对位芳香族聚酰胺纤维规模化生产关键技术｜上海市科学技术奖

转自：上观新闻

2022年度上海市科学技术奖

强国复兴有我

优秀创新成果展示

今年5月，科技蓝闪耀上海。期间，暌违两年的上海市科学技术奖于5月26日在上海展览中心再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。

2022年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众展示获奖成果。

本期“档案”大揭秘

项目名称：对位芳香族聚酰胺纤维规模化生产关键技术

完成单位：东华大学等

完成人：胡祖明等

奖励等级：技术发明奖一等奖

对位芳香族聚酰胺纤维，简称对位芳纶，是保障国家重大战略实施和高端装备突破的关键材料，如空间飞行器、火箭壳体结构材料，飞机地板、舱顶、座椅等，大型船舰、各类装甲等的防护板，军警防弹防护及搜排爆服等均离不开对位芳纶；也是国民经济发展急需的新材料，如高速列车、轨道交通、海洋运输、光纤光缆等均需要大量对位芳纶。对位芳纶生产核心技术与高端产品一直被美日垄断，高端产品一直处于高价进口并受制于人的状态。面对全球高性能纤维材料产能扩张和对市场份额争夺日益激烈的局面，设计开发具有自主知识产权的高强度、高模量、耐高温的对位芳纶材料，突破卡脖子技术并实现高端纤维产品稳定生产迫在眉睫。

聚合车间

对位芳纶制备过程冗长、复杂，包括低温溶液聚合制备高分子量/窄分布的对位芳纶聚合体（PPTA）、聚合体/溶剂-助溶剂的分离、聚合体在浓硫酸中的溶解、溶液脱泡、液晶纺丝、纤维功能化以及聚合用溶剂的回收精制和回用。涉及科学原理及工程技术的融合，以及关键技术与工程装备的集成。研究团队立足于国产原料，在关键技术和专用装备上取得了重大突破，建立了具有自主知识产权的对位芳纶产业化体系，建成了成套生产线。

01开发了基于釜式预聚的双螺杆连续聚合

关键技术与成套装备

制备高分子量/窄分布的PPTA聚合体是实现对位芳纶稳定化生产的决定性前提。然而，对位芳纶聚合单体活性高、反应速度快，聚合体系极易发生凝胶化而终止反应，使聚合体分子量偏低且分布较宽。项目组在深入研究PPTA聚合机理和控制方法的基础上，开发了基于釜式预聚的双螺杆连续聚合关键技术与成套装备，配套优化大直径高剪切反应器，实现了PPTA聚合体的宏量制备及聚合体分子量的稳定化、均一化控制。

纺丝机

02开发了PPTA/H2SO4固态预混、快速溶解、

高压脱泡的均匀纺丝溶液制备技术

针对高分子量PPTA在浓硫酸溶剂中难以快速溶解、溶解时间长易导致PPTA降解、溶液粘度较高难以快速脱泡等难题，发明了固态发泡硫酸溶解PPTA树脂直接制备纺丝溶液的方法及高粘度溶液的连续高压快速脱泡装置，有效减轻了PPTA在浓硫酸溶解及脱泡过程中的降解，提高了PPTA纺丝溶液的均匀性，减少了液晶纺丝的注头率，实现了PPTA的稳定液晶纺丝，提高了纤维生产合格率和产品稳定性。

纤维卷绕

03开发了干喷湿纺气隙距离稳定可控的

液晶纺丝技术，降低了纤维性能离散性

液晶纺丝气隙段（3-5毫米左右）是纤维结构成型的主要阶段，规模化制备PPTA纤维时，每块喷丝板上的不同位置及不同纺丝位喷丝板的气隙距离差异是影响纤维结构均匀性而导致纤维性能离散性较大的根本原因。研究团队设计了一种干喷湿纺喷丝板位置调节装置，精确地调整了纺丝组件的水平性，保证每块喷丝板上的不同喷丝孔及不同纺丝位喷丝板与凝固浴间的气隙距离完全一致，使液晶纺丝制得纤维的结构均匀性大幅度提高，也大大提高了不同工位生产纤维的结构和性能一致性，纤维性能离散性显著降低。

溶剂回收装置

04开发了基于分子量调控的

PPTA沉析纤维制备技术，

发明了基于未干纤维开放式微孔结构的

PPTA纤维功能化改性方法

PPTA具有优异的耐热性、化学稳定性、电绝缘性和耐磨性能，在高性能纸基复合材料和耐磨增强领域有着广泛应用。然而，PPTA在聚合过程中很容易凝胶析出，且只能溶解在浓硫酸中进行液晶纺丝，再采用短纤维打浆方法制备PPTA浆粕，生产成本高，且用于造纸时难以均匀分散，研究团队开发了基于分子量调控的PPTA溶液应用技术，发明了一种复合沉析纤维的制备方法，既保留了对位芳纶纤维的耐高温、吸湿弱的优异性能，又具有间位芳纶沉析纤维的液相分散性能和复合增强效果，有利于对位芳纶纸的工业化生产。另外，PPTA纤维高结晶、高取向、纤维表面光滑难以功能化，与增强树脂间界面粘结性能差，限制了PPTA纤维在增强复合材料中的应用，研究团队利用未干PPTA纤维中开放式微孔结构进行功能改性，直接制备高表面粘结性对位芳纶，使纤维与环氧树脂间的粘结性能较未改性纤维提高了43.8%，且纤维强度基本不降低。

产品库

05开发了新型填料溶剂萃取、溶剂/萃取剂

温度受控分离和高效溶剂精制技术

聚合溶剂的回收率高低，以及回收溶剂纯度能否达到PPTA聚合的要求，是关系到能否实现对位芳纶产业化并决定产业化成败的关键问题。研究团队开发了新型填料溶剂萃取、温度受控分离和高效溶剂精制技术，应用上述创新成果，在企业建成了十万吨级溶剂回收-精制装置，用于产业化聚合溶剂的回收与精制，溶剂回收率达99.5%以上，进一步精制后使回收溶剂纯度达99.99%，回用于PPTA聚合生产线。

经过自主研发，攻克了上百个技术/工艺难题，形成了一系列关键技术，研制了关键装备，实现了具有自主知识产权对位芳纶的稳定化、规模化和清洁化生产。研究成果已申请/授权发明专利60余项；培养博硕士研究生25名，发表相关论文百余篇；形成1项国家标准。项目整体技术处于国际先进水平。项目形成了年产6000吨芳纶纤维及年产2500吨对位芳纶浆粕和短纤维生产规模，性能赶超国外同类产品水平。产品已成功用于安全防护、光纤光缆、汽车船舶和复合材料等领域，基本满足国内市场需求，并部分出口海外，为我国国防安全、航空航天和工业建设所需关键原料的自主供给做出了重大贡献。