芳綸纖維的研究現狀及應用

孫曉婷，郭　亞

(青島大學紡織服裝學院，山東青島 266071)

?

芳綸纖維的研究現狀及應用

孫曉婷，郭亞

(青島大學紡織服裝學院，山東青島 266071)

介紹了芳綸纖維的品種和性能，闡述了芳綸纖維在國內外的應用與研究現狀，并對目前國內芳綸纖維存在的問題作了分析，展望了芳綸纖維的發展趨勢。

芳綸纖維性能研究現狀應用

0　引言

芳綸纖維(Aramid fiber)，又稱芳香族聚酰胺纖維，是一種新型高科技合成纖維，與普通錦綸同屬酰胺類纖維，大分子主鏈中均含有酰胺鍵，不同的是錦綸的酰胺鍵與脂肪基相連，而芳綸的酰胺鍵則與苯環相連。芳綸纖維具有高強度、高模量、耐高溫、耐酸堿、重量輕以及較好的絕緣性和抗老化性等特點，其強度是鋼絲的5倍～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2倍～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而重量僅為鋼絲的1/5左右，常被用作制備高性能復合材料的增強體，在高性能纖維中占有重要地位[1，2]。

表1　芳綸與其它幾種工業絲性能對比[3]

1　芳綸纖維的品種和性能

芳綸纖維主要包括全芳香族聚酰胺纖維和雜環芳香族聚酰胺纖維兩種，可分為鄰位芳綸、對位芳綸(PPTA)和間位芳綸(PMTA)三種，其中實現工業化的產品主要有間位芳綸和對位芳綸兩種[4]。其中這兩大類芳綸的主要區別在于酰胺鍵與苯環上的C原子的連接位置不同(圖1)。

圖1　間位芳綸和對位芳綸的分子式

1.1對位芳綸

對位芳綸，即聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)纖維，我國稱芳綸1414，分子鏈中85%以上的酰胺鍵直接鍵合在芳香環上的線性高分子聚合物[5]。對位芳綸主要有美國杜邦的Kevlar纖維、日本帝人公司的Twaron和Technora纖維、煙臺泰和新材的Taparan(泰普龍)纖維等。它是世界上首例采用高分子液晶紡絲液制得的纖維，開創了高性能合成纖維的新時代。

在現有的高性能纖維中，對位芳綸是綜合性能最好的纖維之一，其最突出的特點是高強、高模和耐高溫。以凱夫拉(Kevlar)纖維為例，其強度為鋼絲的3倍，滌綸工業絲的4倍；初始模量為滌綸工業絲的4倍～10倍，尼龍的10倍[6]。幾種對位芳綸的力學性能如表2。

表2　幾種對位芳綸的力學性能

對位芳綸具有較高的玻璃化轉變溫度(Tg)和熱分解溫度(表3)，熱穩定性好，在高溫下仍能保持較高的強度；纖維的極限氧指數(LOI)較高，阻燃性好。實驗測得對位芳綸在150℃下的收縮率為0，260℃高溫下仍可保持原強度的65%，并且短時間暴露在300℃的環境中，纖維的力學性能幾乎不受影響，低溫下不會發生脆化和降解[7]。

表3　對位芳綸的熱性能和燃燒性能

盡管對位芳綸具有多種優異性能，也存在一些不足之處。由于對位芳綸分子間作用力較弱，纖維表面缺少活性基團，導致其壓縮強度和壓縮模量低，纖維與樹脂界面的黏結強度低。對位芳綸分子結構中存在酰胺基等極性基團，纖維吸濕性差，吸濕后，由于水分子的入侵破壞了分子間的氫鍵作用，使纖維強度下降，復合材料的彎曲性能、壓縮性能均降低。此外，對位芳綸不耐強酸、強堿，耐光性、耐紫外性能均較差[8]。

1.2間位芳綸

間位芳綸，即聚間苯二甲酰間苯二甲胺(PMTA)纖維，我國又稱芳綸1313，最早是由美國杜邦公司研制成功的Nomex，并于1967年實現工業化生產，還有日本帝人的Conex，煙臺泰和新材的Tametar(泰美達)等。間位芳綸是有機耐高溫纖維中發展最快的晶種，纖維分子由酰胺基團相互連接間位苯基構成，分子鏈呈線性鋸齒狀，由于分子間具有較強的氫鍵作用，纖維具有優異的阻燃性、熱穩定性、耐輻射等性能[9]。

間位芳綸屬難燃纖維，在空氣中不會自燃或融化，離開火焰后會自熄。纖維遇高溫時，會迅速膨脹碳化，形成隔熱層，能阻擋熱量的傳遞，起到有效的保護作用。在250℃以上高溫中連續長時間使用后，仍具有較高的強度和尺寸穩定性。在350℃以下不會發生明顯的分解和碳化。當溫度超過400℃時，纖維逐漸發脆、炭化直至分解，但是不會產生熔滴[10]。間位芳綸介電常數很低，在低溫、高溫、高濕條件下均能保持優良的電絕緣性，是全球公認的最佳絕緣材料。間位芳綸織物具有優良的抗輻射性能，實驗表明，其在50kV的X射線連續照射250h后，仍能保持原有強度的49%。

間位芳綸在酸、堿、有機溶劑、還原劑以及漂白劑中的穩定性較好，但不能與強酸、強堿等長期作用。間位芳綸對日光的穩定性較差，難以染色[11]。

2　芳綸纖維的表面改性

芳綸纖維具有高比強度、高比模量及良好的抗沖擊性、耐熱性等優點而獲得廣泛應用。但由于芳綸纖維表面缺少活性基團，大分子中較高的結晶度使得纖維表面致密、光滑，浸潤性較差，導致其與基體界面間的粘結性差[12]。此外，芳綸分子結構中存在大量苯環，分子間氫鍵作用力弱，橫向強度遠小于縱向，使得纖維集合體在受到壓縮及剪切時容易發生斷裂。尤其當纖維表皮受到破壞時，力學性能快速下降，甚至影響到整個復合材料的性能[13]。因此，為了能夠充分利用芳綸纖維的優異性能，必須對芳綸纖維表面進行改性，增加纖維表面粗糙度或引入活性基因，改善纖維表面性能。

目前，芳綸纖維的表面改性技術主要有兩種：一是物理改性，借助物理作用提高纖維與基體樹脂之間的浸潤性；二是化學改性，利用化學反應改善纖維表面的組成和結構。

2.1物理改性

物理改性是指通過濺射作用，使芳綸纖維表面更為粗糙，增大纖維間的接觸面積，增大纖維與聚合物基體間的摩擦力，提高界面的粘附性。

2.1.1等離子體處理

等離子體表面改性技術是利用等離子體的高能量引發高聚物的自由基反應，在纖維表面引入孤對電子，生成新的極性基團，改善纖維的表面能[14]。目前，用于芳綸纖維表面改性的多為冷等離子體，作用強度高，穿透力小。

2.1.2超聲浸漬處理

超聲波技術對芳綸纖維進行改性的原理是超聲波在液體中的振動引起氣泡破裂時，會出現高溫、高壓現象，產生的空化作用可以消除纖維表面的空氣夾雜物，同時增加纖維表面極性基團的含量以及表面粗糙度，降低纖維表面的自由能，使纖維表面能與樹脂基體充分接觸，提高復合材料的界面性能[15]。

2.1.3γ射線處理

利用γ射線對芳綸纖維進行表面接枝以及纖維內部微纖的交聯反應，增加了纖維表面的活性基團和表面自由能，顯著改善了纖維表面粗糙度和潤濕性，而且不會損傷纖維[16]，是近年來一種新型的改性技術。

2.2化學改性

化學改性方法是利用化學反應，在芳綸纖維表面引入活性基團，當纖維與復合材料基體粘合時可產生共價鍵，改善材料的界面性能。

2.2.1表面刻蝕

表面刻蝕是通過化學試劑處理芳綸纖維，引起纖維表面酰胺鍵水解，破壞其結晶狀態，粗化纖維表面，提高材料的界面性能。表面刻蝕技術工藝條件比較簡單，但目前使用的表面刻蝕劑多為酰氯等反應活性較高的物質，而且刻蝕過程中極易損傷纖維，導致纖維性能降低[17]。

2.2.2表面接枝

表面接枝是芳綸纖維化學改性方法中研究最多的技術。根據接枝官能團位置的不同，可將表面接枝技術分為兩大類：一是發生在苯環上的硝化或磺化接枝反應；另一種是通過亞酰胺基上的活潑氫引發的接枝反應[18]。

3　芳綸纖維的應用

芳綸纖維的應用主要是圍繞其高強度、高模量、耐高溫等特性展開的。由于芳綸纖維具有的優異性能，曾被稱為“全能纖維”，其纖維及其制品應用相當廣泛。

3.1航空領域

芳綸纖維密度低、強度高、耐腐蝕性好，可用于制造導彈的火箭發動機殼體以及飛機、航天器的機身、主翼、尾翼等的寬頻透波材料和可以承受沖擊力量的結構部件。采用環氧樹脂浸漬芳綸布形成芳綸預浸料，并直接與蜂窩或泡沫結構相黏結制備的多層蜂巢結構的板材，具有突出的耐沖擊和電磁波透過性等特性。將芳綸與薄鋁板、環氧無緯布交疊熱壓后形成的超混復合層板，具有極高的比模量和比強度，抗疲勞壽命是鋁合金板的100倍～1000倍，可用于飛機的機身等部位[19]。芳綸纖維制備的樹脂基增強復合材料應用于飛機客體中，可使飛機總重量大大減輕。

3.2軍事領域

隨著化學、核等新式軍用武器的發展，對軍用防護服的性能有更多新的要求：耐用、輕便、防彈、阻燃以及良好的環境適應性和偽裝性等。

用芳綸纖維制成的防彈背心和防彈頭盔可以取代老式尼龍背心和罐性鋼盔，在防彈背心和頭盔中加入適量芳綸，不僅可使其體積小、質量輕，而且防彈效能可提高40%。高檔防彈芳綸無緯布與高性能聚乙烯薄膜制成的軟質防彈背心，比超高分子量聚乙烯纖維具有更好的防彈性能和耐熱性[20]。芳綸纖維也可與其他材料(如金屬、陶瓷等)復合，制成各種高強度、耐沖擊的防爆罐、防彈盾牌和防彈裝甲板等。此外，將芳綸纖維織物黏結在結構物的內壁，可有效吸收爆炸波，防止彈片對人體的傷害。

3.3建筑領域

芳綸纖維織物的延展性好于碳纖維，材料自身重量輕、自由度靈活，是一種理想的建筑工程加固材料，尤其是在加固不規則形狀的構件時，由于其柔軟度好，在加固棱角時不必做倒角。將芳綸編織成鋼筋狀，可作為大型建筑物的水泥增強骨架，除了具有高強、質輕的優點外，還可耐腐蝕，可同時起到較好的抗剪切作用。

3.4交通領域

由于芳綸纖維密度小，可耐高、低溫，并對橡膠有良好的粘附性，可作為汽車或飛機的輪胎簾子線。由芳綸纖維制成的輪胎，重量輕、輪胎薄、滾動阻力低、輪胎承載力高，還有很好的耐磨性、耐切割性及耐刺穿性，且輪胎使用過程中接地壓力重心移動小，轉向性能好，熱量容易發散，不易變形，提高了汽車的乘坐舒適性，延長了輪胎的使用壽命，并可滿足現代超音速飛機對輪胎的使用要求[21]。

3.5電子電氣領域

芳綸纖維具有較高的強度和模量及較低的介電系數，電磁波透過率好，在同等剛度條件下，芳綸復合材料制作的雷達天線防護罩厚度比玻璃纖維復合材料可降低30%，電磁波透過率提高10%；芳綸與環氧、酚醛、聚酰亞胺等樹脂復合制成的層壓基板與陶瓷的線膨脹系數匹配度較高，在熱脹冷縮作用下不會引起開裂，可用于制作表面安裝技術中的特種印刷電路板，有利于電子設備的小型化和輕質化[22]。

利用芳綸纖維強度高、耐高溫等特性，用作光纖中的“張力構件”，可保護細小而脆弱的光纖受到拉力作用時不致伸長變形，不會影響光的傳輸。芳綸纖維與碳纖維的復合產品，有良好的可加工性和半導體性，并可耐高溫，多用于制作高電壓裝置中降低電場的材料。芳綸紙經過絕緣漆浸漬后，絕緣性好，與天然云母片結合用作耐熱性電機的絕緣材料。

3.6其他領域

芳綸纖維分子中含有大量苯環，化學穩定性好，耐腐蝕，比強度高，輕而堅牢，可用于制造海輪用和石油深井用纜繩。利用芳綸纖維耐高溫、耐疲勞等特性，以制作檔次較高的球拍、釣魚竿、雪橇、滑雪板、滑雪桿、弓箭、賽艇、高爾夫球桿等，還可用于制作運動條件苛刻的登山鞋靴、拳擊手套、賽車頭盔、賽車車體等。由于石棉對人體呼吸道有嚴重危害，可由芳綸替代石棉制成增強橡膠密封板等密封件，用于汽車制動器的襯墊和襯圈[23]。

4　芳綸纖維存在的問題

雖然我國對芳綸纖維的生產和應用已取得一定成果，但是與國外芳綸纖維的發展比較起來，還存在一些不足之處。首先，國產芳綸纖維易斷頭，纖維表面易起毛，吸濕性差，而且品種少、生產規模小，大分子排列緊密，染料分子不易進入，導致染色困難。其次，芳綸纖維軸向的壓縮性能和疲勞性能較差，表面處理技術還不夠成熟，機械加工時易分層。此外，芳綸纖維韌性大，其復合材料的機械加工性能差，不易被切斷，常規機械加工方法難以加工。所以尚需對其做進一步的研究。

5　展望

隨著近年來芳綸纖維制造與應用技術的發展，以及市場推廣力度的加大，纖維原料成本逐漸降低，芳綸纖維作為一種高性能纖維，以其多種優異性能而獲得廣泛應用。因此，國內芳綸纖維研制與生產單位應通盤協作，全面建立起我國芳綸纖維產業鏈研究與應用體系，滿足各行業對高性能芳綸纖維的需求，提高國產芳綸纖維產品制備技術，縮小與國際先進芳綸纖維產品的差距。

[1]鄭玉嬰,傅明連,王燦耀，等.芳綸纖維及其復合材料的研究進展[C].//第十三屆全國復合材料學術會議論文集.2004:1514-1518.

[2]張文惠，徐廣標.芳綸與PTFE基布針刺非織造布結構與透氣性能的測試評價[J].成都紡織高等專科學校學報，2015(4)：72-74.

[3]孔海娟,張蕊,周建軍，等.芳綸纖維的研究現狀與進展[J].中國材料進展,2013(11):676-684.

[4]余艷娥,譚艷君.新型高性能纖維——芳綸[J].高科技纖維與應用,2004,29(5):37-39.

[5]江明,陸趙情,張美云，等.對位芳綸纖維結構、性能及其應用[J].黑龍江造紙,2013,41(3):3-6,12.

[6]陳超峰,王鳳德,彭濤，等.對位芳綸及其復合材料發展思考[J].化工新型材料,2010,38(6):1-5.

[7]王鳳德,彭濤,陳超峰，等.對位芳綸及其復合材料綜述并產業化發展思考[J].化工新型材料,2010,38(S1):17.

[8]李曄.對位芳綸的發展現狀、技術分析及展望[J].合成纖維,2009,38(9):1-5,10.

[9]朱華,陳剛.芳綸1313纖維的特點及其在個體防護服裝領域的應用[J].中國安全生產科學技術,2014(5):159-164.

[10]李岱霖,陳家旺,劉洋，等.間位芳綸耐酸腐蝕性能及表面改性研究[J].上海紡織科技,2012,40(12):26-28.

[11]宋翠艷,宋西全,鄧召良，等.間位芳綸的技術現狀和發展方向[J].紡織學報,2012,33(6):125-128,135.

[12]袁海根,曾金芳,楊杰，等.芳綸表面改性研究進展[J].高科技纖維與應用,2005,30(2):26-33.

[13]陳超峰,彭濤,陳輝，等.芳綸表面改性研究進展[J].合成纖維,2010,39(11):6-9.

[14]金輝,王一雍.芳綸纖維表面改性技術及相關機理的研究進展[J].化工新型材料,2009,37(3):24-26,58.

[15]凌新龍,郭立富,黃繼偉，等.芳綸纖維表面改性技術研究現狀與進展[J].成都紡織高等專科學校學報，2016(2)：44-52.

[16]厲世能,顧嬡娟,梁國正，等.芳綸纖維表面改性的研究進展[J].化工新型材料,2012,40(4):1-3,13.

[17]凌新龍,周艷,黃繼偉，等.芳綸纖維表面改性研究進展[J].天津工業大學學報，2011,30(3):11-18.

[18]周玉璽,曾金芳,王斌，等.雜環芳綸纖維及其表面改性[J].纖維復合材料,2006,23(2):51-54.

[19]黃興山.芳綸的性能、應用和生產[J].化工時刊,2002,16(12):1-5.

[20]劉強,趙領航.芳綸在產業用紡織品中的應用及展望[J].棉紡織技術,2014,42(6):74-77.

[21]楊明煜.芳綸的應用分析[J].江蘇絲綢,2006(6):15-17.

[22]李新新,張慧萍,晏雄，等.芳綸纖維生產及應用狀況[J].天津紡織科技,2009(3):4-6,9.

[23]廖子龍.芳綸及其復合材料在航空結構中的應用[J].高科技纖維與應用,2008,33(4):25-29.

Research Status and Application of Aramid Fiber

SUNXiao-ting,GUOYa

(College of Textile & Clothing, Qingdao University, Qingdao 266071)

The varieties and properties of aramid fiber were introduced, the application fields and research status of aramid fiber at home and abroad were described and the existing problems of the current domestic aramid fiber were analyzed briefly.

aramid fiberpropertyapplicationresearch status

1008-5580(2016)03-0164-05

2016-05-12

孫曉婷(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設計。

TS102

A