芳綸纖維的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

孫曉婷，郭　亞

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071)

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芳綸纖維的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

孫曉婷，郭亞

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東青島 266071)

介紹了芳綸纖維的品種和性能，闡述了芳綸纖維在國內(nèi)外的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，并對目前國內(nèi)芳綸纖維存在的問題作了分析，展望了芳綸纖維的發(fā)展趨勢。

芳綸纖維性能研究現(xiàn)狀應(yīng)用

0　引言

芳綸纖維(Aramid fiber)，又稱芳香族聚酰胺纖維，是一種新型高科技合成纖維，與普通錦綸同屬酰胺類纖維，大分子主鏈中均含有酰胺鍵，不同的是錦綸的酰胺鍵與脂肪基相連，而芳綸的酰胺鍵則與苯環(huán)相連。芳綸纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐酸堿、重量輕以及較好的絕緣性和抗老化性等特點(diǎn)，其強(qiáng)度是鋼絲的5倍～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2倍～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，常被用作制備高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)體，在高性能纖維中占有重要地位[1，2]。

表1　芳綸與其它幾種工業(yè)絲性能對比[3]

1　芳綸纖維的品種和性能

芳綸纖維主要包括全芳香族聚酰胺纖維和雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維兩種，可分為鄰位芳綸、對位芳綸(PPTA)和間位芳綸(PMTA)三種，其中實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的產(chǎn)品主要有間位芳綸和對位芳綸兩種[4]。其中這兩大類芳綸的主要區(qū)別在于酰胺鍵與苯環(huán)上的C原子的連接位置不同(圖1)。

圖1　間位芳綸和對位芳綸的分子式

1.1對位芳綸

對位芳綸，即聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)纖維，我國稱芳綸1414，分子鏈中85%以上的酰胺鍵直接鍵合在芳香環(huán)上的線性高分子聚合物[5]。對位芳綸主要有美國杜邦的Kevlar纖維、日本帝人公司的Twaron和Technora纖維、煙臺泰和新材的Taparan(泰普龍)纖維等。它是世界上首例采用高分子液晶紡絲液制得的纖維，開創(chuàng)了高性能合成纖維的新時代。

在現(xiàn)有的高性能纖維中，對位芳綸是綜合性能最好的纖維之一，其最突出的特點(diǎn)是高強(qiáng)、高模和耐高溫。以凱夫拉(Kevlar)纖維為例，其強(qiáng)度為鋼絲的3倍，滌綸工業(yè)絲的4倍；初始模量為滌綸工業(yè)絲的4倍～10倍，尼龍的10倍[6]。幾種對位芳綸的力學(xué)性能如表2。

表2　幾種對位芳綸的力學(xué)性能

對位芳綸具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和熱分解溫度(表3)，熱穩(wěn)定性好，在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度；纖維的極限氧指數(shù)(LOI)較高，阻燃性好。實(shí)驗(yàn)測得對位芳綸在150℃下的收縮率為0，260℃高溫下仍可保持原強(qiáng)度的65%，并且短時間暴露在300℃的環(huán)境中，纖維的力學(xué)性能幾乎不受影響，低溫下不會發(fā)生脆化和降解[7]。

表3　對位芳綸的熱性能和燃燒性能

盡管對位芳綸具有多種優(yōu)異性能，也存在一些不足之處。由于對位芳綸分子間作用力較弱，纖維表面缺少活性基團(tuán)，導(dǎo)致其壓縮強(qiáng)度和壓縮模量低，纖維與樹脂界面的黏結(jié)強(qiáng)度低。對位芳綸分子結(jié)構(gòu)中存在酰胺基等極性基團(tuán)，纖維吸濕性差，吸濕后，由于水分子的入侵破壞了分子間的氫鍵作用，使纖維強(qiáng)度下降，復(fù)合材料的彎曲性能、壓縮性能均降低。此外，對位芳綸不耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，耐光性、耐紫外性能均較差[8]。

1.2間位芳綸

間位芳綸，即聚間苯二甲酰間苯二甲胺(PMTA)纖維，我國又稱芳綸1313，最早是由美國杜邦公司研制成功的Nomex，并于1967年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還有日本帝人的Conex，煙臺泰和新材的Tametar(泰美達(dá))等。間位芳綸是有機(jī)耐高溫纖維中發(fā)展最快的晶種，纖維分子由酰胺基團(tuán)相互連接間位苯基構(gòu)成，分子鏈呈線性鋸齒狀，由于分子間具有較強(qiáng)的氫鍵作用，纖維具有優(yōu)異的阻燃性、熱穩(wěn)定性、耐輻射等性能[9]。

間位芳綸屬難燃纖維，在空氣中不會自燃或融化，離開火焰后會自熄。纖維遇高溫時，會迅速膨脹碳化，形成隔熱層，能阻擋熱量的傳遞，起到有效的保護(hù)作用。在250℃以上高溫中連續(xù)長時間使用后，仍具有較高的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。在350℃以下不會發(fā)生明顯的分解和碳化。當(dāng)溫度超過400℃時，纖維逐漸發(fā)脆、炭化直至分解，但是不會產(chǎn)生熔滴[10]。間位芳綸介電常數(shù)很低，在低溫、高溫、高濕條件下均能保持優(yōu)良的電絕緣性，是全球公認(rèn)的最佳絕緣材料。間位芳綸織物具有優(yōu)良的抗輻射性能，實(shí)驗(yàn)表明，其在50kV的X射線連續(xù)照射250h后，仍能保持原有強(qiáng)度的49%。

間位芳綸在酸、堿、有機(jī)溶劑、還原劑以及漂白劑中的穩(wěn)定性較好，但不能與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等長期作用。間位芳綸對日光的穩(wěn)定性較差，難以染色[11]。

2　芳綸纖維的表面改性

芳綸纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量及良好的抗沖擊性、耐熱性等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用。但由于芳綸纖維表面缺少活性基團(tuán)，大分子中較高的結(jié)晶度使得纖維表面致密、光滑，浸潤性較差，導(dǎo)致其與基體界面間的粘結(jié)性差[12]。此外，芳綸分子結(jié)構(gòu)中存在大量苯環(huán)，分子間氫鍵作用力弱，橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)小于縱向，使得纖維集合體在受到壓縮及剪切時容易發(fā)生斷裂。尤其當(dāng)纖維表皮受到破壞時，力學(xué)性能快速下降，甚至影響到整個復(fù)合材料的性能[13]。因此，為了能夠充分利用芳綸纖維的優(yōu)異性能，必須對芳綸纖維表面進(jìn)行改性，增加纖維表面粗糙度或引入活性基因，改善纖維表面性能。

目前，芳綸纖維的表面改性技術(shù)主要有兩種：一是物理改性，借助物理作用提高纖維與基體樹脂之間的浸潤性；二是化學(xué)改性，利用化學(xué)反應(yīng)改善纖維表面的組成和結(jié)構(gòu)。

2.1物理改性

物理改性是指通過濺射作用，使芳綸纖維表面更為粗糙，增大纖維間的接觸面積，增大纖維與聚合物基體間的摩擦力，提高界面的粘附性。

2.1.1等離子體處理

等離子體表面改性技術(shù)是利用等離子體的高能量引發(fā)高聚物的自由基反應(yīng)，在纖維表面引入孤對電子，生成新的極性基團(tuán)，改善纖維的表面能[14]。目前，用于芳綸纖維表面改性的多為冷等離子體，作用強(qiáng)度高，穿透力小。

2.1.2超聲浸漬處理

超聲波技術(shù)對芳綸纖維進(jìn)行改性的原理是超聲波在液體中的振動引起氣泡破裂時，會出現(xiàn)高溫、高壓現(xiàn)象，產(chǎn)生的空化作用可以消除纖維表面的空氣夾雜物，同時增加纖維表面極性基團(tuán)的含量以及表面粗糙度，降低纖維表面的自由能，使纖維表面能與樹脂基體充分接觸，提高復(fù)合材料的界面性能[15]。

2.1.3γ射線處理

利用γ射線對芳綸纖維進(jìn)行表面接枝以及纖維內(nèi)部微纖的交聯(lián)反應(yīng)，增加了纖維表面的活性基團(tuán)和表面自由能，顯著改善了纖維表面粗糙度和潤濕性，而且不會損傷纖維[16]，是近年來一種新型的改性技術(shù)。

2.2化學(xué)改性

化學(xué)改性方法是利用化學(xué)反應(yīng)，在芳綸纖維表面引入活性基團(tuán)，當(dāng)纖維與復(fù)合材料基體粘合時可產(chǎn)生共價鍵，改善材料的界面性能。

2.2.1表面刻蝕

表面刻蝕是通過化學(xué)試劑處理芳綸纖維，引起纖維表面酰胺鍵水解，破壞其結(jié)晶狀態(tài)，粗化纖維表面，提高材料的界面性能。表面刻蝕技術(shù)工藝條件比較簡單，但目前使用的表面刻蝕劑多為酰氯等反應(yīng)活性較高的物質(zhì)，而且刻蝕過程中極易損傷纖維，導(dǎo)致纖維性能降低[17]。

2.2.2表面接枝

表面接枝是芳綸纖維化學(xué)改性方法中研究最多的技術(shù)。根據(jù)接枝官能團(tuán)位置的不同，可將表面接枝技術(shù)分為兩大類：一是發(fā)生在苯環(huán)上的硝化或磺化接枝反應(yīng)；另一種是通過亞酰胺基上的活潑氫引發(fā)的接枝反應(yīng)[18]。

3　芳綸纖維的應(yīng)用

芳綸纖維的應(yīng)用主要是圍繞其高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性展開的。由于芳綸纖維具有的優(yōu)異性能，曾被稱為“全能纖維”，其纖維及其制品應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

3.1航空領(lǐng)域

芳綸纖維密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，可用于制造導(dǎo)彈的火箭發(fā)動機(jī)殼體以及飛機(jī)、航天器的機(jī)身、主翼、尾翼等的寬頻透波材料和可以承受沖擊力量的結(jié)構(gòu)部件。采用環(huán)氧樹脂浸漬芳綸布形成芳綸預(yù)浸料，并直接與蜂窩或泡沫結(jié)構(gòu)相黏結(jié)制備的多層蜂巢結(jié)構(gòu)的板材，具有突出的耐沖擊和電磁波透過性等特性。將芳綸與薄鋁板、環(huán)氧無緯布交疊熱壓后形成的超混復(fù)合層板，具有極高的比模量和比強(qiáng)度，抗疲勞壽命是鋁合金板的100倍～1000倍，可用于飛機(jī)的機(jī)身等部位[19]。芳綸纖維制備的樹脂基增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)客體中，可使飛機(jī)總重量大大減輕。

3.2軍事領(lǐng)域

隨著化學(xué)、核等新式軍用武器的發(fā)展，對軍用防護(hù)服的性能有更多新的要求：耐用、輕便、防彈、阻燃以及良好的環(huán)境適應(yīng)性和偽裝性等。

用芳綸纖維制成的防彈背心和防彈頭盔可以取代老式尼龍背心和罐性鋼盔，在防彈背心和頭盔中加入適量芳綸，不僅可使其體積小、質(zhì)量輕，而且防彈效能可提高40%。高檔防彈芳綸無緯布與高性能聚乙烯薄膜制成的軟質(zhì)防彈背心，比超高分子量聚乙烯纖維具有更好的防彈性能和耐熱性[20]。芳綸纖維也可與其他材料(如金屬、陶瓷等)復(fù)合，制成各種高強(qiáng)度、耐沖擊的防爆罐、防彈盾牌和防彈裝甲板等。此外，將芳綸纖維織物黏結(jié)在結(jié)構(gòu)物的內(nèi)壁，可有效吸收爆炸波，防止彈片對人體的傷害。

3.3建筑領(lǐng)域

芳綸纖維織物的延展性好于碳纖維，材料自身重量輕、自由度靈活，是一種理想的建筑工程加固材料，尤其是在加固不規(guī)則形狀的構(gòu)件時，由于其柔軟度好，在加固棱角時不必做倒角。將芳綸編織成鋼筋狀，可作為大型建筑物的水泥增強(qiáng)骨架，除了具有高強(qiáng)、質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)外，還可耐腐蝕，可同時起到較好的抗剪切作用。

3.4交通領(lǐng)域

由于芳綸纖維密度小，可耐高、低溫，并對橡膠有良好的粘附性，可作為汽車或飛機(jī)的輪胎簾子線。由芳綸纖維制成的輪胎，重量輕、輪胎薄、滾動阻力低、輪胎承載力高，還有很好的耐磨性、耐切割性及耐刺穿性，且輪胎使用過程中接地壓力重心移動小，轉(zhuǎn)向性能好，熱量容易發(fā)散，不易變形，提高了汽車的乘坐舒適性，延長了輪胎的使用壽命，并可滿足現(xiàn)代超音速飛機(jī)對輪胎的使用要求[21]。

3.5電子電氣領(lǐng)域

芳綸纖維具有較高的強(qiáng)度和模量及較低的介電系數(shù)，電磁波透過率好，在同等剛度條件下，芳綸復(fù)合材料制作的雷達(dá)天線防護(hù)罩厚度比玻璃纖維復(fù)合材料可降低30%，電磁波透過率提高10%；芳綸與環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺等樹脂復(fù)合制成的層壓基板與陶瓷的線膨脹系數(shù)匹配度較高，在熱脹冷縮作用下不會引起開裂，可用于制作表面安裝技術(shù)中的特種印刷電路板，有利于電子設(shè)備的小型化和輕質(zhì)化[22]。

利用芳綸纖維強(qiáng)度高、耐高溫等特性，用作光纖中的“張力構(gòu)件”，可保護(hù)細(xì)小而脆弱的光纖受到拉力作用時不致伸長變形，不會影響光的傳輸。芳綸纖維與碳纖維的復(fù)合產(chǎn)品，有良好的可加工性和半導(dǎo)體性，并可耐高溫，多用于制作高電壓裝置中降低電場的材料。芳綸紙經(jīng)過絕緣漆浸漬后，絕緣性好，與天然云母片結(jié)合用作耐熱性電機(jī)的絕緣材料。

3.6其他領(lǐng)域

芳綸纖維分子中含有大量苯環(huán)，化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，比強(qiáng)度高，輕而堅(jiān)牢，可用于制造海輪用和石油深井用纜繩。利用芳綸纖維耐高溫、耐疲勞等特性，以制作檔次較高的球拍、釣魚竿、雪橇、滑雪板、滑雪桿、弓箭、賽艇、高爾夫球桿等，還可用于制作運(yùn)動條件苛刻的登山鞋靴、拳擊手套、賽車頭盔、賽車車體等。由于石棉對人體呼吸道有嚴(yán)重危害，可由芳綸替代石棉制成增強(qiáng)橡膠密封板等密封件，用于汽車制動器的襯墊和襯圈[23]。

4　芳綸纖維存在的問題

雖然我國對芳綸纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用已取得一定成果，但是與國外芳綸纖維的發(fā)展比較起來，還存在一些不足之處。首先，國產(chǎn)芳綸纖維易斷頭，纖維表面易起毛，吸濕性差，而且品種少、生產(chǎn)規(guī)模小，大分子排列緊密，染料分子不易進(jìn)入，導(dǎo)致染色困難。其次，芳綸纖維軸向的壓縮性能和疲勞性能較差，表面處理技術(shù)還不夠成熟，機(jī)械加工時易分層。此外，芳綸纖維韌性大，其復(fù)合材料的機(jī)械加工性能差，不易被切斷，常規(guī)機(jī)械加工方法難以加工。所以尚需對其做進(jìn)一步的研究。

5　展望

隨著近年來芳綸纖維制造與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，以及市場推廣力度的加大，纖維原料成本逐漸降低，芳綸纖維作為一種高性能纖維，以其多種優(yōu)異性能而獲得廣泛應(yīng)用。因此，國內(nèi)芳綸纖維研制與生產(chǎn)單位應(yīng)通盤協(xié)作，全面建立起我國芳綸纖維產(chǎn)業(yè)鏈研究與應(yīng)用體系，滿足各行業(yè)對高性能芳綸纖維的需求，提高國產(chǎn)芳綸纖維產(chǎn)品制備技術(shù)，縮小與國際先進(jìn)芳綸纖維產(chǎn)品的差距。

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Research Status and Application of Aramid Fiber

SUNXiao-ting,GUOYa

(College of Textile & Clothing, Qingdao University, Qingdao 266071)

The varieties and properties of aramid fiber were introduced, the application fields and research status of aramid fiber at home and abroad were described and the existing problems of the current domestic aramid fiber were analyzed briefly.

aramid fiberpropertyapplicationresearch status

1008-5580(2016)03-0164-05

2016-05-12

孫曉婷(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計(jì)。

TS102

A