論芳綸纖維的應用與發展趨勢

費有靜 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，由芳香基團和酰胺基團連接組成線性聚合物。按結構的不同，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價值不高研究較少，目前研究和應用較多的是對位芳綸和間位芳綸。從20世紀60年代發現芳綸纖維以來，經過四十多年的發展，芳綸纖維在航空航天、光纖通信、建筑行業、電子電氣以及汽車工業等方面得到額廣泛應用。

美國、日本和歐洲等國對芳綸纖維的生產與研究較早，且一直處于世界前列，如美國杜邦公司、日本帝人公司生產的Kevlar纖維、Twaron纖維、Technora纖維等占據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，與發達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現了芳綸纖維的商業化生產，在國內芳綸纖維的產業化中走在全國前列，年產量逐年提升[1]。

1 芳綸纖維的性能特點

1.1 芳綸纖維的結構

芳綸纖維的主鏈由芳香環和酰胺鍵構成，芳環結構剛性高，聚合物鏈呈伸展狀態形成棒狀結構；同時線性結構的分子鏈式使得芳綸纖維空間利用率高，故單位體積可容納的聚合物多因此強度較高。另外，大分子鏈的構象近似直線型，橫截面積小，高分子鏈的角變形與鍵內旋轉受到的阻力大，相對分子質量大。

由于對位芳綸纖維（PPTA）和間位芳綸纖維（PMIA）在微觀結構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縮聚得到，分子鏈段較規整，高取向度，分子之間通過氫鍵結合，形成氫鍵共平面后沿同一方向堆砌形成纖維。故具有非常強的剛性，象棒狀分子，耐高溫性能好，強度高、高模量，最典型的產品是杜邦公司生產的Kevlar系列產品。利用對位芳綸纖維的高度取向、表面易原纖化的特質，可以制造成芳綸漿粕，提高混合物的吸附力，或作為增強纖維用于增強摩擦及密封產品中。

間位芳綸由間苯二甲酸和間苯二胺經縮聚獲得[2]，分子鏈柔性好，鏈段呈鋸齒型，結晶度不高，分子鏈取向度不高，故強度、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，故比強度比碳纖維和硼纖維都高，相當于鋼絲的6～7倍，而質量僅為鋼絲的20%左右，有利于制品和增強材料的輕量化。此外，芳綸纖維的線性膨脹系數低，斷裂伸長率高、沖擊強度優異、比彈性模量高。不足之處是抗壓縮強度不高，僅為拉伸強度的1/5；剪切強度不高，為拉伸強度的1/17及耐磨性能都較差。

芳綸纖維熱穩定性優良，耐高溫和低溫的性能優異，180℃下仍可保持各種優異性能，短時間暴露在300℃以上，強度幾乎無影響，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晶性和單向性，所以抗蠕變性能優異，影響蠕變的因素主要有應力、溫度，尤其是應力超過拉伸強度的70%時，抗蠕變能力變差。另外，當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，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 化學性能

芳綸纖維耐介質性能良好，化學性能穩定，能抵抗一般化學品的侵蝕，如大部分有機溶劑、大多數鹽類的水溶液及大多數高濃度的無機酸對它的影響都較小，常溫下耐堿性能好，但會受到強酸強堿在高溫或高濃度下的侵蝕。

芳綸纖維化學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性能的下降和褪色，因此在產品儲存時須遠離紫外線光波，遠離玻璃窗。

2 芳綸纖維的應用

芳綸纖維性能優異，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用，主要得力于其高強度、高模量、耐高溫等特性。

芳綸纖維復合材料最初用于火箭發動機殼體、航空氣瓶、航空結構件及軍用產品，隨著芳綸纖維生產技術的成熟化，成本的降低，其應用逐漸從航空航天、軍用領域擴展到民用領域。

2.1 航空航天軍事方面的應用

2.1.1 航空航天領域

芳綸纖維強度高、并具有一定的耐腐蝕性，可用于火箭發動機殼體及飛機、航天器的機身、主翼、尾翼等結構件的制造。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構部件發展到二次結構材料，如機艙門窗、整流罩體表面以及機內天花板、隔板、艙壁、行李架、座椅等。其實芳綸纖維在飛機上的廣泛應用還與芳綸纖維質量輕的特點密不可分，有資料記載，采用芳綸纖維復合材料后飛機質量可減輕30%左右[4]。

2.1.2 軍事領域

芳綸纖維堅韌耐磨用于制造坦克裝甲車，經得起反復撞擊，大大提高其防護性能。若采用玻璃鋼，防護性能相當時質量比用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勢，采用“鋼—芳綸—鋼”型復合裝甲，防彈效果驚人。對700mm厚的反坦克導彈甚至中子彈都具有一定的防護能力。kevlar層壓薄板與鋼鋁板的復合裝甲，廣泛用于坦克、裝甲車、核動力航空母艦及軍艦的防彈板，軍事防護性能得到大大提升[5]。

隨著國防軍工的發展，各種化學、核武器等新式武器層出不窮，軍用防護服的性能要求更高：不僅耐用、防彈、阻燃，還需輕便、環境適應性和偽裝性好。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高檔防彈背心，防彈性能和耐熱性均優于聚乙烯纖維。

2.2 民用領域

2.2.1 傳送帶、輸送帶上的應用

小型化、輕量化和高效化是現代機械傳動的發展方向，隨著帶傳動的應用越來越廣泛，對帶傳動的要求也越來越高，如汽車行業對傳動帶提出了24萬km或30萬km甚至與汽車同壽命的苛刻要求，進而推動了汽車傳動帶的技術進步，傳統的路丁橡膠已越來越不能滿足當前傳送帶對耐熱性的要求。

芳綸纖維因具有密度小、高強度、耐高溫、阻燃、防撕裂等優異性能成為當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運動，故其動態滯后損耗性能相當重要，由于損耗導致溫度升高，影響產品的使用性能，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 建筑領域

芳綸纖維復合材料在建筑領域主要是充當增強材料使用，用芳綸纖維增強水泥，可獲得輕質高強的結構件，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，作為水泥增強骨架材料，質量輕強度高，耐腐蝕、抗剪切[7]。國外研究開發用芳綸纖維增強膠粘層壓木梁的技術，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件差且降低了成本[8]。此項技術在歐美國家如美國、德國、日本、澳大利亞等國研究開發較多，應用前景廣闊。

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，尤其對形狀不規則的構件效果更佳，性能柔軟，加固棱角時不必倒角。

2.2.3 交通領域

芳綸纖維在交通領域主要用于制造汽車或飛機的輪胎，由芳綸纖維制造的輪胎質輕胎薄、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，可滿足現代超音速飛機對輪胎的使用要求。

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、焚化爐等高溫煙道和熱空氣過濾，抵抗有害煙霧的化學腐蝕，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]，故其與吸附質接觸時的接觸面積達，用于吸附染料廢水中的亞甲基藍和剛果紅染料，進行廢物再利用，實現可循環發展。若對芳綸纖維酸蝕改性，其表面變得更加粗糙，對亞甲基藍和剛果紅染料的吸附能力更強。

2.2.5 電子電氣領域

芳綸纖維強度高，可用于光纖加工，當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異的耐磨和非磨耗表面特性，可用于制作電子電器設備上用的制動器（閘）、離合器、斷路器等。還可與天然云母片結合用作耐熱性電機的絕緣材料。

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

2.2.6 其他應用

芳綸纖維材料還可用于體育器材的制造，如高爾夫球棒、網球拍、滑雪橇、雪車、標槍等。運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。

利用芳綸纖維復合材料質量輕可用于造船，減輕船體自重，節約燃料，從而增加航程。并且芳綸纖維復合材料吸收振動及承受連續沖擊能力強，船航行穩，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 展望及發展趨勢

由于國外技術封鎖，我國芳綸的生產和應用起步較晚。自2004年間位芳綸實現產業化生產后，我國芳綸纖維的發展日新月異，2011年實現對位芳綸的批量生產，是國產對位芳綸纖維的風向標。

隨著國民經濟的快速發展，芳綸纖維的應用逐步擴大，需求量與日俱增，我國芳綸纖維行業進入了快速發展階段，但是能夠規?；a芳綸纖維的廠商僅集中在少數幾家企業，芳綸纖維的需求得不到滿足，很大部分依靠進口，尤其是對位芳綸纖維。大力發展芳綸纖維確保國內需求是發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促進芳綸纖維的發展，作為國家鼓勵發展的高新技術產品之一，未來幾年芳綸纖維的發展步伐將逐步加快，本文從以下幾個方面談芳綸纖維的發展：

①為填補國內芳綸纖維用量的缺口，減少進口量，須加大科研與研發力量，企業與高校強強聯合，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、鋼筘交纏嚴重降低織造效率，特別是在芳綸高密產品。另一方面，新型織機都是分段引緯，每緯的準確切斷對織造非常重要，而芳綸具有高強高模特性，普通剪刀不能持續正確地切斷發綸紗線。

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

發展芳綸纖維是我國高科技產業發展的關鍵，也是促進航空航天和軍事發展的物質基礎，但我國芳綸纖維的研究和開發與發達國家相比嚴重落后，很多生產設備、原料以及產品依賴進口，這就需要我們不斷努力，打破國際核心技術封鎖，攻破技術壁壘，自主創新，實現芳綸纖維的國產化并走出國門，銷往全世界。

參考文獻

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