摘要：芳綸具有高模量、高斷裂強(qiáng)度、低熱收縮率和低斷裂伸長(zhǎng)率等優(yōu)異的性能，是理想的增強(qiáng)纖維材料。本文綜述了芳綸材料的研究進(jìn)展情況，芳綸復(fù)合材料的制備方法、性能及其在工業(yè)和生活領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)其發(fā)展作了展望。
芳綸的全稱是芳香族聚酰胺纖維，是一種高強(qiáng)度、高模量、低密度和高耐磨的有機(jī)合成材料，并且具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。1974年，美國(guó)貿(mào)易聯(lián)合會(huì)FTC（U．SFederalTradeCommission）將它們命名為“Aramidfiber”，其定義為：至少有85％的酰胺鏈（—CONH—）直接把兩個(gè)苯環(huán)連接起來(lái)。芳綸于20世紀(jì)60年代初，由杜邦公司開發(fā)出具有優(yōu)良熱穩(wěn)定性的間位芳綸HF－1，即Nomex纖維。我國(guó)稱為芳綸1981年通過(guò)芳綸14的鑒定，1985年又通過(guò)芳綸1414的鑒定。由于單一的芳綸纖維使用時(shí)具有缺陷，遇水后強(qiáng)度降低等，通常將芳綸制成復(fù)合材料，在材料中作為增強(qiáng)纖維，以適應(yīng)不同的使用環(huán)境，同時(shí)也可以改進(jìn)材料的性能。
1、 芳綸的分類與性能
1.1 對(duì)位芳綸對(duì)位芳綸簡(jiǎn)稱
PPTA（Poly－P－pheneleneferephthalamide）于1971年研制成功，次年投入生產(chǎn)。其主鏈結(jié)構(gòu)具有高度的規(guī)則性，大分子是以十分伸展的狀態(tài)存在，它具有耐高溫、防火、耐化學(xué)腐蝕及高的力學(xué)性能和抗疲勞性，同時(shí)又具有低密度。它的強(qiáng)度為鋼的3倍，為強(qiáng)度較高的滌綸工業(yè)絲的4倍，它的初始模量為滌綸工業(yè)絲的4～10倍，聚酰胺纖維的10倍以上。它的穩(wěn)定性好，在150℃溫度下收縮率為零，在高溫下仍能保持較高的強(qiáng)度，如在260℃溫度下仍可保持原強(qiáng)度的65％。它對(duì)橡膠粘附性良好，是比較理想的簾子線纖維。如美國(guó)杜邦公司的Kevlar－49、荷蘭恩卡公司的Twaron、中國(guó)的芳綸1414等。
1.2 間位芳綸間位芳綸簡(jiǎn)稱
MPIA（Poly－m－phenyleneisophthalamide）于1956年開始研究，于1967年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，間位芳綸的大分子鏈呈鋸齒狀，它具有優(yōu)良的物理和力學(xué)性能，如強(qiáng)度、斷后延伸率等。突出特點(diǎn)是具有極佳的耐火和耐氧化性。它在溫度260℃連續(xù)使用1000小時(shí)后，其強(qiáng)度仍能保持原強(qiáng)度的65％；在300℃高溫下使用7天，仍能保持原強(qiáng)度的以燃燒，離開火焰后具有自熄性；它在酸、堿、漂白劑、還原劑及有機(jī)溶劑中的穩(wěn)定性很好。同時(shí)還具有良好的抗輻射性能。它的不足之處和錦綸一樣，對(duì)日光穩(wěn)定性較差，難以染色。
1.3 芳綸與其他纖維的性能比較
芳綸具有良好的力學(xué)性能，見表1。芳綸與其他纖維相比較具有耐高溫，伸長(zhǎng)量小，彈性模量高和強(qiáng)度大的特點(diǎn)，特別是對(duì)位的芳綸（Kevlar纖維），更為優(yōu)異。
2、 芳綸復(fù)合材料的制備
芳綸纖維和玻璃纖維一樣，產(chǎn)品形態(tài)有捻紗、無(wú)捻粗紗，各種規(guī)格布、帶、氈及短切原絲等。復(fù)合材料的制備主要有兩類，纖維與纖維纏繞復(fù)合，和纖維與樹脂或橡膠復(fù)合。
2.1 纖維與纖維復(fù)合成型
濕法與干法纏繞是復(fù)合材料纏繞成型的兩種主要方法。
干法纏繞的主要優(yōu)點(diǎn)是含膠量較容易控制，因此過(guò)去復(fù)合材料高壓容器的成型一直選用了單一的干法纏繞成型。然而由于濕法纏繞具有制品成本低、纖維磨損少、空隙率低和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)外廣泛采用。過(guò)去我國(guó)一直采用干法成型而研制了幾十種干法成型粘接劑配方，有些配方如4304、4303A已成功地應(yīng)用在大型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上。工藝流程如下：芳綸纖維松開→混料→模壓成型→熱處理→磨削→成品。
濕法纏繞成型與干法成型一樣，對(duì)樹脂基體要求必須具有一定的力學(xué)性能，同時(shí)基體體系的粘度必須控制在一定的范圍內(nèi)以保證成型時(shí)纖維束能完全浸潤(rùn)。降低體系粘度主要有以下兩種方法：（a）選擇合理的低粘度活性稀釋劑，往往體系粘度滿足了浸漬工藝要求但同時(shí)體系的力學(xué)性能和耐熱性能較大幅度下降，經(jīng)過(guò)篩選使用一種混合稀釋劑和在一定程度上滿足設(shè)計(jì)要求。（b）選用液體固化劑，液體固化劑的加入能使配方體系粘度有一定的降低。
如哈爾濱玻璃鋼研究所用的液體酸酐類固化劑組成的濕法環(huán)氧配方，已成功應(yīng)用于化工管道的生產(chǎn)上。只有根據(jù)實(shí)際條件，在對(duì)粘度、力學(xué)性能、儲(chǔ)存期三者綜合考慮的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的濕法配方。
對(duì)于芳綸纖維的濕法配方及濕法配方成型技術(shù)缺乏進(jìn)一步研究，而高性能濕法配方技術(shù)是濕法纏繞成型中首先需解決的關(guān)鍵技術(shù)。
2.2 纖維與樹脂復(fù)合成型
成型方法和玻璃鋼等的成型方法一樣，有纏繞法、手糊法、浸漬法、真空袋法、加壓法以及注射法等，可根據(jù)需要選擇。
常與芳綸纖維匹配的樹脂有環(huán)氧、酚醛、不飽和聚酯、乙烯基酯、聚酰亞胺等，近年來(lái)還和尼龍、PBT等符合使用。張茂林等在對(duì)單向芳綸／聚丙烯混纖復(fù)合材料拉伸性能研究中，芳綸無(wú)捻長(zhǎng)絲紗（增強(qiáng)材料）為經(jīng)紗，聚丙烯纖維（基體纖維）為緯紗，織成平紋組織的熱塑性預(yù)聚體，一定溫度和壓力下制成復(fù)合材料，調(diào)節(jié)經(jīng)紗和緯紗的密度控制材料的組成。用芳綸制成的簾子線被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車輪胎工業(yè)。芳綸與橡膠的復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展很快。由于芳綸纖維的活性官能團(tuán)少，與橡膠粘合較困難。為解決粘合問(wèn)題一般采用以下措施：一方面調(diào)整或改進(jìn)浸漬體系的配方及工藝，目前常用二浴浸漬或在一浴浸漬中增添專用浸漬粘合劑；另一方面是在橡膠膠料配方設(shè)計(jì)中增添膠用粘合劑。由于上述兩方面的協(xié)同效應(yīng)達(dá)到較理想的粘合效果。
3、 芳綸復(fù)合材料的性能及其應(yīng)用
芳綸材料的應(yīng)用主要是圍繞其高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)異特征展開的。
3.1 防彈領(lǐng)域
芳綸的高強(qiáng)度為各行各業(yè)所看好，尤其是軍事方面?，F(xiàn)代頭盔起源于一戰(zhàn)，用于降低士兵的傷亡率。二戰(zhàn)以后至70年代軍隊(duì)防彈頭盔均為鋼盔，大部分為高錳鋼或特殊鋼，盔殼多為沖壓成型。尼龍盔主要應(yīng)用于英國(guó)和以色列，頭盔內(nèi)有一層高密度聚乙烯泡沫防震層提高舒適度。芳綸盔是多層芳綸布經(jīng)特殊樹脂粘結(jié)，高溫高壓成型的。芳綸盔是杜邦公司于70年代開始研制的，優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，以及防護(hù)性能好，被越來(lái)越多國(guó)家采用。
芳綸纖維的抗彈道沖擊性應(yīng)歸功于其優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、高結(jié)晶性、高取向結(jié)構(gòu)及高拉伸性能。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使芳綸纖維在彈道沖擊所產(chǎn)生的高溫度下可以保證抗沖擊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；高結(jié)晶、高取向性產(chǎn)生了高模量，保證了對(duì)軸向變形的快速反應(yīng)；高彈性和中等延伸率使芳綸纖維具有高韌性，從而在縱向斷裂時(shí)能有效工作。我國(guó)開展芳綸防彈板的研究，在最優(yōu)的基體與纖維比例方面取得了進(jìn)展。
3.2 輪胎領(lǐng)域
輪胎的主要成分是橡膠，為了提高強(qiáng)度，工業(yè)上最早采用鋼絲作為增強(qiáng)材料。但是由于鋼絲密度大，輪胎強(qiáng)度增大的同時(shí)，會(huì)增加車體的重量，增加了能耗。并且由于存在鋼絲，車胎會(huì)變硬，更容易顛簸，舒適度會(huì)下降。尤其在重型車輛方面，承重量很大，對(duì)車胎的要求也就更高。
與鋼絲相比，芳綸簾線具有耐高溫、高強(qiáng)度、高模量及變形小的特性，又具有相對(duì)密度小、耐疲勞、耐剪切的柔性，兼?zhèn)淞虽摻z、人造絲、錦綸、聚酯簾線的優(yōu)異性能，有“合成鋼絲”之稱，是目前最理想的骨架材料。
芳綸簾子線的優(yōu)點(diǎn)有：①作為簾線，輪胎的胎體可由原來(lái)的三層減到一層，車胎重量減小，降低輪胎滾動(dòng)阻力，可以減少耗油；②芳綸簾線與橡膠的粘合效果比鋼絲好，并且不容易受水分、濕度的影響；③用芳綸作簾線后輪胎的剛性、耐磨性都提高了，延長(zhǎng)了車胎的使用壽命；④由于減少了胎體的數(shù)目，汽車的駕駛性能、乘坐舒適度比原來(lái)有了很大的提高。
但芳綸作為簾線主要缺點(diǎn)是成本太高、生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，需要專門設(shè)備加工。
3.3 管道領(lǐng)域
Kevlar纖維是軟管增強(qiáng)材料的最佳選擇。目前，越來(lái)越多的汽車軟管、化學(xué)工業(yè)用軟管、石油工業(yè)用軟管、航空工業(yè)用各種液壓軟管以及海洋用軟管都采用Kevlar纖維作增強(qiáng)材料美國(guó)Chrysler公司和Gates公司則采用Kelver纖維作為汽車?yán)鋮s裝置軟管的增強(qiáng)材料制成了溫度可達(dá)150℃左右的汽車?yán)鋮s膠管。Gates公司、美國(guó)Goodall公司將芳綸纖維制成了用于核電站、化工廠和石油勘探方面的大口徑膠管。內(nèi)徑為25．4cm，每根長(zhǎng)12m，設(shè)計(jì)工作壓力為56kg／cm2，彎曲半徑為1．5m。
3.4 橋梁結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域
芳綸纖維布在舊橋加固的應(yīng)用范圍比較廣，芳綸纖維布在加固構(gòu)件時(shí)，主要用于抵抗拉力，一般用于梁的受拉部位、梁與柱的抗剪部位、柱或橋墩臺(tái)的圍束加固等。在橋梁墩柱出現(xiàn)裂縫部位用芳綸纖維AFS－40對(duì)墩柱粘貼兩層后，不僅控制了裂紋的發(fā)展，而且明顯提高了橋梁的承載能力。
3.5 電子電氣領(lǐng)域
芳綸纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電絕緣性能、透波性能，以及尺寸穩(wěn)定性能，它在電子電氣領(lǐng)域中已應(yīng)用在微電子組裝技術(shù)中表面安裝技術(shù)（SMT）用的特種印刷電路板，機(jī)載或星載雷達(dá)天線罩、雷達(dá)天線饋源功能結(jié)構(gòu)部件和運(yùn)動(dòng)電氣部件等多方面。美國(guó)RCA公司為多顆衛(wèi)星研制的多部拋物面天線中，其反射面均采用芳綸纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料制造。
3.6 耐熱及防護(hù)服裝領(lǐng)域
艙外航天服材料要求輕質(zhì)，柔韌，耐磨，抗沖擊，力學(xué)耐久性好；耐化學(xué)，耐熱，耐光性能好，能防止各種輻射，在超高和超低溫下，在高能熱光輻射下材料的各項(xiàng)性能穩(wěn)定，芳綸纖維織物是首選材料。
3.7 其他領(lǐng)域
芳綸的高強(qiáng)度、低密度的特性被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在密封板材領(lǐng)域，用芳綸纖維代替石棉纖維制成的芳綸纖維增強(qiáng)橡膠密封板材具有較好的密封性能，對(duì)人體沒(méi)有危害。在盤式制動(dòng)墊研究方面，芳綸的摩擦損耗性能和內(nèi)抗剪強(qiáng)度最好，有望在近幾年應(yīng)用與轎車后制動(dòng)器和微型車的前制動(dòng)器。船舶方面，可以用芳綸復(fù)合材料以減輕船體質(zhì)量來(lái)提高船速；在建筑材料上，用芳綸代替石棉來(lái)增強(qiáng)水泥，取代金屬材料，提供輕結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度主體承重結(jié)構(gòu)。
芳綸還可以用來(lái)制作宇航服、消防服等。現(xiàn)在還用芳綸代替鋼絲制造水下電纜，特別是深海電纜。還將芳綸纖維加在混凝土柱子外部，抑制混凝土受破壞時(shí)的體積膨脹，提高強(qiáng)度和抗震性。
4、 結(jié)語(yǔ)
芳綸作為20世紀(jì)高分子纖維界的一項(xiàng)重要發(fā)明，因?yàn)槠涓邚?qiáng)度、低密度、耐高溫等特性被應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。對(duì)它的研究主要在于將芳綸作為增強(qiáng)材料，制成復(fù)合材料方面，但是由于芳綸的制備和加工過(guò)程復(fù)雜，成本高，目前還不能得到廣泛應(yīng)用，由于芳綸纖維官能團(tuán)少，與基體粘合差，必須經(jīng)過(guò)邊面處理或著加入粘合劑，這方面技術(shù)的研究發(fā)展可以擴(kuò)大芳綸的應(yīng)用領(lǐng)域。
來(lái)源：復(fù)材邦、內(nèi)蒙古石油化工 作者：夏于旻（上海東華大學(xué)材料學(xué)院）
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
