論芳綸纖維的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

費(fèi)有靜 裴小兵

芳綸纖維是芳香族聚酰胺纖維的簡稱，是一種新型高科技合成纖維，由芳香基團(tuán)和酰胺基團(tuán)連接組成線性聚合物。按結(jié)構(gòu)的不同，芳綸纖維可分為對位芳綸（PPTA）、間位芳綸（PMIA）、鄰位芳綸3種，其中鄰位芳綸因商業(yè)價值不高研究較少，目前研究和應(yīng)用較多的是對位芳綸和間位芳綸。從20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)芳綸纖維以來，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，芳綸纖維在航空航天、光纖通信、建筑行業(yè)、電子電氣以及汽車工業(yè)等方面得到額廣泛應(yīng)用。

美國、日本和歐洲等國對芳綸纖維的生產(chǎn)與研究較早，且一直處于世界前列，如美國杜邦公司、日本帝人公司生產(chǎn)的Kevlar纖維、Twaron纖維、Technora纖維等占據(jù)了芳綸纖維的絕大部分市場，在芳綸纖維市場中處于壟斷地位。我國由于起步較晚，與發(fā)達(dá)國家還存在著很大的差距，目前芳綸纖維的使用大部分還依賴于進(jìn)口，但隨著我國對芳綸纖維的重視和投入，相信在不久的將來我國在芳綸纖維市場將占有一席之地。如煙臺泰和新材料股份有限公司已實(shí)現(xiàn)了芳綸纖維的商業(yè)化生產(chǎn)，在國內(nèi)芳綸纖維的產(chǎn)業(yè)化中走在全國前列，年產(chǎn)量逐年提升[1]。

1 芳綸纖維的性能特點(diǎn)

1.1 芳綸纖維的結(jié)構(gòu)

芳綸纖維的主鏈由芳香環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成，芳環(huán)結(jié)構(gòu)剛性高，聚合物鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)形成棒狀結(jié)構(gòu)；同時線性結(jié)構(gòu)的分子鏈?zhǔn)绞沟梅季]纖維空間利用率高，故單位體積可容納的聚合物多因此強(qiáng)度較高。另外，大分子鏈的構(gòu)象近似直線型，橫截面積小，高分子鏈的角變形與鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)受到的阻力大，相對分子質(zhì)量大。

由于對位芳綸纖維（PPTA）和間位芳綸纖維（PMIA）在微觀結(jié)構(gòu)上存在對位和間位的差別，因此物理性能也有所不同。對位芳綸由對苯二甲酰氯和對苯二胺經(jīng)縮聚得到，分子鏈段較規(guī)整，高取向度，分子之間通過氫鍵結(jié)合，形成氫鍵共平面后沿同一方向堆砌形成纖維。故具有非常強(qiáng)的剛性，象棒狀分子，耐高溫性能好，強(qiáng)度高、高模量，最典型的產(chǎn)品是杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar系列產(chǎn)品。利用對位芳綸纖維的高度取向、表面易原纖化的特質(zhì)，可以制造成芳綸漿粕，提高混合物的吸附力，或作為增強(qiáng)纖維用于增強(qiáng)摩擦及密封產(chǎn)品中。

間位芳綸由間苯二甲酸和間苯二胺經(jīng)縮聚獲得[2]，分子鏈柔性好，鏈段呈鋸齒型，結(jié)晶度不高，分子鏈取向度不高，故強(qiáng)度、模量不及對位芳綸，但耐高溫，伸長率較高，耐磨和耐壓縮疲勞非常好，典型代表是杜邦公司生產(chǎn)的Nomex纖維。

1.2 物理性能

芳綸纖維的密度約1.44g/cm3，比碳纖維、玻璃纖維分別低20%和40%左右，故比強(qiáng)度比碳纖維和硼纖維都高，相當(dāng)于鋼絲的6～7倍，而質(zhì)量僅為鋼絲的20%左右，有利于制品和增強(qiáng)材料的輕量化。此外，芳綸纖維的線性膨脹系數(shù)低，斷裂伸長率高、沖擊強(qiáng)度優(yōu)異、比彈性模量高。不足之處是抗壓縮強(qiáng)度不高，僅為拉伸強(qiáng)度的1/5；剪切強(qiáng)度不高，為拉伸強(qiáng)度的1/17及耐磨性能都較差。

芳綸纖維熱穩(wěn)定性優(yōu)良，耐高溫和低溫的性能優(yōu)異，180℃下仍可保持各種優(yōu)異性能，短時間暴露在300℃以上，強(qiáng)度幾乎無影響，芳綸纖維不熔融不助燃，420℃以上碳化分解；在-170℃的低溫下不變脆，仍能滿足一定的適用要求[3]。

正是由于芳綸纖維具有高度結(jié)晶性和單向性，所以抗蠕變性能優(yōu)異，影響蠕變的因素主要有應(yīng)力、溫度，尤其是應(yīng)力超過拉伸強(qiáng)度的70%時，抗蠕變能力變差。另外，當(dāng)芳綸纖維泡在水里時，其抗蠕變性能也變差。

芳綸纖維具有良好的阻燃性能，且永久阻燃，不因使用時間和洗滌次數(shù)而降低或喪失阻燃性；同時具有良好的絕緣性和抗老化性能，耐用。

芳綸纖維的不足是吸濕性強(qiáng)，且吸濕后影響芳綸纖維的使用性能，故須密封保存，材料制備前最好增加烘干工序。

1.3 化學(xué)性能

芳綸纖維耐介質(zhì)性能良好，化學(xué)性能穩(wěn)定，能抵抗一般化學(xué)品的侵蝕，如大部分有機(jī)溶劑、大多數(shù)鹽類的水溶液及大多數(shù)高濃度的無機(jī)酸對它的影響都較小，常溫下耐堿性能好，但會受到強(qiáng)酸強(qiáng)堿在高溫或高濃度下的侵蝕。

芳綸纖維化學(xué)性能的不足之處是對紫外線較敏感，長時間暴露于可見光和紫外線時會引起力學(xué)性能的下降和褪色，因此在產(chǎn)品儲存時須遠(yuǎn)離紫外線光波，遠(yuǎn)離玻璃窗。

2 芳綸纖維的應(yīng)用

芳綸纖維性能優(yōu)異，是材料界重要的高科技材料，有著“全能纖維”的稱號，芳綸纖維及其制品得到廣泛應(yīng)用，主要得力于其高強(qiáng)度、高模量、耐高溫等特性。

芳綸纖維復(fù)合材料最初用于火箭發(fā)動機(jī)殼體、航空氣瓶、航空結(jié)構(gòu)件及軍用產(chǎn)品，隨著芳綸纖維生產(chǎn)技術(shù)的成熟化，成本的降低，其應(yīng)用逐漸從航空航天、軍用領(lǐng)域擴(kuò)展到民用領(lǐng)域。

2.1 航空航天軍事方面的應(yīng)用

2.1.1 航空航天領(lǐng)域

芳綸纖維強(qiáng)度高、并具有一定的耐腐蝕性，可用于火箭發(fā)動機(jī)殼體及飛機(jī)、航天器的機(jī)身、主翼、尾翼等結(jié)構(gòu)件的制造。隨著航天材料要求越來越苛刻，芳綸纖維逐漸由承受沖擊力的結(jié)構(gòu)部件發(fā)展到二次結(jié)構(gòu)材料，如機(jī)艙門窗、整流罩體表面以及機(jī)內(nèi)天花板、隔板、艙壁、行李架、座椅等。其實(shí)芳綸纖維在飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用還與芳綸纖維質(zhì)量輕的特點(diǎn)密不可分，有資料記載，采用芳綸纖維復(fù)合材料后飛機(jī)質(zhì)量可減輕30%左右[4]。

2.1.2 軍事領(lǐng)域

芳綸纖維堅(jiān)韌耐磨用于制造坦克裝甲車，經(jīng)得起反復(fù)撞擊，大大提高其防護(hù)性能。若采用玻璃鋼，防護(hù)性能相當(dāng)時質(zhì)量比用kevlar材料重一半，且韌性不如kevlar層壓薄板好。若綜合kevlar薄板與鋼裝甲的性能優(yōu)勢，采用“鋼—芳綸—鋼”型復(fù)合裝甲，防彈效果驚人。對700mm厚的反坦克導(dǎo)彈甚至中子彈都具有一定的防護(hù)能力。kevlar層壓薄板與鋼鋁板的復(fù)合裝甲，廣泛用于坦克、裝甲車、核動力航空母艦及軍艦的防彈板，軍事防護(hù)性能得到大大提升[5]。

隨著國防軍工的發(fā)展，各種化學(xué)、核武器等新式武器層出不窮，軍用防護(hù)服的性能要求更高：不僅耐用、防彈、阻燃，還需輕便、環(huán)境適應(yīng)性和偽裝性好。加入適量芳綸纖維在防彈背心和頭盔中，體積和質(zhì)量減少的同時防彈效果提高40%，將逐步取代老式尼龍背心和罐性鋼盔[6]。采用芳綸無緯布與高性能聚乙烯薄膜制成的軟質(zhì)高檔防彈背心，防彈性能和耐熱性均優(yōu)于聚乙烯纖維。

2.2 民用領(lǐng)域

2.2.1 傳送帶、輸送帶上的應(yīng)用

小型化、輕量化和高效化是現(xiàn)代機(jī)械傳動的發(fā)展方向，隨著帶傳動的應(yīng)用越來越廣泛，對帶傳動的要求也越來越高，如汽車行業(yè)對傳動帶提出了24萬km或30萬km甚至與汽車同壽命的苛刻要求，進(jìn)而推動了汽車傳動帶的技術(shù)進(jìn)步，傳統(tǒng)的路丁橡膠已越來越不能滿足當(dāng)前傳送帶對耐熱性的要求。

芳綸纖維因具有密度小、高強(qiáng)度、耐高溫、阻燃、防撕裂等優(yōu)異性能成為當(dāng)前高性能輸送帶的理想骨架材料。芳綸簾子線保證所需的抗張強(qiáng)度，芳綸漿粕纖維模量高保證垂直于簾子線方向的剛性要求，皮帶與帶輪之間的摩擦性能要求通過提高縱向柔性得以改善。同時由于傳動帶長時間高速往復(fù)運(yùn)動，故其動態(tài)滯后損耗性能相當(dāng)重要，由于損耗導(dǎo)致溫度升高，影響產(chǎn)品的使用性能，因此我們希望骨架材料的滯后損耗越低越好。與幾種常用骨架材料相比，芳綸纖維滯后損耗低，且高溫下能很好的保持性能。

2.2.2 建筑領(lǐng)域

芳綸纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域主要是充當(dāng)增強(qiáng)材料使用，用芳綸纖維增強(qiáng)水泥，可獲得輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)件，有效防止水泥制品開裂；同時芳綸纖維韌性好，可加工成布、索、編織成鋼筋狀，作為水泥增強(qiáng)骨架材料，質(zhì)量輕強(qiáng)度高，耐腐蝕、抗剪切[7]。國外研究開發(fā)用芳綸纖維增強(qiáng)膠粘層壓木梁的技術(shù)，采用低級木材取代高級貴重木材而極大地降低成本，性能不比鋼筋水泥構(gòu)件差且降低了成本[8]。此項(xiàng)技術(shù)在歐美國家如美國、德國、日本、澳大利亞等國研究開發(fā)較多，應(yīng)用前景廣闊。

同時芳綸纖維織物的延展性好，自由度靈活，可用于已有建筑物的加固材料，尤其對形狀不規(guī)則的構(gòu)件效果更佳，性能柔軟，加固棱角時不必倒角。

2.2.3 交通領(lǐng)域

芳綸纖維在交通領(lǐng)域主要用于制造汽車或飛機(jī)的輪胎，由芳綸纖維制造的輪胎質(zhì)輕胎薄、滾動阻力小故耐磨性好；且輪胎承載力高，耐切割及刺穿；輪胎工作時重心移動小，轉(zhuǎn)向性能好，汽車乘坐舒適；散熱好，不易變形，輪胎使用壽命長，可滿足現(xiàn)代超音速飛機(jī)對輪胎的使用要求。

2.2.4 高溫過濾材料

間位芳綸纖維熱穩(wěn)定性好，高溫下難老化，可在220℃工況下長期使用，耐磨、耐堿性良好耐酸性稍遜。用間位芳綸制成的各種濾材已廣泛用于化工廠、電廠、水泥廠、石灰廠、煉焦廠、以及電弧爐、油鍋爐、焚化爐等高溫?zé)煹篮蜔峥諝膺^濾，抵抗有害煙霧的化學(xué)腐蝕，不僅有效除塵還可回收貴重金屬。

芳綸漿粕表面呈毛絨狀，分散在水中時，其表面產(chǎn)生微纖狀毛羽，具有很大的分散性和比表面積[9]，故其與吸附質(zhì)接觸時的接觸面積達(dá)，用于吸附染料廢水中的亞甲基藍(lán)和剛果紅染料，進(jìn)行廢物再利用，實(shí)現(xiàn)可循環(huán)發(fā)展。若對芳綸纖維酸蝕改性，其表面變得更加粗糙，對亞甲基藍(lán)和剛果紅染料的吸附能力更強(qiáng)。

2.2.5 電子電氣領(lǐng)域

芳綸纖維強(qiáng)度高，可用于光纖加工，當(dāng)光纖受拉力時不會因伸長變形而影響光的傳輸；若將芳綸纖維與碳纖維復(fù)合加工，可用于制作高電壓裝置中降低電場的材料；利用芳綸短切纖維優(yōu)異的耐磨和非磨耗表面特性，可用于制作電子電器設(shè)備上用的制動器（閘）、離合器、斷路器等。還可與天然云母片結(jié)合用作耐熱性電機(jī)的絕緣材料。

利用芳綸纖維介電系數(shù)低及電磁波透過率好的性能特點(diǎn)，可制作雷達(dá)天線防護(hù)罩，再加上芳綸纖維密度低，加入后復(fù)合材料的整體厚度降低30%，電磁波透過率提高10%[10]；結(jié)合芳綸纖維線膨脹系數(shù)低的優(yōu)勢可與陶瓷匹配，將芳綸與環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺等樹脂復(fù)合制成層壓基板，抗熱脹冷縮效果較好。

2.2.6 其他應(yīng)用

芳綸纖維材料還可用于體育器材的制造，如高爾夫球棒、網(wǎng)球拍、滑雪橇、雪車、標(biāo)槍等。運(yùn)動條件苛刻的登山鞋靴、拳擊手套、賽車頭盔等也可用芳綸纖維來制造。

利用芳綸纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕可用于造船，減輕船體自重，節(jié)約燃料，從而增加航程。并且芳綸纖維復(fù)合材料吸收振動及承受連續(xù)沖擊能力強(qiáng)，船航行穩(wěn)，提高乘船的舒適度。此外芳綸纖維還可用于制造海輪用和石油深井用纜繩等。

3 展望及發(fā)展趨勢

由于國外技術(shù)封鎖，我國芳綸的生產(chǎn)和應(yīng)用起步較晚。自2004年間位芳綸實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)后，我國芳綸纖維的發(fā)展日新月異，2011年實(shí)現(xiàn)對位芳綸的批量生產(chǎn)，是國產(chǎn)對位芳綸纖維的風(fēng)向標(biāo)。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，芳綸纖維的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，需求量與日俱增，我國芳綸纖維行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，但是能夠規(guī)模化生產(chǎn)芳綸纖維的廠商僅集中在少數(shù)幾家企業(yè)，芳綸纖維的需求得不到滿足，很大部分依靠進(jìn)口，尤其是對位芳綸纖維。大力發(fā)展芳綸纖維確保國內(nèi)需求是發(fā)展高性能纖維滿足國防、軍事及民用的重要手段。同時國家也頒布了一系列的政策法規(guī)促進(jìn)芳綸纖維的發(fā)展，作為國家鼓勵發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)品之一，未來幾年芳綸纖維的發(fā)展步伐將逐步加快，本文從以下幾個方面談芳綸纖維的發(fā)展：

①為填補(bǔ)國內(nèi)芳綸纖維用量的缺口，減少進(jìn)口量，須加大科研與研發(fā)力量，企業(yè)與高校強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，降低芳綸纖維織造難度，加工效率低的難題。芳綸纖維的剛性大、強(qiáng)力較高，在織造中紗線的毛羽將相互交纏、和綜絲、鋼筘交纏嚴(yán)重降低織造效率，特別是在芳綸高密產(chǎn)品。另一方面，新型織機(jī)都是分段引緯，每緯的準(zhǔn)確切斷對織造非常重要，而芳綸具有高強(qiáng)高模特性，普通剪刀不能持續(xù)正確地切斷發(fā)綸紗線。

②隨著航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域材料要求的苛刻化，大力發(fā)展高性能芳綸纖維是今后發(fā)展的重要方向，改善芳綸纖維與基體表面的粘結(jié)問題，增強(qiáng)其與基材界面的結(jié)合狀況。

發(fā)展芳綸纖維是我國高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，也是促進(jìn)航空航天和軍事發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，但我國芳綸纖維的研究和開發(fā)與發(fā)達(dá)國家相比嚴(yán)重落后，很多生產(chǎn)設(shè)備、原料以及產(chǎn)品依賴進(jìn)口，這就需要我們不斷努力，打破國際核心技術(shù)封鎖，攻破技術(shù)壁壘，自主創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)芳綸纖維的國產(chǎn)化并走出國門，銷往全世界。

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