論芳綸纖維研究進展及制定其相關標準的重要性

王釗磊 李昱芃 祝巍 韓業晶

摘要：芳綸是一種新型高科技合成纖維，具有良好的機械特性、超高強度、高模量并且有優異的阻燃、耐熱、耐酸堿、耐輻射、生命周期長等優良性能。其廣泛應用于國防軍工防彈制品、航天航空、建筑材料、體育用品、電子設備等領域。論文討論芳綸纖維的特性、應用、研究進展及制定相關標準的重要性。

關鍵詞：芳綸 應用 研究進展 相關標準

1 引言

芳綸是一種新型高科技纖維產品，其全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，最初是由美國杜邦公司于20世紀60年代初研制成功，其商品1972年首次問世，定名為“Kevlar”[1]。由于其與錦綸大分子的主鏈上都含有酰胺鍵，因此二者同屬酰胺類纖維，但不同的是芳綸中的酰胺鍵與苯環相連，而錦綸中的酰胺鍵則是與脂肪基相連。

通過分子結構的特性進行綜合考量，芳綸具有高強高模、低密度、耐磨、耐沖擊、耐酸堿、耐高溫且抗老化及優良的絕緣性等突出特性，其強度是鋼絲的5～6倍，模量是鋼絲、玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，但質量又與滌綸相近，僅為鋼絲的1/5左右[2]，因此其具有非常優異的力學性能、極高的尺寸穩定性、穩定的化學性能以及突出的介電性等特性。

由于酰胺鍵與苯環連接位置不同，致使芳綸存在分子結構的差異。因此，常見的芳綸種類可分為對位芳綸、間位芳綸及芳綸Ⅲ。

芳綸纖維作為新型高科技纖維，由于其極強特性，使其應用領域范圍極為廣泛。但相較其他棉、毛及滌綸等常見纖維，芳綸纖維及其制品開發問世時間較短，因此缺少相關技術標準。

2 制備原理及特性

對位芳綸，又稱芳綸1414、PPTA纖維。低溫溶液縮聚是合成對位芳綸最為常見且成熟的方法，將溶解在濃硫酸中的對苯二甲酰氯與苯二胺的低溫濃縮聚合物，通過干噴濕法紡絲而制成。

對位芳綸具有較高的熱分解及玻璃化溫度，因此熱穩定性好;極限氧指數較高，阻燃性好;在高溫環境下，力學性能穩定。但纖維表面缺少活性基團，致使壓縮強度及模量較低;酰胺基存于表面，吸濕性差，纖維浸濕，破壞氫鍵，導致強度下降;不耐強堿;對紫外線照射敏感，易影響其強度;內部結構排列緊密，染料很難進入分子，著色性能較差。

間位芳綸，又稱芳綸1313、PMIA纖維。其通過對間苯二胺與間苯二甲酰氯低溫縮聚反應形成聚合物，后可采用干法、濕法紡絲或干噴紡絲制得。

間位芳綸由于其酰胺鍵與苯環的連接，其分子鏈呈鋸齒狀，氫鍵作用明顯，因此具有優異的熱穩定、阻燃及耐輻射等特性;且與其他物質不易反應，穩定性好。但長期與強酸堿接觸，易發生反應;耐光性較差，且染色困難[3]。

芳綸Ⅲ，通過改變纖維形成加工工藝，將第三單元體5（6）-胺基-2-（4-胺基苯基）與大分子鏈共縮聚，因具有獨特的雜環狀結構，故又稱雜環芳綸。在其制備低溫溶液縮聚中加入N，N-二甲基乙酰胺及氧化鋰，并將第三單元體部分替代對苯二甲酰氯和對苯二胺，最終將聚合物通過紡絲及熱處理工藝制成[4]。

芳綸Ⅲ由于其獨特的結構，致使其具有高模量、高強度、耐腐蝕、耐超強高溫及絕緣性等特點，性能均優于對位芳綸。但其結晶區存在仲晶，結晶狀態不完善[5]，強力變異系數大，產量低，以致于應用范圍小。

3 國內外發展現狀

美國杜邦公司作為對位芳綸及間位芳綸的率先成功研發者，20世紀六七十年代便已實現產業化，不僅技術領先，其生產的對位芳綸產品Kevlar及間位芳綸產品Nomex的產量和銷量均處于世界首位[6]。除美國杜邦外，日本帝人公司也位處先列，兩公司產能共占全世界產能約79.1%，其中僅杜邦公司生產的間位芳綸便占全球總產量約50%。而作為軍事超級大國的俄羅斯，一直將重點放在芳綸Ⅲ的開發研制上，其由全蘇合成纖維科學研究院與俄聚合物纖維科學研究院研發，特威爾生產的與卡門斯克兩家公司生產的SVM、Armos和Rusar尤為突出。俄羅斯全國的芳綸Ⅲ全年總產能可達約2000 t[7]。而在全球范圍內，韓國及荷蘭等歐洲部分國家也致力于在芳綸研究發展方面有所突破。同時，歐洲、美國及日本也分列芳綸消費市場的前三位。

而我國對于芳綸的研發稍晚，于20世紀70年代起步，分別于1981年及1985年通過間位芳綸與對位芳綸的鑒定工作，之后一直處于嘗試階段[8]。但經過長期堅持不懈地努力，在三種芳綸方面均取得了一定突破：間位芳綸，經過擴大優化生產，現今我國產能已成為全球范圍內僅次于美國杜邦公司的第二大制造供應商[9]，具有一定的國際競爭力;對位芳綸的產能與質量雖與國際同類產品存在一定差距，但也在逐步攻破難關，已基本實現產業化;芳綸Ⅲ的國產也已突破百噸級工程化，具有一定的批量制造供應水平;其各項性能指標雖均優于對位芳綸，但由于其產能小，變異系數較大等問題，至今使用量較小。

目前，我國有60余所企業、高校及科研機構從事與芳綸及其產品相關的研究生產工作，分布在山東、廣東、上海、四川等全國各地，例如山東煙臺泰和新材料股份有限公司、廣東彩艷股份有限公司及中藍晨光化工研究院等在行業內較為知名。

4 應用領域

芳綸由于其綜合性能突出，是高性能纖維中發展最為迅速且重要的成員之一，其優異且全面的性能使得其以多種形式形態應用于諸多方面，尤其在高新科技領域日益扮演著重要角色。

4.1 建筑、橡膠、增強補強材料

對位芳綸在具有高模高強性的同時，又具備優良的柔軟性、質量輕且易進行材料復合，在應對場地、環境等客觀條件不佳時，可任意改變其形態以便使用。常應用于房屋、道路、隧道及橋梁各類建筑工程領域中的加固、補強、修復受損。將芳綸短切纖維均勻置于混凝土等建筑材料中，除增強效果外，抗彎效果也尤為顯著[10]。

4.2 運動器材

與碳纖維類似，通過利用芳綸抗老化、耐疲勞、耐高溫、可加工性好等特性，使其在鞋、球拍、球棒、自行車、球桿、賽車、賽艇等運動器材方面發揮了突出作用，受到專業人士的肯定及青睞，正逐步占領市場。芳綸高強質輕，具有出色的振動阻尼性能，阻尼系數是碳纖維、鑄鐵復合材料的5倍多，同時耐磨、耐沖擊，動態抗張力疲勞性明顯，使得其運動產品不僅輕便、結實、耐用，且具有極高的安全性，充分保障運動時的人員安全[11]。

4.3 交通設備

早期且較常見的芳綸在交通設備中的應用是利用其密度小且黏附性強的特點作為汽車等輪胎簾子線。由此制成的輪胎質輕、胎薄、耐磨、吸振、耐高溫、阻燃、尺寸穩定。而隨著芳綸產能的提高，成本下降，使得其正逐步應用于輪胎骨架、剎車片、保險杠等部件，降低油耗的同時，增加使用壽命，提高了安全性。同理，在造船方面也充分利用了芳綸以上特性，來制造快艇、帆船、漁船等小型船只、船舶。

4.4 國防軍事（個人防護）

芳綸復合材料，特別是芳綸Ⅲ制成的頭盔、防護服等軍事或防護裝備，質輕、抗振、高韌性，在保障防彈防護效果的同時，優良的耐熱性、柔軟性使得其穿戴輕便、舒適。目前，中國、美國、俄羅斯等軍事大國也已將芳綸的復合材料應用于洲際導彈，以及坦克、裝甲車、戰斗機、驅逐艦等作戰平臺的關鍵部位上，意義深遠[12]。

4.5 航空、航天

質輕，對極端惡劣條件的適應性是芳綸復合增強材料大力應用于航空、航天領域的重要原因。芳綸材料在增加使用壽命、減少燃油損耗、提高經濟效益的同時，最大限度地保障航天員的安全。

4.6 電子通信

對位芳綸應用于光纜中，依靠其作為“張力構件”，可提高其韌性、剛度及強度，保障傳送良好。而利用芳綸的介電性及尺寸穩定性，可制作質輕的電路板。

4.7 芳綸紙

依靠間位芳綸持久的熱穩定性、阻燃、絕緣化學穩定等特性，可制成芳綸紙，后可加工制成芳綸云母紙、柔性材料及絕緣材料等。

4.8 其他

由于芳綸織物或其復合材料的諸多優異特性，在橡膠領域、環保過濾材料方面也發揮著十分突出且日益顯著的作用。

5 制定相關標準的重要性

芳綸廣泛應用于建筑材料、運動器材、國防軍事、航天航空、體育用品、電子通信及設備等諸多領域，并已實現批量化生產并逐步擴大市場及應用。但芳綸纖維相關標準較少，此情況我國尤為明顯，除FZ/T 12023《芳綸1313本色紗線》、FZ/T 12041《芳綸色紡紗線》、FZ/T 12056《對位芳綸（中長型）本色紗線》 等芳綸產品標準外，其他測試方法標準較少。例如我國除最新發布實施的GB/T 2910.25《紡織品 定量化學分析 第25部分：聚酯纖維與某些其他纖維的混合物（三氯乙酸/三氯甲烷法）》及GB/T 2910.26《紡織品 定量化學分析 第26部分：三聚氰胺纖維與棉或芳綸的混合物（熱甲酸法）》外，目前暫無涉及芳綸的纖維含量定量方法標準，而美日等發達國家均已出臺如AATCC 20A《纖維成分定量分析》、JIS L 1030-2《紡織品纖維混合物數量分析的測試方法 第2部分：纖維混合物數量分析的測試方法》等試驗標準。

所以為統一芳綸纖維在行業內的技術要求，急需制定相關國家標準，以滿足市場需求，便于管理約束，并為實施售后服務、擴大競爭創造條件。制定相關國家標準不僅可以規范社會生產活動、規范市場行為，讓遍布各地的企業在技術上保持高度的統一，且為衡量產品質量好壞提供了主要依據。惟有通過制定并提供統一完善的技術標準，方可使得先進的科技成果轉化為生產力，從而產生更好的經濟效益和社會效益。

6 結語

芳綸作為優異的高科技、高性能纖維，應用于我們社會及生活的方方面面，未來需求大，應用前景良好，其重要性正日益彰顯。我國雖在此領域取得了一定進步，但與世界領先水平仍有一定距離，總體產能較小，技術不成熟，相應標準缺失，急需全面加強各方合作，提高重視，加大投入，致力研發，并出臺完善相關標準，以適應市場，維護秩序，同時逐步縮短差距。

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