摘要：芳綸具有高模量、高斷裂強度、低熱收縮率和低斷裂伸長率等優異的性能，是理想的增強纖維材料。本文綜述了芳綸材料的研究進展情況，芳綸復合材料的制備方法、性能及其在工業和生活領域的應用，并對其發展作了展望。
芳綸的全稱是芳香族聚酰胺纖維，是一種高強度、高模量、低密度和高耐磨的有機合成材料，并且具有穩定的化學性質。1974年，美國貿易聯合會FTC（U．SFederalTradeCommission）將它們命名為“Aramidfiber”，其定義為：至少有85％的酰胺鏈（—CONH—）直接把兩個苯環連接起來。芳綸于20世紀60年代初，由杜邦公司開發出具有優良熱穩定性的間位芳綸HF－1，即Nomex纖維。我國稱為芳綸1981年通過芳綸14的鑒定，1985年又通過芳綸1414的鑒定。由于單一的芳綸纖維使用時具有缺陷，遇水后強度降低等，通常將芳綸制成復合材料，在材料中作為增強纖維，以適應不同的使用環境，同時也可以改進材料的性能。
1、 芳綸的分類與性能
1.1 對位芳綸對位芳綸簡稱
PPTA（Poly－P－pheneleneferephthalamide）于1971年研制成功，次年投入生產。其主鏈結構具有高度的規則性，大分子是以十分伸展的狀態存在，它具有耐高溫、防火、耐化學腐蝕及高的力學性能和抗疲勞性，同時又具有低密度。它的強度為鋼的3倍，為強度較高的滌綸工業絲的4倍，它的初始模量為滌綸工業絲的4～10倍，聚酰胺纖維的10倍以上。它的穩定性好，在150℃溫度下收縮率為零，在高溫下仍能保持較高的強度，如在260℃溫度下仍可保持原強度的65％。它對橡膠粘附性良好，是比較理想的簾子線纖維。如美國杜邦公司的Kevlar－49、荷蘭恩卡公司的Twaron、中國的芳綸1414等。
1.2 間位芳綸間位芳綸簡稱
MPIA（Poly－m－phenyleneisophthalamide）于1956年開始研究，于1967年實現了工業化，間位芳綸的大分子鏈呈鋸齒狀，它具有優良的物理和力學性能，如強度、斷后延伸率等。突出特點是具有極佳的耐火和耐氧化性。它在溫度260℃連續使用1000小時后，其強度仍能保持原強度的65％；在300℃高溫下使用7天，仍能保持原強度的以燃燒，離開火焰后具有自熄性；它在酸、堿、漂白劑、還原劑及有機溶劑中的穩定性很好。同時還具有良好的抗輻射性能。它的不足之處和錦綸一樣，對日光穩定性較差，難以染色。
1.3 芳綸與其他纖維的性能比較
芳綸具有良好的力學性能，見表1。芳綸與其他纖維相比較具有耐高溫，伸長量小，彈性模量高和強度大的特點，特別是對位的芳綸（Kevlar纖維），更為優異。
2、 芳綸復合材料的制備
芳綸纖維和玻璃纖維一樣，產品形態有捻紗、無捻粗紗，各種規格布、帶、氈及短切原絲等。復合材料的制備主要有兩類，纖維與纖維纏繞復合，和纖維與樹脂或橡膠復合。
2.1 纖維與纖維復合成型
濕法與干法纏繞是復合材料纏繞成型的兩種主要方法。
干法纏繞的主要優點是含膠量較容易控制，因此過去復合材料高壓容器的成型一直選用了單一的干法纏繞成型。然而由于濕法纏繞具有制品成本低、纖維磨損少、空隙率低和生產效率高等優點被國外廣泛采用。過去我國一直采用干法成型而研制了幾十種干法成型粘接劑配方，有些配方如4304、4303A已成功地應用在大型固體火箭發動機上。工藝流程如下：芳綸纖維松開→混料→模壓成型→熱處理→磨削→成品。
濕法纏繞成型與干法成型一樣，對樹脂基體要求必須具有一定的力學性能，同時基體體系的粘度必須控制在一定的范圍內以保證成型時纖維束能完全浸潤。降低體系粘度主要有以下兩種方法：（a）選擇合理的低粘度活性稀釋劑，往往體系粘度滿足了浸漬工藝要求但同時體系的力學性能和耐熱性能較大幅度下降，經過篩選使用一種混合稀釋劑和在一定程度上滿足設計要求。（b）選用液體固化劑，液體固化劑的加入能使配方體系粘度有一定的降低。
如哈爾濱玻璃鋼研究所用的液體酸酐類固化劑組成的濕法環氧配方，已成功應用于化工管道的生產上。只有根據實際條件，在對粘度、力學性能、儲存期三者綜合考慮的基礎上，設計合適的濕法配方。
對于芳綸纖維的濕法配方及濕法配方成型技術缺乏進一步研究，而高性能濕法配方技術是濕法纏繞成型中首先需解決的關鍵技術。
2.2 纖維與樹脂復合成型
成型方法和玻璃鋼等的成型方法一樣，有纏繞法、手糊法、浸漬法、真空袋法、加壓法以及注射法等，可根據需要選擇。
常與芳綸纖維匹配的樹脂有環氧、酚醛、不飽和聚酯、乙烯基酯、聚酰亞胺等，近年來還和尼龍、PBT等符合使用。張茂林等在對單向芳綸／聚丙烯混纖復合材料拉伸性能研究中，芳綸無捻長絲紗（增強材料）為經紗，聚丙烯纖維（基體纖維）為緯紗，織成平紋組織的熱塑性預聚體，一定溫度和壓力下制成復合材料，調節經紗和緯紗的密度控制材料的組成。用芳綸制成的簾子線被越來越廣泛地應用于汽車輪胎工業。芳綸與橡膠的復合材料技術發展很快。由于芳綸纖維的活性官能團少，與橡膠粘合較困難。為解決粘合問題一般采用以下措施：一方面調整或改進浸漬體系的配方及工藝，目前常用二浴浸漬或在一浴浸漬中增添專用浸漬粘合劑；另一方面是在橡膠膠料配方設計中增添膠用粘合劑。由于上述兩方面的協同效應達到較理想的粘合效果。
3、 芳綸復合材料的性能及其應用
芳綸材料的應用主要是圍繞其高強度、高彈性模量等優異特征展開的。
3.1 防彈領域
芳綸的高強度為各行各業所看好，尤其是軍事方面。現代頭盔起源于一戰，用于降低士兵的傷亡率。二戰以后至70年代軍隊防彈頭盔均為鋼盔，大部分為高錳鋼或特殊鋼，盔殼多為沖壓成型。尼龍盔主要應用于英國和以色列，頭盔內有一層高密度聚乙烯泡沫防震層提高舒適度。芳綸盔是多層芳綸布經特殊樹脂粘結，高溫高壓成型的。芳綸盔是杜邦公司于70年代開始研制的，優點是強度高，質量輕，以及防護性能好，被越來越多國家采用。
芳綸纖維的抗彈道沖擊性應歸功于其優越的熱穩定性、高結晶性、高取向結構及高拉伸性能。玻璃化轉變溫度高和優異的熱穩定性使芳綸纖維在彈道沖擊所產生的高溫度下可以保證抗沖擊結構的穩定性；高結晶、高取向性產生了高模量，保證了對軸向變形的快速反應；高彈性和中等延伸率使芳綸纖維具有高韌性，從而在縱向斷裂時能有效工作。我國開展芳綸防彈板的研究，在最優的基體與纖維比例方面取得了進展。
3.2 輪胎領域
輪胎的主要成分是橡膠，為了提高強度，工業上最早采用鋼絲作為增強材料。但是由于鋼絲密度大，輪胎強度增大的同時，會增加車體的重量，增加了能耗。并且由于存在鋼絲，車胎會變硬，更容易顛簸，舒適度會下降。尤其在重型車輛方面，承重量很大，對車胎的要求也就更高。
與鋼絲相比，芳綸簾線具有耐高溫、高強度、高模量及變形小的特性，又具有相對密度小、耐疲勞、耐剪切的柔性，兼備了鋼絲、人造絲、錦綸、聚酯簾線的優異性能，有“合成鋼絲”之稱，是目前最理想的骨架材料。
芳綸簾子線的優點有：①作為簾線，輪胎的胎體可由原來的三層減到一層，車胎重量減小，降低輪胎滾動阻力，可以減少耗油；②芳綸簾線與橡膠的粘合效果比鋼絲好，并且不容易受水分、濕度的影響；③用芳綸作簾線后輪胎的剛性、耐磨性都提高了，延長了車胎的使用壽命；④由于減少了胎體的數目，汽車的駕駛性能、乘坐舒適度比原來有了很大的提高。
但芳綸作為簾線主要缺點是成本太高、生產技術復雜，需要專門設備加工。
3.3 管道領域
Kevlar纖維是軟管增強材料的最佳選擇。目前，越來越多的汽車軟管、化學工業用軟管、石油工業用軟管、航空工業用各種液壓軟管以及海洋用軟管都采用Kevlar纖維作增強材料美國Chrysler公司和Gates公司則采用Kelver纖維作為汽車冷卻裝置軟管的增強材料制成了溫度可達150℃左右的汽車冷卻膠管。Gates公司、美國Goodall公司將芳綸纖維制成了用于核電站、化工廠和石油勘探方面的大口徑膠管。內徑為25．4cm，每根長12m，設計工作壓力為56kg／cm2，彎曲半徑為1．5m。
3.4 橋梁結構加固領域
芳綸纖維布在舊橋加固的應用范圍比較廣，芳綸纖維布在加固構件時，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、柱或橋墩臺的圍束加固等。在橋梁墩柱出現裂縫部位用芳綸纖維AFS－40對墩柱粘貼兩層后，不僅控制了裂紋的發展，而且明顯提高了橋梁的承載能力。
3.5 電子電氣領域
芳綸纖維具有優異的力學性能、電絕緣性能、透波性能，以及尺寸穩定性能，它在電子電氣領域中已應用在微電子組裝技術中表面安裝技術（SMT）用的特種印刷電路板，機載或星載雷達天線罩、雷達天線饋源功能結構部件和運動電氣部件等多方面。美國RCA公司為多顆衛星研制的多部拋物面天線中，其反射面均采用芳綸纖維織物增強復合材料制造。
3.6 耐熱及防護服裝領域
艙外航天服材料要求輕質，柔韌，耐磨，抗沖擊，力學耐久性好；耐化學，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性能穩定，芳綸纖維織物是首選材料。
3.7 其他領域
芳綸的高強度、低密度的特性被應用于各個領域。在密封板材領域，用芳綸纖維代替石棉纖維制成的芳綸纖維增強橡膠密封板材具有較好的密封性能，對人體沒有危害。在盤式制動墊研究方面，芳綸的摩擦損耗性能和內抗剪強度最好，有望在近幾年應用與轎車后制動器和微型車的前制動器。船舶方面，可以用芳綸復合材料以減輕船體質量來提高船速；在建筑材料上，用芳綸代替石棉來增強水泥，取代金屬材料，提供輕結構、高強度主體承重結構。
芳綸還可以用來制作宇航服、消防服等。現在還用芳綸代替鋼絲制造水下電纜，特別是深海電纜。還將芳綸纖維加在混凝土柱子外部，抑制混凝土受破壞時的體積膨脹，提高強度和抗震性。
4、 結語
芳綸作為20世紀高分子纖維界的一項重要發明，因為其高強度、低密度、耐高溫等特性被應用于越來越多的領域。對它的研究主要在于將芳綸作為增強材料，制成復合材料方面，但是由于芳綸的制備和加工過程復雜，成本高，目前還不能得到廣泛應用，由于芳綸纖維官能團少，與基體粘合差，必須經過邊面處理或著加入粘合劑，這方面技術的研究發展可以擴大芳綸的應用領域。
來源：復材邦、內蒙古石油化工 作者：夏于旻（上海東華大學材料學院）
