芳綸紙基復(fù)合材料的研究進展

芳綸紙基復(fù)合材料的研究進展

1芳綸纖維紙的特征選擇銀倫紙基材料（以下簡稱銀倫紙）是制造飛機雷達防護的理想材料。使用芳綸纖維紙制造的蜂窩材料,可大幅度提高飛機構(gòu)件剛度、減輕質(zhì)量并可滿足透波性能等特種功能要求。采用芳綸纖維及它與吸波性能優(yōu)異的碳纖維、寬頻透波性能優(yōu)良的石英纖維等無機纖維混雜制作紙基材料,可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化的要求。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.1結(jié)構(gòu)材料的隱身技術(shù)芳綸紙制備技術(shù),目前只有美國杜邦公司和日本帝人公司等少數(shù)企業(yè)能生產(chǎn)。美國杜邦公司早在20世紀60年代末就開發(fā)出Nomex芳綸紙,Nomex芳綸紙410的典型力學(xué)性能見表1,典型電氣性能見表2。由于該材料具有較高的強度和模量,被廣泛用于飛機雷達罩、側(cè)翼、進氣口、機窗以及艙門等輕質(zhì)次受力結(jié)構(gòu)部件中。進入90年代后,隨著戰(zhàn)爭格局向信息化的演變,各種新型雷達、先進探測器以及精確制導(dǎo)武器的問世,對軍用飛行器構(gòu)成了極為嚴重的威脅。提高武器的精確制導(dǎo)并有效地躲避敵方雷達的探測,提高飛行器的生存力和戰(zhàn)斗力,對于戰(zhàn)爭的勝負具有決定性作用。而隱身技術(shù)中的關(guān)鍵之一便是結(jié)構(gòu)材料的隱身。由于芳綸紙質(zhì)輕、寬頻透波性好、高強、高模,國外大多采用以芳綸紙為芯材的蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料來制作隱身材料,并且在新型飛行器上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,如B-2轟炸機的機翼蒙皮就采用了此類材料。2.2國內(nèi)芳綸纖維的研究與開發(fā)現(xiàn)狀以前的蜂窩結(jié)構(gòu)芯材主要以玻璃布或鋁為原料。由于芳綸紙具有優(yōu)異的特性,使之在航空航天技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用,進而部分取代了玻璃布或鋁材蜂窩結(jié)構(gòu)芯材。北京航空材料研究院于1981年開始芳綸紙蜂窩結(jié)構(gòu)芯材的研制,并引進了先進的蜂窩結(jié)構(gòu)芯材關(guān)鍵加工設(shè)備,使芳綸紙蜂窩結(jié)構(gòu)芯材國產(chǎn)化,已應(yīng)用于生產(chǎn)眾多軍機和正在研制的新型戰(zhàn)機中。但是真正用作航空航天蜂窩結(jié)構(gòu)芯材的芳綸紙在國內(nèi)基本上是空白。我國自70年代以來,對芳綸紙開展了大量研制工作。直到20世紀末,國內(nèi)的芳綸纖維、漿粕質(zhì)量仍難以滿足抄造蜂窩復(fù)合結(jié)構(gòu)用芳綸紙的要求。通過近三個五年計劃對芳綸紙的攻關(guān),在制造工藝和產(chǎn)品性能上有了很大提高,積累了一定經(jīng)驗,能滿足強度要求不高領(lǐng)域的使用要求。近年來,國內(nèi)中藍晨光化工研究院以及東華大學(xué)等單位開展了芳綸纖維的開發(fā)及研制工作,但只停留在實驗室階段,離形成產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品還有相當(dāng)遙遠的距離。同時國內(nèi)相關(guān)企業(yè),如山東煙臺氨綸股份有限公司與廣東新會艷彩公司等一些紡織企業(yè)積極開展芳綸纖維的生產(chǎn)研究工作,特別是煙臺氨綸公司另辟蹊徑,在國家的大力支持下,于2001年花巨資引進國外先進技術(shù),該公司年產(chǎn)500t的芳綸1313產(chǎn)業(yè)化工程已經(jīng)于2004年順利投產(chǎn),成為我國最大的芳綸纖維生產(chǎn)基地。陜西科技大學(xué)在煙臺氨綸股份有限公司完成國家“十五”科技攻關(guān)項目“芳綸1313纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)”的基礎(chǔ)上,與其共同承擔(dān)該項目的子項目“芳綸1313纖維造紙技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)”,現(xiàn)已順利完成中試工作,在抄紙和熱壓兩個關(guān)鍵技術(shù)上取得了很大進展,完全能滿足絕緣用芳綸紙的技術(shù)要求。3纖維形態(tài)、尺寸芳綸紙由兩種形態(tài)纖維經(jīng)濕法抄紙工藝成紙,經(jīng)熱壓工藝后成型,兩種纖維分別為:短切纖維和沉析纖維。短切纖維由連續(xù)長絲切成的短段纖維。每根都具有相同形狀和近似尺寸。其直徑約0.01mm,長度約6.3mm。以縱橫交錯紊亂散布于紙頁中,起著增強作用,使紙具有較高機械強度和抗撕性能。沉析纖維采用特殊方法制成,是不規(guī)則的類似植物纖維紙漿形成的微段。長1～7mm,長寬比為50～1000,形如撕碎的薄膜條帶或拉斷的亂絲。它可單獨成紙,賦予紙頁以紙的通性。兩種纖維的電鏡圖見圖1。芳綸短切纖維常用芳綸樹脂經(jīng)干噴濕紡而成,而沉析纖維用芳綸樹脂經(jīng)沉析機沉析而成。3.1有機溶劑配制間苯二甲酰氯是無色或微黃色結(jié)晶,熔點43～44℃,沸點276℃,相對密度1.388(73℃),遇水和醇分解,溶于乙醚等有機溶劑。其制法常用氯化亞砜法,以間苯二甲酸與氯化亞礬反應(yīng)制得,其反應(yīng)簡式為:3.2水、酒精、丙酮、微水溶液的配制間苯二胺是白色針狀結(jié)晶,熔點65℃,沸點285℃,相對密度1.139(20℃),溶于水、酒精、氯仿、丙酮、微溶于醚。其制法常用間二硝基苯鐵粉還原法,以鐵粉和鹽酸將間二硝基苯還原制得,其反應(yīng)簡式為:3.3聚合物的制備芳綸1313的聚合常用界面縮聚法,將間苯二胺溶于含有少量醇接收劑(三乙胺或碳酸鈉)的水中,成為水相;另將間苯二甲酰氯溶于四氫呋喃中,成為有機相;然后在室溫下將兩相劇烈攪拌,于是縮聚反應(yīng)就在接觸界面上發(fā)生,只要幾分鐘,反應(yīng)即可完成;將反應(yīng)產(chǎn)物過濾、洗滌、干燥,即得所需聚合物?？s聚的反應(yīng)式為:4芳倫紙技術(shù)的開發(fā)4.1纖維表面處理技術(shù)芳綸紙在成紙過程中芳綸纖維之間的結(jié)合較差,可對纖維進行等離子體改性來增大接觸界面,提高纖維之間物理嵌合力。4.2材料染色長度對接枝長度的影響芳綸纖維對水的潤濕性較差,使其在水相中的分散比較困難。此外,為得到高強度的芳綸紙,芳綸短切纖維必須具有足夠的長度,但纖維加長在水介質(zhì)中更易于絮聚,給材料抄造成形帶來更大的困難。為解決這些相互制約的技術(shù)要求,可以通過對纖維表面進行適當(dāng)?shù)牡蜏氐入x子體處理,以及選擇高效的分散助劑和適當(dāng)?shù)乃苄愿叻肿泳酆衔?提高纖維對水的浸潤性以及降低水相體系的表面張力,改善纖維在水相中的絮聚情況。4.3紙頁映射技術(shù)芳綸纖維紙頁成型的優(yōu)劣是本課題研究的關(guān)鍵,成型工藝及裝備必須滿足該特種長纖維的成紙均勻度、縱橫向分布、z向結(jié)構(gòu)等一系列技術(shù)指標要求。4.4熱壓工藝條件對芳綸紙的物理力學(xué)性能的影響芳綸紙成形之后,纖維之間的結(jié)合力很小,材料中的缺陷較多。因此,成形的芳綸紙還必須經(jīng)過熱壓使芳綸沉析纖維熔融將芳綸短切纖維粘結(jié)在一起,減少纖維之間的空隙,提高纖維之間的結(jié)合力才有可能得到高強度的芳綸紙。而在相同的熱壓工藝條件下,芳綸纖維、芳綸沉析纖維的配比以及纖維幾何形狀均會影響到最終芳綸紙的物理力學(xué)性能。如何根據(jù)短切纖維與沉析纖維