芳纶纤维的分类与形态和在工业领域中的应用

[编辑:Cyx]  [发布时间:2016-03-28 09:03:32]  [锦桥纺织网]

赵春保（上海化工研究院技术开发中心）

　　
　　一、前言
　　目前，国际市场上一些公司依然热衷于芳纶纤维项目的投资与扩建工作，如美国杜邦公司宣布扩大高性能对位芳纶的产能，该公司计划投入5亿美元，在位于南卡罗莱纳州库珀河的该公司设施内新建工厂，扩大其高性能对位芳纶(Para-aramid)纤维品牌“KEVLAR”的产能。Para-aramid主要被应用于产业及军事领域还有如中国最大的间位芳纶纤维制造与供应商—烟台氨纶股份有限公司用于防护服及过滤等高耐热性、年产1500吨间位芳纶生产线扩能项目已经在2008年下半年胜利竣工，并已投入生产。此次扩能改造使该公司的间位芳纶总产能提升到4300吨/年。何谓芳纶纤维呢？芳纶纤维通称为芳香族聚酰胺纤维，为区别脂肪族聚酰胺（通称为尼龙），美国将芳香族聚酰胺称为Aramid，将它制造的纤维称为芳纶纤维。芳纶纤维主要品种有：聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，称为芳纶1313，又称为间位芳纶；聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，称为芳纶1414。芳纶纤维广泛应用于信息工业、土木建筑、密封填料、大型客机的结构材料及抗燃、耐热的防护服等。据统计，目前芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占7%~8%，航空航天材料、体育用材料约占40%，轮胎骨架材料、传送带材料等约占20%，高强绳索等约占13%。而作为增强材料，芳纶纤维有其不可替代的作用。特别是在异彩纷呈的高性能纤维大家族中，芳纶以其卓越的耐热阻燃性、电绝缘性和力学性能，兼有超高强度、高模量优异品种，成为先进防护材料和结构材料的重要基础原料，不仅在航空、航天、国防、电子等尖端领域大显身手，而且开辟出更加广阔的民用空间，已成为当今世界用途最广、产量最大、最有发展前途的高科技特种纤维。

　　二、芳纶纤维的发展历史
　　芳纶纤维诞生于20世纪60年代末，最初作为宇宙开发材料和重要的战略物资而秘不示人，平添了许多神秘色彩。冷战结束后，芳纶作为高技术含量的纤维材料大量用于民生领域，才逐渐露出庐山真颜。芳纶最早由美国杜邦公司研制成功并实现工业化生产，其间位芳纶注册为Nomex（诺美克斯），对位芳纶注册为Kevlar（凯芙拉），二者分别在世界间位、对位芳纶领域占据着主导地位。例如防火纤维芳纶1313最早由美国杜邦公司研制成功，并于1967年实现了工业化生产，产品注册为Nomex（诺美克斯）。这是一种柔软洁白、纤细蓬松、富有光泽的纤维，外观与普通化纤并无二致，却集众长于一身，拥有超乎寻常的“特异功能”。几乎与防火纤维芳纶1313的发明同步，美国杜邦公司在20世纪60年代末研制出另一种高性能合成纤维-防弹纤维芳纶1414，其商品于1972年首次问世，定名为Kevlar（凯芙拉）。芳纶1414外观呈金黄色，貌似闪亮的金属丝线，实际上是由刚性长分子构成的液晶态聚合物。由于其分子链沿长度方向高度取向，并且具有极强的链间结合力，从而赋予纤维空前的高强度、高模量和耐高温特性。芳纶1414的发现被认为是材料界发展的一个的重要进程碑。芳纶1414有极高的强度，大于28克/旦，是优质钢材的5-6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢材的2倍，而重量仅为钢材的1/5。（芳纶1414的的强韧性也使其裁切与加工异常困难，需要昂贵的专用工具）。长期以来，由于投资成本高、技术难度大，世界上仅美国、日本和前苏联有能力进行生产，工艺技术属于绝密，产品被视为战略物资而严加管制。目前，全球芳纶市场主要由美国杜邦公司、日本帝人公司以及烟台氨纶股份有限公司三大芳纶供应商来瓜分。

　　三、芳纶纤维的分类与形态和性能
　　1.芳纶纤维的分类
　　芳纶纤维根据其化学结构的不同，可以分为两种主要类型：一类是以耐热性、难燃性为特征的间位芳纶，全称为聚对间苯二甲酰间苯二胺，英文缩写为PMTA，美国商品名为Nomex，我国称为芳纶1313；一类是以高强度、高弹性模量、耐热性为特征的对位芳纶，全称为聚对苯二甲酰对苯二胺，英文缩写为PPTA，商品名美国为Kevlar，日本为Technora，荷兰为Twaron，俄罗斯为Tevlon，我国称为芳纶1414。
　　芳纶纤维是一种耐高温的高强度高弹模特种纤维，兼有无机纤维的机械性能和有机纤维的加工性能，密度与聚酯纤维相当。同时还具有极好的耐化学腐蚀性，耐辐射性，耐疲劳性，尺寸稳定性等优良性能以及与橡胶树脂一定的粘合性能。目前产品有浆粕和纤维两种形态。成为航空航天、橡胶、树脂工业、电子电器设备、运输工具、体育器材及土木建筑等各种领域的新型材料。尤其以芳纶纤维制备的高性能芳纶纸复合材料可广泛用作高级电器绝缘材料、印刷线路板及电磁波防护材料等而备受瞩目。
　　2.芳纶纤维的形态
　　1414纤维为亮黄色，1313纤维为亮白色。分别具有短纤维（或长丝）和浆粕纤维（或称沉析纤维）两种纤维形态。长丝主要用于纺织、橡胶等领域，造纸行业中使用短纤维和浆粕纤维。
　　3.芳纶的应用特性
　　3.1不导电性
　　在现代的工程中，如地铁、隧道、电气化铁路以及工业厂房等等，都对绝缘性要求很高，在这些工程的加固补强中，芳纶纤维有着绝对优势，也给这些领域提供了一个最佳的选择机会。
　　3.2耐腐蚀性好
　　特别是耐强碱腐蚀，是其他FRP复合材料不能相比的，由于在海水对混凝土结构有很强的腐蚀性，主要是因为里面含氯离子较多的缘故，导致混凝土碳化，钢筋锈蚀膨胀，所以在一些海港码头工程的加固及防护中，芳纶纤维是最佳的选择。
　　3.3抗冲击性好
　　由于芳纶纤维的弹模是118Gpa，延性特别好，它的延伸率为1.8％，所以刚开始时它在国外是用作军工产品，如防弹衣等。用它加固一些对冲击性要求很严的结构中，如主航道的桥墩等。
　　3.4抗动载抗疲劳性能好
　　虽然碳纤维的抗拉强度非常高，但由于它是一种脆性材料，只能承受长期的静荷载，如果长期承受动载，就不能保证它的强度了，芳纶纤维则不受这个限制，早期主要用于军工产品，而且是防弹衣的主要材料，由于其韧性比较好，所以相应的其抗疲劳能力就非常好，另外，芳纶纤维的抗剪切能力也是所有FRP材料中最强的。
　　3.5施工方便
　　主要是以下几个步骤，表面处理--涂刷底胶--底层浸渍树脂--粘贴芳纶布--外层浸渍树脂--表面防护，而且操作非常简单。不需要大型的吊装机械设备，一般不需要做倒角，方形柱子的倒角只要做10ram就可以了，因为芳纶是一种有机材料，与树脂的浸润性很好，且养护时间很短一般为几个小时，而类似其它纤维则需要一至二周。

　　四、芳纶布在结构加固工程中应用的领域
　　1.梁
　　主要是桥梁和民用建筑或工业产房，加固的方式包括抗弯和抗剪，在进行抗弯加固时，芳纶布的纤维方向与梁的轴向一致，一般贴在梁的受拉侧，以提高梁的承载能力。据有关试验得出，只要该梁不是超筋梁，贴一层AK一40可以提高承载30％左右，贴两层可以提高40％左右；在进行抗剪加固时，芳纶布的纤维方向与梁的轴向垂直。
　　2.柱子
　　芳纶布是一种理想的柱子加固材料，首先，因为芳纶的弹模是118Gpa，相对于碳纤维(弹模230Gpa)，所以它的延性较好；其次，在进行棱角打磨时一般只需要l0mm左右，一般不需打磨，而碳纤维则需要30rnm左右。芳纶就可以节约很多工时。最后，由于芳纶布是一种柔软的布，所以追随性很好，特别是对于形状不规则的承台，芳纶布是一种理想的加固材料。
　　3.砌体、板
　　一般对于板的加固净空要求比较高，而且加固后要不影响其外观，所以用厚度很薄且柔软的FRP复合材料进行加固是一种理想的选择。
　　4.烟囱、水塔
　　由于象烟囱水塔这样向高空发展的结构，加固维修特别困难，传统方法基本上很难解决这样的问题，而轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的芳纶纤维就是一种很好的选择。
　　5.地铁隧道
　　由于地铁和隧道是一种在地下工作的结构，所以它的受力与地面结构是不一样的，在洞顶和洞测都有土的力的作用，而且它也有净空的要求，所以进行裂缝修补时，传统的加固方法可能性很小，用芳纶布进行加固维修就可以满足它的各方面要求，因为在地铁或隧道的拱定或侧壁的裂缝一般是多向且不规则的，这就要求它的修复材料必须具有良好的抗剪性能才行，而且芳纶还是一种不导电的FRP材料，所以芳纶布在隧道地铁工程中是一种最佳的选择。

　　五、结束语
　　发展具有差别化、功能化、特殊意义的高性能纤维和特种纤维是21世纪的主要研究课题，芳香族聚酰胺纤维作为典型的高性能纤维必将得到全面的发展。现代国防、消防、化工、冶金、水电、地矿、核工业等行业对具有隔热、透气、阻燃、耐温、耐腐蚀的特种材料的需求也将造就一个潜在的巨大市场。通过改性、新型成型技术和差别化研究，进一步改善其压缩强度、耐疲劳强度、弯曲模量、耐水耐光性能和表面粘合力，提高其使用性能，改善加工条件，降低生产成本，可以预计随着芳纶纤维生产技术和应用技术的革新，与芳纶纤维相关的功能纺织品将会得到更广泛的应用。特别是随着我国国民经济的飞速发展，现在及今后相当长的一段时期，各类桥梁及房屋建筑结构的维修、加固、改造将成为建设工程的侧重点。目前国内常用的加固方法主要有以下几种：纤维布复合材料加固、粘钢板、体外预应力扩大截面等方法。芳纶纤维复合材料具有鲜明的特点，并且由于其性价比有明显优势，相信会越来越被广泛地应用，成为旧危桥加固应用最广的新技术。另外，军用以及国防领域对该产品需求也出现了增长趋势，从而使国际市场上的公司对新型芳纶纤维的研发工作也得到了进一步拓展，如2008年获得的消息称，美国杜邦公司发表新型芳纶纤维KelarXP。KelarXP通过新的织物技术及新的涂层技术，提高了防弹能力，作为防护面料其舒适性极佳。在杜邦及其独立机构的试验中，由11层KelarXP构成的防弹背心，在第三层就能挡住子弹，剩下的各层用来缓冲子弹的冲击力，可减轻着用者的外伤。着用44口径手枪用防弹服时，KelarXP能分散15%的子弹冲击力，而且背心重量至少减轻10%。据杜邦公司介绍，目前市场上的轻质材料，通常是指20-40层的背心，其最低需要9层才能挡住子弹。