何為芳綸纖維？

芳綸纖維通稱為芳香族聚酰胺纖維，按化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，芳綸纖維可分為對(duì)位芳綸、間位芳綸和鄰位芳綸3種，其中鄰位芳綸很少使用。

芳綸1414

對(duì)位芳綸，也稱聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維 (PPTA) 和聚對(duì)苯甲酰胺纖維 (PBA)，主鏈結(jié)構(gòu)主要由苯環(huán)對(duì)位而成的棒狀分子結(jié)構(gòu)構(gòu)成，由于大共軛的苯環(huán)存在，分子鏈段難以發(fā)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而呈現(xiàn)一種線性剛性結(jié)構(gòu)。

對(duì)位芳綸為亮白色，優(yōu)點(diǎn)是高強(qiáng)度、高模量。其拉伸強(qiáng)度是鋼絲的6倍, 拉伸模量是鋼絲及玻纖的2~3倍, 密度僅為鋼絲的五分之一，主要應(yīng)用于安全防護(hù)、防彈，橡膠制品增強(qiáng)， 高強(qiáng)度纜繩以及石棉摩擦材料替代。

芳綸1313

間位芳綸，也稱為聚間苯二甲酰間苯二胺(PMTA)纖維。間位芳綸的分子鏈共價(jià)鍵沒(méi)有共軛效應(yīng)，分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)位能低于對(duì)位芳綸，大分子鏈的柔性較對(duì)位芳綸強(qiáng)，纖維結(jié)晶度比對(duì)位芳綸小。

間位芳綸為亮黃色，具有優(yōu)異的耐熱性、耐焰性及絕緣性，主要用于防火材料和防機(jī)械損傷。

芳綸纖維的形態(tài)

具有短纖維（或長(zhǎng)絲）和漿粕纖維（或稱沉析纖維）兩種纖維形態(tài)。長(zhǎng)絲主要用于紡織、橡膠等領(lǐng)域，造紙行業(yè)中使用短纖維和漿粕纖維。

芳綸纖維分子主鏈規(guī)整性較好，含有剛性致晶單元，容易形成液晶形態(tài)。這種剛性分子鏈在液晶態(tài)時(shí)，隨著濃度的增 加可以并排形成平行排列的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部分子鏈段出現(xiàn)高度有序性，無(wú)需特殊拉伸，僅通過(guò)紡絲定向即可達(dá)到伸展鏈結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高模量。

不僅如此，在紡絲過(guò)程中，這種結(jié)構(gòu)還可以在有限空間內(nèi)沿纖維取向高密度 多層堆疊，使得聚合物有較高的強(qiáng)度。芳綸纖維的分子鏈沿纖維軸向高度取向，酰胺基團(tuán)上的氫原子可以與另一條分子鏈上可供電子的羰基形成氫鍵，使得分子鏈之間形成氫鍵交聯(lián)。

芳綸纖維包含皮芯結(jié)構(gòu)、次晶結(jié)構(gòu)和微纖結(jié)構(gòu)等不同形態(tài)的超分子結(jié)構(gòu)。纖維的皮層比芯層結(jié)晶度小，皮層厚度大約為0.1μｍ～1μｍ（根據(jù)纖維種類及紡絲工藝有所區(qū)別）。芯層由沿纖維軸向排列的單晶組成，芯層的微晶不如皮層取向度高，纖維中的分子在縱向具有近乎平行于纖維軸的取向，在橫向是平行于氫鍵片層的輻射狀取向。

芳綸纖維的發(fā)展歷史

芳綸纖維最初作為宇宙開(kāi)發(fā)材料和重要的戰(zhàn)略物資，冷戰(zhàn)結(jié)束后，芳綸作為高技術(shù)含量的纖維材料大量用于民生領(lǐng)域。防火纖維芳綸1313最早由美國(guó)杜邦公司研制成功，并于1967年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品注冊(cè)為Nomex（諾美克斯）。這是一種柔軟潔白、纖細(xì)蓬松、富有光澤的纖維，外觀與普通化纖并無(wú)二致，卻集眾長(zhǎng)于一身，擁有超乎尋常的“特異功能”。幾乎與防火纖維芳綸1313的發(fā)明同步，美國(guó)杜邦公司在20世紀(jì)60年代末研制出另一種高性能合成纖維-防彈纖維芳綸1414，其商品于1972年首次問(wèn)世，定名為Kevlar（凱芙拉）。芳綸1414外觀呈金黃色，貌似閃亮的金屬絲線，實(shí)際上是由剛性長(zhǎng)分子構(gòu)成的液晶態(tài)聚合物。由于其分子鏈沿長(zhǎng)度方向高度取向，并且具有極強(qiáng)的鏈間結(jié)合力，從而賦予纖維空前的高強(qiáng)度、高模量和耐高溫特性。

芳綸1414的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是材料界發(fā)展的一個(gè)的重要進(jìn)程碑。芳綸1414有極高的強(qiáng)度，是優(yōu)質(zhì)鋼材的5-6倍，模量是鋼材或玻璃纖維的2-3倍，韌性是鋼材的2倍，而重量?jī)H為鋼材的1/5。長(zhǎng)期以來(lái)，由于投資成本高、技術(shù)難度大，工藝技術(shù)屬于絕密，產(chǎn)品被視為戰(zhàn)略物資而嚴(yán)加管制。

我國(guó)的芳綸纖維發(fā)展史

我國(guó)于1972年開(kāi)始進(jìn)行芳綸的研制工作, 并于1981年通過(guò)芳綸1313的鑒定，1985年又通過(guò)芳綸1414的鑒定, 它們分別相當(dāng)于美國(guó)杜邦公司的聚合物Nomex和Kevlar。

1986～1990年,中國(guó)發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)第七個(gè)五年計(jì)劃期間, 北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院、晨光化工研究院、上海合成纖維研究所、西安交通大學(xué)等單位共同承擔(dān)了國(guó)家關(guān)于芳香族聚酰胺樹(shù)脂合成、紡絲技術(shù)開(kāi)發(fā)和在橡膠工業(yè)中應(yīng)用的系列科研課題, 并且完成了相應(yīng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和研制工作。

短短四個(gè)春秋，東華大學(xué)化纖研究所、晨光化工研究院、上海合成纖維研究所、沈陽(yáng)市紅星密封材料廠等單位研制和生產(chǎn)的對(duì)位芳綸性能就已經(jīng)接近國(guó)際水平。

但由于資源、成本等方面原因，我國(guó)應(yīng)用的芳綸纖維大部分仍依賴于進(jìn)口。

而到了1999年, 山東煙臺(tái)氨綸股份有限公司正式提出建設(shè)中國(guó)第一個(gè)芳綸1313工程項(xiàng)目, 并在2001年5月份引進(jìn)了俄羅斯技術(shù)，經(jīng)過(guò)3年艱苦的技術(shù)攻關(guān), 開(kāi)發(fā)研制出了具有極高科技含量的20多種有色芳綸1313纖維, 與此同時(shí)，還開(kāi)發(fā)了另一高端產(chǎn)品——芳綸絕緣紙。七年后，我國(guó)煙臺(tái)泰和新材的對(duì)位芳綸——泰普龍也推向市場(chǎng)。

芳綸纖維的生產(chǎn)工藝

對(duì)位芳綸的合成方法

對(duì)位芳綸的主要原料是對(duì)苯二甲酰氯(TPC)和對(duì)苯二胺(PPD)。對(duì)位芳綸須在無(wú)水條件下進(jìn)行縮聚反應(yīng)。

界面縮聚法

將二羧酸酰氯溶解在與水不相混合的 有機(jī)溶劑中, 如苯 、四氯化碳等, 再將二元胺溶于水中( 水中加少量 NaCO3 或 NaOH, 以吸收反應(yīng)生成的鹽酸) , 然后將上述 2 種溶液混合, 在加入的瞬間, 就在 2 種液體界面上發(fā)生縮聚反應(yīng), 生成聚合體薄膜, 由于反應(yīng)在界面上進(jìn)行, 所以稱為界面縮聚 。

低溫溶液縮聚法

是目前工藝最成熟的合成芳綸纖維的方法。在裝有不銹鋼攪拌器并通有干燥N2的玻璃聚合反應(yīng)器中， 加入含一定量無(wú)水LiCl和吡啶的NMP溶液, 在室溫下加入粉末狀對(duì)苯二胺，待溶解后，用冰水浴將溶液降到一定溫度，然后加入化學(xué)計(jì)量的粉末狀對(duì)苯二甲酰氯, 同時(shí)加快攪拌速度，隨著反應(yīng)進(jìn)行，溶液粘度增大,液面突起，數(shù)分鐘后，發(fā)生爬桿現(xiàn)象并出現(xiàn)凝膠化，繼續(xù)攪拌數(shù)分鐘，粉碎黃色凝膠團(tuán)，然后將產(chǎn)物靜置6h以上。將所得的聚 合體加少量水，粉碎過(guò)濾, 再用冷水及熱水洗滌多次，以除去殘留的溶劑 、LiCl 、HCl 及吡啶，至洗液顯中性，再將聚合物于100℃下干燥5h以上，得干燥聚合體。然后將聚合體于冷濃硫酸中混合, 再加熱至75℃, 成為向列型液晶溶液，再進(jìn)行紡絲。

間位芳綸的合成方法

間位芳綸是由IPC和MPD縮聚而成，有低溫聚合法、界面縮聚法、乳液聚合法、氣相聚合法。其中，低溫聚合法和界面縮聚法比較常見(jiàn)。

低溫聚合法

在攪拌下把MPD溶解在N,N-二 甲基乙酰胺(DMAc)溶劑中，冷卻至0℃左右，然后在攪拌下加入 IPC，并升溫到50~70℃進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成 HCl，反應(yīng)時(shí)應(yīng)加入Ca(OH)2對(duì) 其進(jìn)行中和，使溶液成為 DMAc-CaCl2溶液系統(tǒng)， 對(duì)其濃度加以調(diào)整即可用于濕法紡絲。此法消耗的溶劑少，操作步驟簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，所以低溫縮聚法被廣泛采用。

界面聚合法

將 IPC溶于四氫呋喃(THF)溶劑 中，形成有機(jī)相；將 MPD溶于碳酸鈉水溶液中，形成水相，然后在強(qiáng)烈攪拌下把有機(jī)相加入到水相中，使有機(jī)相和水相在兩相界面快速發(fā)生縮聚反應(yīng)。生成的聚合物沉淀出來(lái)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、洗滌、干燥后得到固體產(chǎn)物。

芳綸纖維材料的應(yīng)用

芳綸纖維材料的應(yīng)用主要是圍繞其高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)異特征展開(kāi)的。

1.電子電氣領(lǐng)域

　　芳綸纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電絕緣性能、透波性能，以及尺寸穩(wěn)定性能，芳綸纖維在電子電氣領(lǐng)域中已應(yīng)用在微電子組裝技術(shù)中表面安裝技術(shù)（SMT）用的特種印刷電路板，機(jī)載或星載雷達(dá)天線罩、雷達(dá)天線饋源功能結(jié)構(gòu)部件和運(yùn)動(dòng)電氣部件等多方面。

2.橋梁結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域

　　芳綸纖維布在舊橋加固的應(yīng)用范圍比較廣，芳綸纖維布在加固構(gòu)件時(shí)，主要用于抵抗拉力，一般用于梁的受拉部位、梁與柱的抗剪部位、柱或橋墩臺(tái)的圍束加固等。在橋梁墩柱出現(xiàn)裂縫部位用芳綸纖維AFS-40對(duì)墩柱粘貼兩層后，不僅控制了裂紋的發(fā)展，而且明顯提高了橋梁的承載能力。

3.輪胎領(lǐng)域

輪胎的主要成分是橡膠，為了提高強(qiáng)度，工業(yè)上最早采用鋼絲作為增強(qiáng)材料。與鋼絲相比，芳綸纖維簾線具有耐高溫、高強(qiáng)度、高模量及變形小的特性，又具有相對(duì)密度小、耐疲勞、耐剪切的柔性，兼?zhèn)淞虽摻z、人造絲、錦綸、聚酯簾線的優(yōu)異性能，有“合成鋼絲”之稱，是目前最理想的骨架材料。

4.管道領(lǐng)域

芳綸纖維是軟管增強(qiáng)材料的最佳選擇。目前，越來(lái)越多的汽車軟管、化學(xué)工業(yè)用軟管、石油工業(yè)用軟管、航空工業(yè)用各種液壓軟管以及海洋用軟管都采用芳綸纖維作增強(qiáng)材料。

5.耐熱及防護(hù)服裝領(lǐng)域

　　艙外航天服材料要求輕質(zhì)，柔韌，耐磨，抗沖擊，力學(xué)耐久性好；耐化學(xué)，耐熱，耐光性能好，能防止各種輻射，在超高和超低溫下，在高能熱光輻射下材料的各項(xiàng)性能穩(wěn)定，芳綸纖維織物是首選材料。

6.防彈領(lǐng)域

　　芳綸纖維的抗彈道沖擊性應(yīng)歸功于其優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、高結(jié)晶性、高取向結(jié)構(gòu)及高拉伸性能。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性使芳綸纖維在彈道沖擊所產(chǎn)生的高溫度下可以保證抗沖擊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；高結(jié)晶、高取向性產(chǎn)生了高模量，保證了對(duì)軸向變形的快速反應(yīng)；高彈性和中等延伸率使芳綸纖維具有高韌性，從而在縱向斷裂時(shí)能有效工作。

芳綸纖維材料市場(chǎng)

性能全面提升和國(guó)產(chǎn)化替代是新材料的發(fā)展歷程。高科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展, 對(duì)纖維材料性能的要求越來(lái)越高, 也促進(jìn)了對(duì)新型纖維的研究與開(kāi)發(fā)。

芳綸在國(guó)防軍工、航天航空等重要領(lǐng)域的應(yīng)用決定了其戰(zhàn)略意義和價(jià)值。作為應(yīng)用最廣的高性能纖維之一，是國(guó)家安全不可或缺的戰(zhàn)略物資。但芳綸投資成本高，技術(shù)難度大，長(zhǎng)期以來(lái)只有美日等極少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家能夠商業(yè)化生產(chǎn)，西方國(guó)家把中國(guó)視為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手并對(duì)我國(guó)實(shí)施技術(shù)封鎖和禁運(yùn)。

國(guó)內(nèi)芳綸起步較晚，產(chǎn)業(yè)化一度十分艱難。 國(guó)家高度重視芳綸自主產(chǎn)業(yè)化，出臺(tái)系列政策促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。未來(lái)高性能纖維是低碳 化、輕量化、抗腐蝕等領(lǐng)域的共性核心技術(shù)，是國(guó)家制造業(yè)和低碳經(jīng)濟(jì)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。 輕質(zhì)高強(qiáng)材料是“中國(guó)制造 2025”的需要突破的十大重點(diǎn)領(lǐng)域，芳綸及相關(guān)復(fù)合材料產(chǎn) 品是其中關(guān)鍵材料之一。根據(jù) Global Market Insights 數(shù)據(jù)，2022 年全球/中國(guó)芳綸需求量分別為 13/2.5 萬(wàn)噸，市場(chǎng)規(guī)模分別為 300/60 億元。我國(guó)一直對(duì)芳綸有較高的重視程度，未來(lái)，以芳綸為代表的高性能纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)將重點(diǎn)推動(dòng)協(xié)同創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，重點(diǎn)產(chǎn)品系列化、產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)需對(duì)接，開(kāi)拓應(yīng)用領(lǐng)域和引導(dǎo)集聚發(fā)展。