對位芳綸漿粕纖維的應用研究進展

于安軍，范志平，靳高嶺，韓郡豐，潘宏宇

(1.中芳特纖股份有限公司,山東 東營 257345;2.中國化學纖維工業(yè)協(xié)會,北京 100027)

0 引言

對位芳綸纖維是由杜邦公司在1965年合成，并于1972年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在我國稱為芳綸1414。對位芳綸漿粕纖維(以下簡稱芳綸漿粕纖維)是芳綸經(jīng)多次原纖化處理后得到的一種高度分散的差異化產(chǎn)品，纖維表面呈現(xiàn)毛絨狀，主纖長度1.0～3.0 mm，直徑10.0 μm，微纖長度0.1～2.0 μm，表面粗糙，纖維的軸向尾端呈針尖狀[1-3]。芳綸漿粕纖維保留了芳綸優(yōu)異的物理機械特性，如高強度、高模量、良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，良好的耐磨性和高絕緣性，與短纖維相比，它的比表面積更大，在7～12 m2/g之間，從而使其與基體材料有更大的接觸面積，且由于“機械”嚙合作用與基體材料有很強的表面結合力[4、5]。

芳綸漿粕纖維表面的氨基含量比芳綸長絲要高10倍以上，使其具有更好的表面活性，從而使其與酰胺類樹脂有很好的親和性，也可在漿粕的界面與基體形成氫鍵，增強復合效果。高強度、高模量的性質(zhì)使其在與基體混合過程中不會因剪切造成長徑比的下降，同時芳綸漿粕在加工應用過程中不會產(chǎn)生石棉纖維具有的環(huán)境污染、影響人體健康等問題。但由于芳綸漿粕纖維表面微纖之間的相互纏結很容易造成其在基體材料中的分散不均而影響制品性能，因此多通過表面處理和改性來有效提高芳綸漿粕纖維的表面性能[6-10]。目前，芳綸漿粕纖維的應用研究主要集中于增強材料、摩擦材料、密封材料、造紙等領域，國內(nèi)的年使用量約在1 000噸以上。

圖1(a)、(b)分別是中芳特纖股份有限公司生產(chǎn)的漿粕樣品的顯微鏡照片和掃描電鏡(SEM)照片。

圖1 漿粕樣品照片

1 芳綸漿粕纖維的應用

1.1 增強材料

芳綸漿粕纖維表面微纖叢生，比表面積較大，與橡膠潛在的接觸面較大，且由于“機械”嚙合作用而與橡膠有很強的表面結合力，但表面微纖會發(fā)生相互纏結，造成在橡膠基體中分散性較差。因此多通過對芳綸漿粕纖維的表面處理和改性或者是對橡膠基體的改性處理來改善芳綸漿粕纖維在基體中的應用。

1.1.1 芳綸漿粕纖維增強橡膠的研究

橡膠基體中的芳綸漿粕纖維微纖上能夠附著大量的橡膠分子鏈，起到物理交聯(lián)點的作用，限制了橡膠大分子的運動，同時能夠承擔應力。在橡膠承受外部拉伸作用力時，芳綸漿粕纖維可以作為應力承受點，減小橡膠大分子的受力，從而使其不易被破壞，橡膠的拉伸強度和拉斷伸長率得以提高。芳綸漿粕纖維在橡膠基體中獲得良好的分散是橡膠力學性能得到改善的前提。

美國杜邦公司[11]為了有效改善芳綸漿粕纖維在橡膠基體中的分散性，開發(fā)出了Kevlar工程化彈性體。該彈性體與單純的將芳綸漿粕纖維摻入到橡膠基體中相比，芳綸漿粕纖維的微纖充分打開且不易再纏結，作為一種橡膠助劑添加到工程輪胎胎面膠料中可延長輪胎的工作壽命。Park Nam等[12]將氧化鋅(ZnO)處理的芳綸漿粕纖維加入到天然橡膠中并研究了其在防爆輪胎側壁插層膠中的應用，研究表明，插層膠的機械性能隨芳綸漿粕纖維用量(1、2、3份)的增加得到明顯改善，壓縮永久變形減小。Jeffery S.Downcy等[13]研究了芳綸漿粕纖維和短纖維對天然橡膠的補強效果，結果表明：芳綸漿粕纖維在復合材料中表現(xiàn)出一種手風琴效應，隨著芳綸漿粕纖維用量的增加，其損耗角和損耗因子逐漸減小。

國內(nèi)目前對芳綸漿粕纖維的改性研究較少。楊波[14]等考察了丁吡膠乳和天然膠乳包覆改性后的芳綸漿粕纖維對丁苯橡膠復合材料性能的影響。結果得出：纖維與橡膠基體間形成柔性界面，界面粘結性提高；復合材料的100%和300%定伸應力提高，復合材料的復數(shù)模量保持在較高水平。王濤等[15]、謝巍等[16]利用多巴胺氧化自聚合的特性對芳綸漿粕纖維進行表面修飾，分別研究了改性芳綸漿粕纖維對丁腈橡膠、氟橡膠/氫化丁腈橡膠合金彈性體復合材料力學性能的影響。

陳翔等[17]研究了預處理芳綸漿粕纖維對丁腈橡膠性能的影響。研究表明：隨著芳綸漿粕用量的增大，硫化膠的硬度和50%定伸應力逐漸增大，剪切儲能模量增大，與未添加芳綸漿粕纖維的硫化膠相比，添加后的硫化膠的熱穩(wěn)定性更好。丁佳偉等[18]研究了未處理芳綸漿粕纖維和表面化學處理芳綸漿粕纖維及其用量對天然橡膠靜態(tài)力學性能，伸張疲勞壽命及動態(tài)熱機械性能的影響。

1.1.2 芳綸漿粕纖維增強塑料的研究

芳綸漿粕纖維增強塑料復合材料大多是將芳綸漿粕纖維改性后添加到塑料基體中混合得到，改性后的芳綸漿粕纖維與樹脂基體之間可形成網(wǎng)絡狀結構，這促進了纖維與樹脂基體間的界面粘結，改善了芳綸漿粕纖維與基體的界面結合力。所以其復合材料的機械性能、耐熱性、耐磨性會得到較好地改善[19-20]。

Rastegar N等[21]探究了含芳綸漿粕纖維與輻照聚四氟乙烯雜化劑聚酰胺6的摩擦材料的協(xié)同作用。劉石等[22]研究了硅烷偶聯(lián)劑KH-550改性的芳綸漿粕纖維對膨脹阻燃聚丙烯復合材料性能的影響。研究表明：改性芳綸漿粕纖維的質(zhì)量分數(shù)為5%時，其復合材料的拉伸強度為40.0 MPa，沖擊強度為56.9 J/m，熱穩(wěn)定性提高。侯鐵軍等[23]研究了芳綸漿粕纖維對酚醛樹脂復合材料性能的影響。與石棉增強酚醛樹脂復合材料相比，芳綸漿粕纖維酚醛樹脂復合材料的力學性能優(yōu)異，磨損率較低。

1.2 摩擦材料

汽車摩擦材料要求具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，較低的磨損率，無噪聲以及在高溫、高壓、高速的環(huán)境下不產(chǎn)生振動。在汽車制動摩擦材料中應用比較廣泛的增強纖維有陶瓷纖維、有機纖維、金屬纖維等。工業(yè)用摩擦材料中增強纖維的含量通常在5 vol%～25 vol%[24-27]。芳綸漿粕纖維保留了芳綸的高強度、高模量等特性，同時又具有較大的比表面積，賦予了其良好的吸附性，與樹脂基體可以有效地結合。

Kim等[28]研究得出芳綸漿粕纖維的加入有效改善了摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性，同時降低了磨損率。Prosenjit等[29]發(fā)現(xiàn)與芳綸相比，芳綸漿粕纖維的摻入提高了其復合材料的摩擦穩(wěn)定性。

郭客等[30]研究得出，酚醛樹脂摩擦材料的布氏硬度隨著芳綸漿粕纖維用量的增加而提高。當芳綸漿粕纖維和納米鈦酸鈉晶須的含量比在3∶1時，摩擦材料的效果最佳，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.38～0.45，磨損率為5%。劉力[31]等通過對芳綸漿粕纖維含量對低樹脂基剎車片摩擦磨損性能的影響機制研究得出：芳綸漿粕纖維含量為0%和1%時主要為擴展性的表面疲勞磨損，含量為2%時主要為非擴展性的表面疲勞磨損，含量為3%時主要為黏著磨損。

郭輝等[32-33]公開了一種用吡咯單體改性的芳綸漿粕纖維制成的剎車片。實驗得出，該剎車片的抗熱衰退、抗熱膨脹性能強，且摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損率低。

1.3 密封材料

采用芳綸漿粕纖維增強的橡膠復材設計的密封材料比全橡膠密封材料的力學性能、耐高溫性能及密封性能均有所提高，同時避免了金屬油封在使用過程中出現(xiàn)的生銹腐蝕問題[34]。

肖風亮等[35]以氯丁橡膠/芳綸漿粕纖維作為外殼材料，氫化丁腈橡膠作為唇口膠制備了復合油封，研究表明：膠料與氯丁橡膠/芳綸漿粕纖維片材有很好的粘合性能，復合后膠料的抗焦燒性能得到改善。劉欣等[36]通過探究芳綸漿粕纖維和白炭黑用量對制備的丁腈橡膠密封墊材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)芳綸漿粕纖維在其復合材料中分散較為均勻。在芳綸漿粕纖維用量為30份，白炭黑用量為40份時，密封材料的綜合性能最好。橡膠混煉過程中產(chǎn)生的剪切力能夠使芳綸漿粕纖維產(chǎn)生取向，其復合材料在平行和垂直纖維方向的各向異性表現(xiàn)較為突出。

1.4 造紙領域

芳綸紙基材料的力學性能及其熱穩(wěn)定性主要取決于短纖維與漿粕基體界面之間的粘結效力。在芳綸紙結構中，短切纖維作為骨架材料，均勻分散在紙張中，決定著紙張的物理結構和機械強度；芳綸漿粕纖維作為填充和黏結材料，利用自本身比表面積大、高度原纖化的特點，同時在熱壓過程中受熱軟化，通過黏結短切纖維及自身的黏結作用形成紙張整體力學結構，賦予紙張整體強度和性能。芳綸漿粕纖維紙基材料的應用領域主要有耐絕緣材料、紙基摩擦材料、蜂窩增強材料等，這些材料廣泛應用于高溫絕緣、航空航天、汽車制造、交通運輸和高性能電子器材等關鍵領域[37、38]。

Merriman E A[39]說明了通過控制芳綸漿粕纖維的pH值來調(diào)控其電位，對于具有高填料和膠乳含量的紙的良好成型是非常重要的。曹雪鴻等[40]對比分析噴射紡絲法進口芳綸漿粕纖維和原纖化法自制漿粕纖維配抄紙張的性能得出純芳綸漿粕纖維紙基材料抗張指數(shù)前者是后者的12倍。王臘梅等[41]研究得出，芳綸短切纖維和芳綸漿粕纖維的加入可以提高芳綸云母復合紙的強度性能。當芳綸短切纖維與芳綸漿粕纖維的總用量為7%，且兩者的配比為2∶5時，芳綸云母復合紙的整體性能最佳。司景航等[42]通過芳綸漿粕纖維含量對紙張性能的影響的研究表明，芳綸漿粕纖維添加量在10%時，紙張的彎曲強度、抗張強度和撕裂強度同時達到最大值，其彎曲強度為620 mN，抗張強度為11.21 kN/m，撕裂強度為4 038 mN。

此外，有關學者關于芳綸漿粕纖維在絕緣材料、耐燒蝕材料、體育器材中的應用也進行了研究。

2 結束語

芳綸漿粕纖維保留了長絲纖維的高強度、高模量，同時具有較大的比表面積，在眾多領域已獲得應用，如航空航天、雷達罩、摩擦材料、密封材料、體育器材等。但芳綸漿粕纖維的結晶度較高，表面化學活性低，與基體材料結合性差；同時，其微原纖數(shù)量眾多，易于相互纏結，在基體中不易分散，通常在使用過程中多需要進行改性處理。

當前，國產(chǎn)大部分芳綸漿粕纖維多以長絲等外品或回收廢料為原料，采用切斷、原纖化工藝制備得到，性能較進口產(chǎn)品仍存在一定差距，如何以低成本保證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定是當前國內(nèi)生產(chǎn)制造企業(yè)面臨的主要問題。