论芳纶纤维的应用与发展趋势

费有静 裴小兵

芳纶纤维是芳香族聚酰胺纤维的简称，是一种新型高科技合成纤维，由芳香基团和酰胺基团连接组成线性聚合物。按结构的不同，芳纶纤维可分为对位芳纶（PPTA）、间位芳纶（PMIA）、邻位芳纶3种，其中邻位芳纶因商业价值不高研究较少，目前研究和应用较多的是对位芳纶和间位芳纶。从20世纪60年代发现芳纶纤维以来，经过四十多年的发展，芳纶纤维在航空航天、光纤通信、建筑行业、电子电气以及汽车工业等方面得到额广泛应用。

美国、日本和欧洲等国对芳纶纤维的生产与研究较早，且一直处于世界前列，如美国杜邦公司、日本帝人公司生产的Kevlar纤维、Twaron纤维、Technora纤维等占据了芳纶纤维的绝大部分市场，在芳纶纤维市场中处于垄断地位。我国由于起步较晚，与发达国家还存在着很大的差距，目前芳纶纤维的使用大部分还依赖于进口，但随着我国对芳纶纤维的重视和投入，相信在不久的将来我国在芳纶纤维市场将占有一席之地。如烟台泰和新材料股份有限公司已实现了芳纶纤维的商业化生产，在国内芳纶纤维的产业化中走在全国前列，年产量逐年提升[1]。

1 芳纶纤维的性能特点

1.1 芳纶纤维的结构

芳纶纤维的主链由芳香环和酰胺键构成，芳环结构刚性高，聚合物链呈伸展状态形成棒状结构；同时线性结构的分子链式使得芳纶纤维空间利用率高，故单位体积可容纳的聚合物多因此强度较高。另外，大分子链的构象近似直线型，横截面积小，高分子链的角变形与键内旋转受到的阻力大，相对分子质量大。

由于对位芳纶纤维（PPTA）和间位芳纶纤维（PMIA）在微观结构上存在对位和间位的差别，因此物理性能也有所不同。对位芳纶由对苯二甲酰氯和对苯二胺经缩聚得到，分子链段较规整，高取向度，分子之间通过氢键结合，形成氢键共平面后沿同一方向堆砌形成纤维。故具有非常强的刚性，象棒状分子，耐高溫性能好，强度高、高模量，最典型的产品是杜邦公司生产的Kevlar系列产品。利用对位芳纶纤维的高度取向、表面易原纤化的特质，可以制造成芳纶浆粕，提高混合物的吸附力，或作为增强纤维用于增强摩擦及密封产品中。

间位芳纶由间苯二甲酸和间苯二胺经缩聚获得[2]，分子链柔性好，链段呈锯齿型，结晶度不高，分子链取向度不高，故强度、模量不及对位芳纶，但耐高温，伸长率较高，耐磨和耐压缩疲劳非常好，典型代表是杜邦公司生产的Nomex纤维。

1.2 物理性能

芳纶纤维的密度约1.44g/cm3，比碳纤维、玻璃纤维分别低20%和40%左右，故比强度比碳纤维和硼纤维都高，相当于钢丝的6～7倍，而质量仅为钢丝的20%左右，有利于制品和增强材料的轻量化。此外，芳纶纤维的线性膨胀系数低，断裂伸长率高、冲击强度优异、比弹性模量高。不足之处是抗压缩强度不高，仅为拉伸强度的1/5；剪切强度不高，为拉伸强度的1/17及耐磨性能都较差。

芳纶纤维热稳定性优良，耐高温和低温的性能优异，180℃下仍可保持各种优异性能，短时间暴露在300℃以上，强度几乎无影响，芳纶纤维不熔融不助燃，420℃以上碳化分解；在-170℃的低温下不变脆，仍能满足一定的适用要求[3]。

正是由于芳纶纤维具有高度结晶性和单向性，所以抗蠕变性能优异，影响蠕变的因素主要有应力、温度，尤其是应力超过拉伸强度的70%时，抗蠕变能力变差。另外，当芳纶纤维泡在水里时，其抗蠕变性能也变差。

芳纶纤维具有良好的阻燃性能，且永久阻燃，不因使用时间和洗涤次数而降低或丧失阻燃性；同时具有良好的绝缘性和抗老化性能，耐用。

芳纶纤维的不足是吸湿性强，且吸湿后影响芳纶纤维的使用性能，故须密封保存，材料制备前最好增加烘干工序。

1.3 化学性能

芳纶纤维耐介质性能良好，化学性能稳定，能抵抗一般化学品的侵蚀，如大部分有机溶剂、大多数盐类的水溶液及大多数高浓度的无机酸对它的影响都较小，常温下耐碱性能好，但会受到强酸强碱在高温或高浓度下的侵蚀。

芳纶纤维化学性能的不足之处是对紫外线较敏感，长时间暴露于可见光和紫外线时会引起力学性能的下降和褪色，因此在产品储存时须远离紫外线光波，远离玻璃窗。

2 芳纶纤维的应用

芳纶纤维性能优异，是材料界重要的高科技材料，有着“全能纤维”的称号，芳纶纤维及其制品得到广泛应用，主要得力于其高强度、高模量、耐高温等特性。

芳纶纤维复合材料最初用于火箭发动机壳体、航空气瓶、航空结构件及军用产品，随着芳纶纤维生产技术的成熟化，成本的降低，其应用逐渐从航空航天、军用领域扩展到民用领域。

2.1 航空航天军事方面的应用

2.1.1 航空航天领域

芳纶纤维强度高、并具有一定的耐腐蚀性，可用于火箭发动机壳体及飞机、航天器的机身、主翼、尾翼等结构件的制造。随着航天材料要求越来越苛刻，芳纶纤维逐渐由承受冲击力的结构部件发展到二次结构材料，如机舱门窗、整流罩体表面以及机内天花板、隔板、舱壁、行李架、座椅等。其实芳纶纤维在飞机上的广泛应用还与芳纶纤维质量轻的特点密不可分，有资料记载，采用芳纶纤维复合材料后飞机质量可减轻30%左右[4]。

2.1.2 军事领域

芳纶纤维坚韧耐磨用于制造坦克装甲车，经得起反复撞击，大大提高其防护性能。若采用玻璃钢，防护性能相当时质量比用kevlar材料重一半，且韧性不如kevlar层压薄板好。若综合kevlar薄板与钢装甲的性能优势，采用“钢—芳纶—钢”型复合装甲，防弹效果惊人。对700mm厚的反坦克导弹甚至中子弹都具有一定的防护能力。kevlar层压薄板与钢铝板的复合装甲，广泛用于坦克、装甲车、核动力航空母舰及军舰的防弹板，军事防护性能得到大大提升[5]。

随着国防军工的发展，各种化学、核武器等新式武器层出不穷，军用防护服的性能要求更高：不仅耐用、防弹、阻燃，还需轻便、环境适应性和伪装性好。加入适量芳纶纤维在防弹背心和头盔中，体积和质量减少的同时防弹效果提高40%，将逐步取代老式尼龙背心和罐性钢盔[6]。采用芳纶无纬布与高性能聚乙烯薄膜制成的软质高档防弹背心，防弹性能和耐热性均优于聚乙烯纤维。

2.2 民用领域

2.2.1 传送带、输送带上的应用

小型化、轻量化和高效化是现代机械传动的发展方向，随着带传动的应用越来越广泛，对带传动的要求也越来越高，如汽车行业对传动带提出了24万km或30万km甚至与汽车同寿命的苛刻要求，进而推动了汽车传动带的技术进步，传统的路丁橡胶已越来越不能满足当前传送带对耐热性的要求。

芳纶纤维因具有密度小、高强度、耐高温、阻燃、防撕裂等优异性能成为当前高性能输送带的理想骨架材料。芳纶帘子线保证所需的抗张强度，芳纶浆粕纤维模量高保证垂直于帘子线方向的刚性要求，皮带与带轮之间的摩擦性能要求通过提高纵向柔性得以改善。同时由于传动带长时间高速往复运动，故其动态滞后损耗性能相当重要，由于损耗导致温度升高，影响产品的使用性能，因此我们希望骨架材料的滞后损耗越低越好。与几种常用骨架材料相比，芳纶纤维滞后损耗低，且高温下能很好的保持性能。

2.2.2 建筑领域

芳纶纤维复合材料在建筑领域主要是充当增强材料使用，用芳纶纤维增强水泥，可获得轻质高强的结构件，有效防止水泥制品开裂；同时芳纶纤维韧性好，可加工成布、索、编织成钢筋状，作为水泥增强骨架材料，质量轻强度高，耐腐蚀、抗剪切[7]。国外研究开发用芳纶纤维增强胶粘层压木梁的技术，采用低级木材取代高级贵重木材而极大地降低成本，性能不比钢筋水泥构件差且降低了成本[8]。此项技术在欧美国家如美国、德国、日本、澳大利亚等国研究开发较多，应用前景广阔。

同时芳纶纤维织物的延展性好，自由度灵活，可用于已有建筑物的加固材料，尤其对形状不规则的构件效果更佳，性能柔软，加固棱角时不必倒角。

2.2.3 交通领域

芳纶纤维在交通领域主要用于制造汽车或飞机的轮胎，由芳纶纤维制造的轮胎质轻胎薄、滚动阻力小故耐磨性好；且轮胎承载力高，耐切割及刺穿；轮胎工作时重心移动小，转向性能好，汽车乘坐舒适；散热好，不易变形，轮胎使用寿命长，可满足现代超音速飞机对轮胎的使用要求。

2.2.4 高温过滤材料

间位芳纶纤维热稳定性好，高温下难老化，可在220℃工况下长期使用，耐磨、耐堿性良好耐酸性稍逊。用间位芳纶制成的各种滤材已广泛用于化工厂、电厂、水泥厂、石灰厂、炼焦厂、以及电弧炉、油锅炉、焚化炉等高温烟道和热空气过滤，抵抗有害烟雾的化学腐蚀，不仅有效除尘还可回收贵重金属。

芳纶浆粕表面呈毛绒状，分散在水中时，其表面产生微纤状毛羽，具有很大的分散性和比表面积[9]，故其与吸附质接触时的接触面积达，用于吸附染料废水中的亚甲基蓝和刚果红染料，进行废物再利用，实现可循环发展。若对芳纶纤维酸蚀改性，其表面变得更加粗糙，对亚甲基蓝和刚果红染料的吸附能力更强。

2.2.5 电子电气领域

芳纶纤维强度高，可用于光纤加工，当光纤受拉力时不会因伸长变形而影响光的传输；若将芳纶纤维与碳纤维复合加工，可用于制作高电压装置中降低电场的材料；利用芳纶短切纤维优异的耐磨和非磨耗表面特性，可用于制作电子电器设备上用的制动器（闸）、离合器、断路器等。还可与天然云母片结合用作耐热性电机的绝缘材料。

利用芳纶纤维介电系数低及电磁波透过率好的性能特点，可制作雷达天线防护罩，再加上芳纶纤维密度低，加入后复合材料的整体厚度降低30%，电磁波透过率提高10%[10]；结合芳纶纤维线膨胀系数低的优势可与陶瓷匹配，将芳纶与环氧、酚醛、聚酰亚胺等树脂复合制成层压基板，抗热胀冷缩效果较好。

2.2.6 其他应用

芳纶纤维材料还可用于体育器材的制造，如高尔夫球棒、网球拍、滑雪橇、雪车、标枪等。运动条件苛刻的登山鞋靴、拳击手套、赛车头盔等也可用芳纶纤维来制造。

利用芳纶纤维复合材料质量轻可用于造船，减轻船体自重，节约燃料，从而增加航程。并且芳纶纤维复合材料吸收振动及承受连续冲击能力强，船航行稳，提高乘船的舒适度。此外芳纶纤维还可用于制造海轮用和石油深井用缆绳等。

3 展望及发展趋势

由于国外技术封锁，我国芳纶的生产和应用起步较晚。自2004年间位芳纶实现产业化生产后，我国芳纶纤维的发展日新月异，2011年实现对位芳纶的批量生产，是国产对位芳纶纤维的风向标。

随着国民经济的快速发展，芳纶纤维的应用逐步扩大，需求量与日俱增，我国芳纶纤维行业进入了快速发展阶段，但是能够规模化生产芳纶纤维的厂商仅集中在少数几家企业，芳纶纤维的需求得不到满足，很大部分依靠进口，尤其是对位芳纶纤维。大力发展芳纶纤维确保国内需求是发展高性能纤维满足国防、军事及民用的重要手段。同时国家也颁布了一系列的政策法规促进芳纶纤维的发展，作为国家鼓励发展的高新技术产品之一，未来几年芳纶纤维的发展步伐将逐步加快，本文从以下几个方面谈芳纶纤维的发展：

①为填补国内芳纶纤维用量的缺口，减少进口量，须加大科研与研发力量，企业与高校强强联合，降低芳纶纤维织造难度，加工效率低的难题。芳纶纤维的刚性大、强力较高，在织造中纱线的毛羽将相互交缠、和综丝、钢筘交缠严重降低织造效率，特别是在芳纶高密产品。另一方面，新型织机都是分段引纬，每纬的准确切断对织造非常重要，而芳纶具有高强高模特性，普通剪刀不能持续正确地切断发纶纱线。

②随着航空航天等应用领域材料要求的苛刻化，大力发展高性能芳纶纤维是今后发展的重要方向，改善芳纶纤维与基体表面的粘结问题，增强其与基材界面的结合状况。

发展芳纶纤维是我国高科技产业发展的关键，也是促进航空航天和军事发展的物质基础，但我国芳纶纤维的研究和开发与发达国家相比严重落后，很多生产设备、原料以及产品依赖进口，这就需要我们不断努力，打破国际核心技术封锁，攻破技术壁垒，自主创新，实现芳纶纤维的国产化并走出国门，销往全世界。

参考文献

[1] 李春霞，邱召明，王忠华，等.国产对位芳纶机织物应用与发展[J].高科技纤维与应用，2017（1）：12—15.[2] 廖子龙.芳纶及其复合材料在航空结构中的应用[J].高科技纤维与应用，2015（8）：25—29.

[3] 碳纤维的分类与制造[EB/OL].https：//max.book118.com/html.2018，12.

[4] 芳纶纤维复合材料—金锄头文库[EB/OL].https：//www.jinchutou.com/p—54185777.html.2018，9.

[5] 李汉堂.高性能增强材料——对位芳族聚酰胺纤维[J].合成技术及应用，2015（8）：39—43.

[6] 孙晓婷，郭亚芳.纶纤维的研究现状及应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016（3）：164—168.

[7] 乔艳静，阳知乾，刘建忠，等.高性能芳纶纤维在水泥基复合材料中的应用[J].混凝土，2015（1）：94—97.

[8] 蒋向.芳纶纤维增强聚氨酯树脂复合材料的制备和研究[D].湖南：湖南大学，2006.

[9] 张鹏.芳纶浆粕纤维及其造纸[J].造纸化学品，2015（8）：27—30.

[10] 芳纶纤维的应用[EB/OL].https：//www.sohu.com.2018，09.