳纶浆粕纤维的存在即可提高橡胶基质的烧蚀性能。
制造各种胶辊,可以保持胶辊的尺寸稳定性。
芳纶浆粕还可用于制造各种吸能、减振、抗冲击器件。
213 用作石棉纤维替代品[16～17]石棉是一种兼有多种优异性能的无机纤维,如高抗张强度、韧性、耐热、耐化学试剂、尺寸稳定及稳定的摩擦性能等,因而被广泛用于摩擦材料、密封材料、填料等工业领域,但它的使用会引起公害,使人们不得不努力寻找替代品。
美国杜邦公司的科学家推出芳纶浆粕纤维,且从其特征、成本、制品几方面深入研究,认为芳纶浆粕的高拉伸强度、轻量化、长期的耐磨耗性及稳定的摩擦性能、高耐热性,能够满足摩擦材料对增强纤维的要求,而且加工性能良好,1kg芳纶相当于20kg石棉,在价格上也有竞争潜力,是比较理想的替代品。
目前芳纶浆粕纤维已在制动器衬片、汽车离合器及刹车片等方面得到应用。
芳纶浆粕纤维还可在密封填料、建筑、绝缘材料等领域中替代石棉纤维。
214 用作触变剂在密封材料和粘合剂工业中,要求假塑性基体在低剪切作用下具有较高的粘度,具有一定的流动阻力,而在较高的剪切作用下具有较低的粘度以便使其易泵抽甚至能够进行喷雾。
Arnold Frances等[18]报道了芳纶浆粕可作为一种新型的高性能的触变剂,与石棉相比,它的使用更具有安全性,与发烟二氧化硅相比,价格较低。
它在低剪切作用下具有优异的增稠效果,在高剪切作用下几乎和没有加入浆粕的树脂的粘度相近,并且它在很宽的温度范围内都具有这种流变性质,不受加工条件的影响,同时还提供基体很好的增强效—82— 产业用纺织品 第19卷总第131期果,因此,芳纶浆粕纤维可以作为触变剂和增强剂而应用于密封材料、粘合剂及涂料、油漆等。
3 结束语芳纶浆粕纤维及其增强复合材料工业制品,如汽车离合器衬垫、刹车片、密封垫片、高性能工程塑料、轮胎帘布等工业材料在国外已商品化,国内芳纶浆粕的应用则以航空、军用制品方面为主,但产业应用还较少,芳纶纤维及其浆粕仍处于研究开发阶段,发展较缓慢。
以后的研究工作应主要集中在如何进一步改善芳纶浆粕生产工艺,提高浆粕性能价格比,降低成本,以及控制复合材料加工过程的工艺条件以改善浆粕与基体之间的粘合性,促使芳纶浆粕应用商品化。
可以预计,随着对芳纶浆粕研究的深入,它的应用必将得到推广。
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