Stato di ricerca e progresso delle fibre aramide

Questo documento fornisce una panoramica delle fibre aramidiche, tra cui la loro classificazione, proprietà e tendenze di sviluppo industriale in Cina e a livello globale. Discute anche i principali metodi di produzione utilizzati per produrre fibre di aramidi ed esplora recenti ricerche sulle loro tecniche di modifica della superficie. Vari metodi di modifica fisica (come trattamento ad ultrasuoni, trattamento al plasma, radiazioni ad alta energia, irradiazione UV e rivestimenti superficiali) e metodi di modifica chimica (compresi l'attacco superficiale, l'innesto di superficie, la modifica supercritica dell'anidride carbonica e le tecniche di complessazione) sono rivisti in dettaglio) . Inoltre, vengono esaminate le principali aree di applicazione delle fibre di aramidi e le prospettive di sviluppo future sono discusse in relazione all'attuale stato del settore della produzione di fibre aramidi cinesi.

1.Introduzione

Le fibre di aramidi, chimicamente note come poli (p-fenilene terephtalamide) (PPTA), furono sviluppate per la prima volta alla fine degli anni '60 e successivamente industrializzate. Oggi, la produzione di fibre aramide è principalmente concentrata negli Stati Uniti, in Giappone e in Europa. La Cina ha iniziato la ricerca sperimentale sulle fibre di aramidi negli anni '80 e ha gradualmente accumulato una preziosa esperienza industriale, stabilendo infine linee di produzione nazionali.

Rispetto ad altre fibre industriali ad alte prestazioni,Rinforzi di fibre aramidi mostra proprietà eccezionali, tra cui:

• Alta resistenza e modulo elevato,
• Resistenza al calore eccezionale,
• Resistenza chimica superiore (resistenza all'acido e alcalino),
• Ottimo isolamento elettrico,
• Caratteristiche leggere, che le rendono adatte alle applicazioni aerospaziali e di difesa.

Le fibre aramidiche sono ampiamente utilizzate in materiali da costruzione, elettronica, attrezzatura protettiva (come giubbotti antiproiettile), trasporti, applicazioni militari e ingegneria aerospaziale.

2.Tipi e proprietà delle fibre aramidiche

2.1 Classificazione delle fibre aramidiche

Le fibre aramidiche possono essere classificate nelle seguenti categorie in base alla loro struttura molecolare:

• Fibre para-aramide (PPTA,Aramid 1414)
• Fibre meta-aramide (pMia,Aramid 1313)
• Fibre orto-aramide
• Fibre aramidali eterocicliche (contenente eteroatomi di azoto, ossigeno o zolfo nelle loro catene polimeriche)

Tra questi, i più utilizzati nelle applicazioni industriali sono:

• Fibre para-aramide (tipo Kevlar, PPTA, Aramid 1414)
• Fibre meta-aramide (Nomex-Type, PMIA, Aramid 1313)

2.2 Proprietà delle fibre aramide

Le fibre aramidiche superano molte fibre convenzionali come fili di nylon, poliestere e acciaio in vari aspetti:

Queste proprietà ad alte prestazioni rendono indispensabili le fibre di aramidi per le industrie che richiedono materiali leggeri e durevoli.

3. Tendenze di sviluppo globale e domestico

3.1 Tendenze globali di produzione e mercato

2014: la produzione globale di fibre aramide ha raggiunto 120.200 tonnellate

Para-aramide: 76.800 tonnellate

Meta-aramide: 43.400 tonnellate

2020 (stimato): domanda globale che dovrebbe raggiungere 220.000 tonnellate

2016: il valore globale di mercato delle fibre Aramid è stato di $ 40,47 miliardi, con un tasso di crescita annuale del 2,24%.

2023 (previsto): il valore di mercato globale può superare $ 49 miliardi.

3.2 principali produttori globali

DuPont (USA)-Il principale produttore della serie Kevlar (Kevlar-29, Kevlar-49, Kevlar-49AP)

Teijin (Giappone) - Produttore di Twaron e Technora

Kolon (Corea del Sud)-Presenza in espansione nelle fibre ad alte prestazioni

3.3 Sviluppo in Cina

La Cina ha iniziato la produzione commerciale di fibre aramide nel 2004, con Yantai Spandex (ora taihe nuovi materiali) che ha raggiunto la produzione in scala industriale di fibre meta-aramide.

2011: i nuovi materiali di Taihe hanno iniziato a produrre fibre di paramidi, diventando il principale produttore domestico della Cina.

2016: la produzione in fibra aramidica cinese ha raggiunto 13.000 tonnellate, rappresentando l'11% del mercato globale.

Piani futuri:

I nuovi materiali di Taihe mirano ad aumentare la produzione di paramidi a 12.000 tonnellate entro il 2022.

La Cina deve ancora affrontare sfide tecnologiche a causa delle restrizioni internazionali sulle tecniche di produzione in fibra ad alte prestazioni.

4. Metodi di produzione delle fibre aramidiche

4.1 polimerizzazione della soluzione a bassa temperatura

Il metodo industriale più utilizzato.

Comprende la reazione di p-fenilene diammina (PPD) con cloruro di terefthaloil (TCL) in un sistema di solvente a bassa temperatura.

Utilizzato da DuPont (USA), Teijin (Giappone) e Taihe New Materials (Cina).

4.2 Metodi alternativi (sperimentale)

Polimerizzazione interfacciale

Policondensazione diretta

Polimerizzazione in fase vapore

Transesterificazione

Questi metodi alternativi sono ancora in fase di ricerca e non sono stati industrializzati a causa di limiti tecnici.

5. Tecniche di modifica della superficie

Poiché le fibre aramidiche hanno una bassa reattività superficiale e una scarsa adesione, vengono impiegati vari metodi di trattamento superficiale per migliorare la loro compatibilità nei materiali compositi.

5.1 Metodi di modifica fisica

• Trattamento ad ultrasuoni: migliora la rugosità delle fibre per una migliore adesione.
• Trattamento al plasma: altera le proprietà superficiali, migliorando il legame.
• Radiazioni ad alta energia (gamma/raggi X)-Aumenta la reattività delle fibre.
• Irradiazione UV: introduce gruppi contenenti ossigeno per migliorare l'adesione.
• Rivestimento di superficie - I rivestimenti polimerici migliorano la compatibilità con le matrici composite.

5.2 Metodi di modifica chimica

• Incisione di superficie (ad es. Trattamento dell'acido fosforico)-Migliora l'adesione della matrice di fibre.
• Innesto di superficie: aggiunge gruppi funzionali per un legame migliorato.
• Modifica del CO₂ supercritico - altera la chimica della superficie usando CO₂ come mezzo di reazione.
• Trattamento di complessazione (EG, CACL₂, LICL) - Modifica il legame idrogeno per migliori prestazioni.

6. Aree di applicazione chiave

Elettronica e isolamento elettrico - utilizzato nei circuiti stampati (PCB), motori e trasformatori.

Industria automobilistica - Applicato in gomme, pastiglie dei freni e cinture rinforzate.

Aerospaziale - Utilizzato in ali di aeromobili e componenti strutturali leggeri.

Difesa e sicurezza - Essenziale per giubbotti antiproiettile, caschi e guanti protettivi.

Costruzione - rafforza le strutture in cemento e composito rinforzate.

7. Conclusione e prospettive future

L'industria delle fibre aramide cinesi è ancora in fase di crescita, che richiede progressi nelle tecniche di produzione, il controllo della polimerizzazione e i metodi di modifica della superficie. Con investimenti e ricerche continue, la Cina dovrebbe diventare uno dei principali attori nel mercato globale delle fibre aramide nei prossimi anni.

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