芳纶：21世纪的重要材料！
芳纶简介
芳纶是指以芳香族化合物为原料经缩聚纺丝制得的高科技合成纤维，全称为芳香族聚酰胺纤维，1974年，美国贸易联合会将其命名为“Aramid fiber”，简称AF。其定义是：至少有85%的酰胺键（-CONH-）直接与两个苯环中的碳原子相连接。芳纶和碳纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维一起统称为世界3大高性能纤维。
芳纶具有轻质、阻燃、耐温、绝缘、抗辐射、高强度、高弹性模量等优异特性；广泛应用于军事国防、安全防护、航空航天、环保、电子电气材料等领域。
芳纶的分类
目前实现工业化生产的主要是间位芳纶（芳纶1313）和对位芳纶（芳纶1414）。间位芳纶（芳纶1313）的分子是由酰胺基团相互连接间位苯基所构成的锯齿形线型大分子。在它的晶体里氢键在2个平面上存在，如格子状排列，从而形成了氢桥的三维结构；对位芳纶（芳纶1414）的大分子结构是酰胺键连接在苯环的对位，形成一种近似刚性的直链结构，是一种主链型高分子液晶聚合物。两者化学结构相似，但性能差异较大，应用领域各有不同。
间位芳纶具有突出的耐高温、阻燃和绝缘性，主要应用于高温防护服、电绝缘和高温过滤等领域。对位芳纶则具有高强度高模量的特点，主要应用于个体防护、防弹装甲、力学橡胶制品、高强缆绳、石棉替代品等。
1、间位芳纶
间位芳纶全称聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，俗称芳纶 1313，有“防火纤维”之美称，是一种综合性能优异的有机耐高温阻燃纤维，是一种热稳定性高、阻燃性突出和电绝缘性好的高性能纤维材料，被广泛应用于安全防护、环境保护和现代工业等领域。
在安全防护领域，间位芳纶制成的防护服装、防护手套等安全防护装备，能有效抵御高温、火焰、电弧等作业伤害，大限度保护劳动者安全，广泛应用于军队、消防、石油、电力、林业等领域；
在环境保护领域，间位芳纶可加工成针刺无纺布、机织滤布，广泛应用于水泥、钢铁、筑路等行业的高温烟气过滤，除尘效率达99.99%，可大大减少空气污染物的排放，实现环境保护绿色可持续发展；
在现代工业领域，间位芳纶以其耐温、阻燃、绝缘等特性，在各类高温输送装备、电力变送装备、电气绝缘装备及其他工业生产领域得到广泛应用，是现代制造业的基础性、关键性材料。
间位芳纶化学结构式
2、对位芳纶
对位芳纶全称聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，俗称芳纶1414，有“防弹纤维”之美称，是当今世界产量大、用途广的高性能纤维之一。在汽车工业领域，对位芳纶是汽车胶管、轮胎、同步带中不可缺少的骨架增强材料，是刹车片、离合器片中重要的环保型增强耐磨材料，尤其是环保型涡轮增压汽车，芳纶的应用更是不可替代；在信息通信领域，对位芳纶的应用，极大的推动通信行业的发展，对位芳纶如今几乎应用于所有的光纤光缆、新型手机电池等信息及通信产品，其在加快通信现代化建设中发挥重要作用。
芳纶的发展历程
芳纶的主要性能特点
芳纶具有轻质、阻燃、耐温、绝缘、抗辐射、高强度、高弹性模量等优异特性；广泛应用于军事国防、安全防护、航空航天、环保、电子电气材料等领域。
1、力学性能
对位芳纶显著的特性是高强度、高模量，其强度大于25克/旦，是优质钢材的5～6倍、玻纤的3倍、高强尼龙工业丝的2倍；模量是优质钢材或玻璃纤维的2～3倍、高强尼龙工业丝的10倍；韧性是钢丝的2倍。另外芳纶纤维重量轻，其重量仅为钢丝的1/5左右。
对位芳纶与其他高强度纤维的性能比较
2、耐热性能
芳纶纤维具有长久的热稳定性，芳纶1313在130℃时强度几乎无损失，可以在220℃使用十年以上，在260℃高温下100小时，机械强度仍保持原来的65%，400℃左右开始碳化而不熔融。芳纶1414的耐热性更胜芳纶1313一筹，在150℃下的收缩率为0，在560℃的高温下不分解不熔融。而锦纶和聚酯的强力和模量均随温度的升高而下降。各纤维材料的热性能指标如下表所示。
3、阻燃性能
通常空气中氧气含量为21%，而芳纶1313的极限氧指数大于28%，芳纶1414的极限氧指数在30%左右，属于难燃纤维，所以不会在空气中燃烧，也不助燃，有自熄性，不产生熔滴，遇到极高温度时，纤维会迅速膨胀碳化，形成特有的绝热层，能阻挡外部的热量传入内部，起到有效的保护作用。这种源于本身分子结构的固有特性使芳纶永久阻燃，具有“防火纤维”之美称。
4、耐化学腐蚀性能
芳纶纤维具有优良的耐化学腐蚀性能，通常只有把芳纶长时间暴露在浓度相对高的酸或碱溶液中，才会对芳纶的性能产生显著影响。并且，芳纶对霉菌或锈蚀不敏感。
5、电绝缘性
芳纶纤维电导率很低，而且由于纤维吸湿性较差，使其在高低温和高低湿度环境中均可以保持优良的电绝缘性能。用芳纶1313制备的绝缘纸耐击穿电压可达到100kV/mm。芳纶1414的电阻达到5×1014Ω/cm。由于出色的电绝缘性能，使其在电子电气领域有着很好的应用前景。
除以上介绍的性能之外，芳纶帘线还具有较好的抗老化性、耐磨性以及耐辐射性能等。作为一类高性能材料，芳纶的优异性能在不同的领域被开发应用。
芳纶的应用领域
1、军事国防领域
芳纶复合材料可以制造导弹的固体火箭发动机壳、压力容器、宇宙飞船驾驶舱、潜艇、防弹装甲车、防弹运钞车、防弹板、防弹头盔、防弹衣等。
1）防弹头盔
芳纶防弹头盔与之前的金属头盔相比，质量大幅度减轻，防护面积增加，舒适性提高，样式美观，成型性好。我国开发成功的QGF02型芳纶防弹头盔，有效防护面积达到1266cm2，比原来的钢制头盔GK80增加了16%，而质量仅1.25Kg，其V50值(国际防弹装备品评价标准)达到630m/s。
2）防弹衣
随着化学、核武等新式传感系统的发展，对军用防护要求显著提高，不仅要求能适应环境、生理要求，还要求轻便、耐用、防弹、抗化学、阻燃及良好的伪装性能等。现代战训服主要是芳纶1313、芳纶1414等，比以前的尼龙面料轻了20%，且具有阻燃防火、防静电等功能。采用芳纶材料可以使防弹背心质量轻、体积小，显著改善防弹性能，防弹效果可提高40%。
杜邦推出的Kelvar Comfort AS 288型防弹织物中，芳纶纤维展开用于吸收子弹的能量，又足够致密可阻止刀刺，采用该织物所生产的改进背心，可提供高于Ⅲ级水平的子弹防护，厚度低于8mm。高档防弹芳纶的无纬布与高性能的聚乙烯薄膜制成的软质防弹背心，比超高相对分子质量的聚乙烯纤维的防弹性能和耐热性能更好。
3）防弹装甲
芳纶与金属复合装甲板和芳纶与陶瓷复合装甲板已广泛应用于防弹装甲车、防弹运钞车上。美国的M1型主战坦克装甲使用了芳纶复合材料，用于防子弹、穿甲弹、破甲弹等；LAV-25步战车乘员位置附近加装芳纶衬层，用于防止穿透装甲的弹丸、破片以及崩落的装甲碎块伤害车内乘员。
目前，芳纶头盔、芳纶防弹衣等已广泛应用于多国部队，如中国、俄罗斯、美国、德国、日本、荷兰、以色列等。
2、安全防护领域
个体防护装备的阻燃耐高温性能是保障人员安全的重要条件。随着材料科学技术及纺织加工技术的发展，阻燃防护服已经由暂时性阻燃整理、半耐久性阻燃整理逐步发展为耐久性阻燃整理以及本质阻燃材料的应用。
1）消防服
芳纶是本质阻燃纤维，所加工的面料无需处理，即具有永久、高校的阻燃功能。芳纶纤维的出现，给消防服带来了革命性的变革。消防服主要是消防人员穿着用来灭火和救护生命。在剧热环境下，必须能够提供30~120S的时间以确保消防人员抢险后能安全地离开，因此，消防服的外层必须具备足够的热稳定性和热机械强度以避免熔融或破裂，这就要求有较高的芳纶含量，一般是对位芳纶含量＞25%。
2）防火耐热工作服
芳纶优异的耐热性以及在高温下表现出很好的尺寸稳定性，对于防护服来说非常重要，因为一般纺织纤维尤其是合成纤维，在高温下会出现较大程度的收缩及熔融滴落，用这种材料制作的防护服预热后出现较大的尺寸变化，会严重影响其防护性能。例如，外层293g/m2的芳纶面料、里层177g/m2的阻燃棉的双层组合热防护服TPP值（热防护性能值，Thermal protective performance）为2.19，防护时间为11.8S；而外层361 g/m2的阻燃涤棉、里层127 g/m2阻燃棉的双层组合热防护服TPP值仅为1.67，防护时间仅为6.7S。
使用芳纶1313的工业防护服装，已经在石油化工、普通化工、电力和煤炭等行业得到一定程度的应用，部分替代了由阻燃棉和化学纤维制作的防护服装，充分显示了其优异的阻燃、隔热、抗爆性能和经久耐用的特点。还可加工成家庭及敬老院、医院、宾馆、酒店、歌厅、影院等公共场所必备的防火纺织品。
3）防电弧服
电弧危害是工业生产中，特别是涉及高压电器设备的场所常见的一种剧烈放电现象，具有事故现场温度极高、爆炸破坏严重、同时对工业设备和作业人员人身安全造成危害等特点。
在我国相关标准中规定，对于经电弧危害分析可能面临电弧能量不小于25.74J/cm2的人员，或进入可能有电弧危害区域的人员应配备电弧防护用品，包括电弧防护服、电弧防护头罩、电弧防护手套和电弧防护鞋罩等。
芳纶纤维用于电弧危害的防护，有着独特的优势，因为纤维在400℃以上开始热裂解并形成具有一定强度的碳化膜隔阻层，能够阻止热流向服装内部穿透，因此可以起到有效防护作用。实践证明，使用芳纶纤维制作电弧防护用品，可以提供令人满意的作业现场电弧危害防护。
4）防护手套等用品
由于人们不得不去从事一些非常危险的工作，因此时而会遇到切伤、擦伤和灼伤等，因此需要防护手套等用品。
采用芳纶与高强聚乙烯、不锈钢丝等材料符合，开发生产防割、防穿刺、防撕裂等防机械损伤纺织品，可制作成手套、工作裙、袖套、护腿罩等，可减少甚至避免人员受到伤害。上述制品主要用于建筑、林业、金属加工、树木修剪等行业，例如400g/双对位芳纶防割手套比800g/双的涤/棉手套的抗切割性好得多。以往链锯操作防护服由尼龙制成，现改用对位芳纶织物和毡复合制成，6层复合就可以达到尼龙材料12层的防护效果，并且具有质量轻、穿着舒适灵活等优点。
3、橡胶补强领域
由于橡胶的弹性大，弹性模量较低，在外力作用下极易产生变形，因此很多橡胶制品都必须用纤维材料或金属材料作为骨架。以芳纶制成的帘子布、线绳、纱线、帆布、整体带芯、直经直纬织物等被用作轮胎、动力传动胶带、物料输送胶带、胶管的骨架材料。
1）轮胎
由于芳纶具有许多优异性能和耐高低温性能，因此可以作为航空轮胎和汽车轮胎的帘线材料。采用芳纶帘线作为骨架材料的轮胎，具有许多优点：轮胎重量轻，乘坐舒适性好；轮胎滚动阻力低，节油性能提高；安全性高，不易爆胎等。
用芳纶制作的航空轮胎能很好地满足现代超音速飞机能很好地满足现代超音速飞机对轮胎的高速度、高载荷、耐高温、耐屈挠和耐着陆高冲击性的要求。在汽车轮胎中，芳纶主要用于替代钢丝，不仅能减小轮胎质量，而且可提高耐用性和改善乘坐舒适性。用芳纶替代钢丝，一条载重轮胎质量可减小9Kg，一辆配置18条轮胎的载重汽车质量可减小162Kg。全球知名钢丝帘线企业贝卡尔特公司公布的数据显示，当钢丝帘线强度从普通强度提高到高强度、超高强度时，轮胎滚动阻力降低幅度在3%~7%。对年产1000万条的轮胎企业来说，每降低7%的滚动阻力，就意味着为社会节约10亿元燃油，减少31万吨二氧化碳排放量。而据介绍芳纶材料应用于绿色环保轮胎可以使高性能轿车子午线轮胎平均质量减轻10%，滚动阻力下降12%。芳纶也因此成为了近些年应用增长快的骨架材料之一。
芳纶短纤维还被掺用到轮胎胎面等部件胶料和V带底胶胶料中起补强作用。芳纶甚至可与树脂结合取代钢丝制成轮胎胎圈，大大减轻轮胎的质量。据美国Dopont和荷兰Acordis-Akzo公司都报道，加上芳纶短纤维，2010年全世界轮胎制造业消耗了6Kt以上的芳纶。
2）胶带
胶带通常是指绕在两个或两个以上的带轮上进行环绕运动、用以传递动力或物料的柔性条状制品。按其功能可分为输送带和传动带两大类。
芳纶制作的胶带具有质量小、耐冲击和耐磨性好等特点。在同等强度下，芳纶输送带较传统钢丝输送带质量减轻30%~60%。采用芳纶1414代替钢丝，避免了电磁对带芯的干扰，提高了输送带的耐磨性，广泛应用于矿山、港口等领域，具有高强、轻质、耐腐蚀、阻燃等特点。
3）胶管
随着科技的进步，对胶管性能的要求也越来越高，采用钢丝、锦纶、聚酯和人造纤维作为骨架材料的传统胶管，管体质量及抗压能力已不能满足现在的工作环境要求，而性能优异的芳纶可替代传统骨架材料，提高胶管抗压强度，减小管体质量。
目前，芳纶已应用于汽车工业、石油工业、航空海洋等领域液压管和软管的增强材料。例如：美国Gates橡胶公司将芳纶用作汽车冷却装置软胶管、大口径采油胶管、大口径输泥浆软胶管、高压航空胶管等产品的增强材料。美国通用、福特公司汽车散热器采用的就是芳纶胶管，可在150℃下正常工作。
4、环保领域
芳纶具有优异的耐热性、阻燃性和化学稳定性，可在高温恶劣环境中长期工作，是加工耐高温过滤袋的理想材料，用于钢铁、水泥、炭黑等空气污染较重领域的高温烟尘过滤。
由芳纶1313纤维所织成的非织造布具有非常好的过滤粉尘性质，例如：380g/m2的间位芳纶非织造布作为高温过滤布具有较涤纶布530 g/m2及腈纶布600 g/m2更好的过滤性质。在袋式除尘领域，对于间位芳纶滤袋，在废气温度不超过200℃，湿度6%，SO2的含量为100ppm的情况下，使用寿命超过两年。
5、电子电气材料领域
1）天线结构件
芳纶复合材料被用于雷达整机中的结构件、雷达天线等功能部件的制作以及机壳、机架等。由于结构件轻、谐振频率高，特别适用于制作机载、星载天线结构。美国RCA公司为多颗卫星研制的多部抛物面大线中，其反射面均采用Kelvar纤维织物增强复合材料制造。
芳纶复合材料还被用于雷达罩，雷达罩是一种保护雷达或天线的罩体，随着现代技术的发展，要求雷达罩具有高强度、质量轻、透波性好、反射率低及电磁波透过后畸变小等特性。芳纶复合材料的介电常数远低于玻璃钢，芳纶复合材料制作的雷达罩，在同刚度条件下，相比于玻璃纤维复合材料，厚度可降低30%，电磁波透过率可提高10%。
2）特种印刷电路基板
随着电子信息产业的发展，作为电子信息产品基材的印刷电路板也朝着轻、薄、小和高密度方向发展。且陶瓷与玻璃纤维树脂基体线膨胀系数相差较大，在热胀冷缩的作用下会引发开裂，而芳纶与树脂复合制成的层压基板与陶瓷的线膨胀系数匹配度较高，可制作工业用特种印刷电路板，具有质量小、强力高、耐形变性好、介电常数低等优点，且有利于电子设备的小型化和轻质化。
由于芳纶纤维具有的低介电损耗系数和介电常数，它更适合于高速电路传输。它在纤维方向负的介电常数，可使整个基板的线膨胀系数降到3~7ppm/℃，减少了陶瓷多层封装电路板开裂的可能性，同时还比相同的玻璃纤维复合材料基板轻20%左右。
3）芳纶绝缘纸
芳纶绝缘纸是由短切纤维和沉析纤维经湿法抄纸工艺成纸，经热压工艺后成型。由于芳纶纤维具有优异的机械性能、绝缘性能以及较低的尺寸变形性、线膨胀系数等，高性能芳纶纸大量使用在电子电气材料领域。
芳纶绝缘纸特殊的化学结构决定了它在高温、潮湿环境下仍有优良的电性能，是高级的H级以上绝缘纸，可用于H级以上发电机、电动机、干式变压器等。
目前在市场上芳纶纸供不应求，具有极大的增长潜力。预计年均需求增长率达到30%以上。
4）光纤
由于IT技术的发展，光纤铺设量猛增，芳纶纤维可用作光缆中的“张力构件”（或称芯捍），有了这种具有高模量性能的张力构件，可保护细小而脆弱的光纤在受到拉力时不致伸长，从而不使光传输性能受到损害。如芳纶加强芯8字型皮线光缆，不仅质量轻、抗折断、可小半径弯曲、阻燃、耐压、抗电磁干扰，还具有良好的光导性能，可广泛适用于入户/室内总和布线。
6、 航空航天领域
芳纶可用于制作大型飞机的二次结构材料，如机舱门、窗、机翼、整流罩体表面等，也可以制作机内天花板、仓壁等，可减轻其重量。
早在20世纪70年代，Kevlar49(PPTA)就以其低密度、耐腐蚀性能好，用于制造导弹的固体火箭发动机壳体，后又用于制造先进的飞机和航天器的机身、主翼、尾翼等。有关企业曾以芳纶/环氧无纬布和薄铝板交叠铺成，经热压后而成的Arall超混复合层板，其比强度和比模量都优于铝合金板，疲劳寿命是铝的100~1000倍。美国协和飞机公司试验采用芳纶增强的氟橡胶制造飞机的燃油油箱，并宣称这是改进协和飞机安全性的一条措施。
7、运动器材领域
充分利用芳纶耐高温、耐疲劳等特性，以制作运动条件苛刻的拳击手套、登山鞋靴、赛车车体、赛马头盔等，还可用于制作球拍、滑雪板、滑雪杆、雪橇、弓箭、弓弦、钓鱼竿、风筝骨架、高尔夫球棍、赛艇等。
8、其他领域
1）密封材料
由于石棉对环境、人体呼吸道有严重危害，医药、食品等主管部门早已禁止使用石棉盘根、石棉橡胶板等密封件，而芳纶优异的耐高温性可替代石棉制成盘根等密封件。对于200~300℃内隔热、密封，完全可以由芳纶制品取代石棉材料，环保耐用、使用、加工方便。
2）绳索
芳纶制作的绳带具有高强、防火、防割、耐腐蚀等特性，适用于消防、安全、海洋等方面，例如：逃生绳索、降落伞绳等。采用芳纶制成的绳索在海洋环境中使用时，能经受海水的冲击，且藻类、贝壳等海洋生物不易在绳索上寄生。
3）摩擦材料
利用芳纶纤维耐高温、耐磨等特性，可用于制造刹车片、离合器等产品。
4）建筑材料
芳纶纤维可以取代石棉用来增强水泥，可提供轻结构、高强度构件，并防止水泥制品开裂，提高建筑物的抗震能力。
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