对位芳纶纤维的发展及应用

前言

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 芳纶包括芳香族聚酰胺纤维和芳香族聚酰亚胺纤维。本文提及的高强高模芳纶是指芳香族对位聚酰胺纤维，即对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)。是一种新型高科技合成纤维，具有高强度、高模量、高结晶度和高取向度，同时还具有耐磨、阻燃、耐化学腐蚀、绝缘、防割、抗疲劳、柔韧性好、尺寸稳定性好等性能，由于其出色的热稳定性能和化学惰性，使其在高性能复合材料增强纤维中占有重要地位，主要用于航空、航天、造船、医疗器械和体育用品等领域。

对位芳纶的结构及性能

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（1）对位芳纶纤维是芳香族聚合物纤维，是以对苯二胺和对苯二甲酰为原料，在有机溶液中进行低温缩聚，得到高性能、高结晶度的树脂采用液晶纺丝新技术，溶于浓硫酸或六甲基磷酸酰胺等一些溶剂中配成纺丝原液，然后用干湿法纺丝的技术制备而成。

（2）对位芳纶纤维的分子链是由苯环和酰胺基按一定规律排列而成。酰胺基团的位置又都在苯环的直位上，所以这种聚合物具有良好的规整性，致使对位芳纶纤维具有高结晶度。这种刚性的聚集状分子链，在纤维轴向是高取向的，分子链上的氢原子将和其它分子链上的羰基(酰胺基团内)结合生成氢键，成为高聚物分子间的横向联结。对位芳纶纤维这种苯环结构，使它的分子链难于旋转，高聚物分子不能折叠，又是伸展状态，形成体状结构，所以使纤维具有很高的模量。聚合物线性结构的分子间排列十分紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子，这种高致密特性使纤维具有较高的强度。

导电纤维的应用

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      军事方面最典型的是防弹衣及防弹头盔，玻璃化转变温度高和优异的热稳定性使芳纶纤维在弹道冲击所产生的高温度下可以保证抗冲击结构的稳定性；高结晶、高取向性产生了高模量，保证了对轴向变形的快速反应；高弹性和中等延伸率使芳纶纤维。具有高韧性，从而在纵向断裂时能有效工作。芳纶及其复合材料以其优越的使用性能而被广 泛应用于装甲领域，用于增强、减重，并被称为第2 代复合装甲材料。

（2）航天领域

      在航天方面，主要用作运载火箭发动机壳体和压力容器，用作人造卫星太阳电池阵基板、抛物面天线反射器、SAR天线电气板和各种连接管杆件等， 用作宇宙飞船的驾驶舱，氧气、氮气和氦气的容器以及通风管道等。芳纶或混杂芳纶复合材料已作为二次结构材料 在航空领域成熟应用，如超大型民航机波音B757 的货舱、B787的客舱等。

（3）建筑领域

      高层大型建筑可用芳纶作水泥增强骨架，将芳纶编织成钢筋状、做成预应力混泥土加强筋，使建筑本身的重量大大减轻，在抗剪切等方面起到重要作用，如在上海东方明珠电视塔的建筑中，就使用了芳纶增强混凝土材料。芳纶也可用作建筑物的加固修复，其中芳纶纤维布在旧桥加固的应用范围比较广，如广东省惠州西枝江大桥为跨钢架拱桥采用对位芳纶复合材料高层大型建筑可用芳纶作水泥增强骨架，将芳纶编织成钢筋状、做成预应力混泥土加强筋，使建筑本身的重量大大减轻，在抗剪切等方面起到重要作用。

（4）管道领域

      Kevlar纤维是软管增强材料的最佳选择。目前，越来越多的汽车软管、化学工业用软管、石油工业用软管、航空工业用各种液压软管以及海洋用软管都采用Kevlar纤维作增强材料。美国Chrysler公司和Gates公司则采用Kelvar纤维作为汽车冷却装置软管的增强材料制成了温度可达150℃左右的汽车冷却胶管。Gates公司、美国Goodall公司将芳纶纤维制成了用于核电站、化工厂和石油勘探方面的大口径胶管。

总结

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 国内对位芳纶复合材料的发展目前基本进入轨迹，但还存在价格高，国内对位芳纶质量不过关，复合界面性能差、复合材料结构件设计及性能评价体系相对薄弱的问题。针对以上问题，首先要求国内芳纶生产厂家要把国产芳纶质量作好，避免受到国外限制；其次优先开发现行对位芳纶不可替代的复合材料领域，如防弹衣，防弹头盔等，并与碳纤维，玻璃钢复合材料对比，发掘具有独特优点新的对位芳纶或三者混杂新型复合材料；另外加强复合材料研究单位与对位芳纶生产厂家的交流合作，一是从组份、结构、功能三者结合形成芳纶复合材料结构设计方面，及对复合材料性能评价方面打下更好的基础，二是有利于芳纶生产厂家深入理解，并生产出适合于复合材料用质量要求的对位芳纶产品；最后加强改善芳纶复合界面粘合力差的缺陷，通过研发树酯体系及芳纶表面改性技术组合，使芳纶纤维界面复合性能达到要求。

作者：杨戬

校对：祝申博 王雅雪 姚深冬

附录

（1）曹付军,张江,等. 对位芳纶复合材料[J]. 化工时刊,2014,28(1):35-37.DOI:10.3969/j.issn.1002-154X.2014.01.011.

（2）周美进,邓飞. 对位芳纶复合材料的研究进展[J]. 合成技术及应用,2016,31(4):22-27. DOI:10.3969/j.issn.1006-334X.2016.04.005.

（3）邱召明,刘晓丽,王忠伟,等. 对位芳纶在复合材料领域的应用[J]. 高科技纤维与应用,2016,41(6):31-34. DOI:10.3969/j.issn.1007-9815.2016.06.006.

（4）王凤德,彭涛,陈超峰. 对位芳纶及其复合材料综述并产业化发展思考[J]. 化工新型材料,2010,38(z1):205. DOI:10.3969/j.issn.1006-3536.2010.z1.063.