我国芳纶纤维的生产、应用状况及存在的问题

我国芳纶纤维的生产、应用状况及存在的问题摘要：芳纶纤维是一种高强度、高模量，并具有良好的热稳定性的增强型和功能型纤维材料，多以复合材料的形式应用。

文章阐述了目前我国芳纶纤维生产发展状况，介绍了芳纶纤维在军工、航空和汽车等领域的应用状况，讨论了我国芳纶纤维存在的一些主要问题。

关键词：芳纶纤维，生产，应用芳纶纤维是一种分子构型沿轴向伸展、分子排列整齐、高结晶度、高取向度的材料，具有相对密度小、耐疲劳、耐剪切等一系列优异性能。

它具有的很高伸直平行度和取向度的分子结构决定了芳纶纤维具有高强度和高模量，并具有良好的热稳定性。

芳香族聚酰胺分为邻位、间位、对位。

邻位类无商业化价值，间位、对位的芳香族聚酰胺已商品化生产。

间位类通常指芳纶1313，其以耐热性、难燃性和耐药品性优异为特征；对位类通常指芳纶1414，其以高强力、高弹性模量和耐热性为特征。

我国于20世纪80年代初研制的两种纤维产品分别是芳纶1414[聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）]纤维和芳纶14[聚对苯甲酰胺]纤维，统称为芳纶纤维，其中以PPTA应用最为广泛。

杜邦和恩卡公司分别把PPTA注册为Kevlar和Twaron商品名[1]。

1.芳纶纤维生产发展现状1.1芳纶纤维的基本概况我国芳纶纤维的研制开发起步较晚，从20世纪80年代起，国内先后有多家企业、高校和研究所对芳纶国产化进行了深入研究，主要有晨光化工研究院、东华大学、上海合成纤维研究所、沈阳红星、广东彩艳、烟台氨纶、河南神马、航天科工六院等进行了研究开发。

目前，我国间位芳纶已攻破技术难关，产品性能稳定，基本上实现了产业化生产，国产产品在国内占有一定的市场份额，并且还有部分产品出口到国际市场。

但我国对位芳纶纤维发展较慢，一些科研院所和企业建设了中试装置，但产量较小，产品质量与国外产品也有一定差距。

对位芳纶的产能主要集中在日本、美国和欧洲。

1998年，荷兰AKZO-Nobel 公司的功能纤维部与荷兰Acordis公司合并重组，成为后者的纤维商务部。

1999年，英国CVC投资公司收购Acordis公司纤维商务部，但仍以Acordis公司纤维商务部的名义运作。

2000年，Acordis公司将其芳纶生产和销售业务出售给日本帝人公司（TEIJIN），同年12月，帝人完成收购后，将收购来的公司改名为TeijinTwaron 公司。

美国杜邦公司于2002年投资5000万美元扩大弗吉尼亚州里士满纤维厂使芳纶纤维的年生产能力增加15%[6]。

1.2影响产业化的主要技术关键我国对位芳纶起步不比荷兰、日本晚，但发展如此缓慢，迄今尚未产业化。

原因可能是多方面的，但技术不过关，特别是工程化技术落后是关键。

因此，如何解决对位芳纶的技术关键，依然是产业化所面临的重大问题。

影响产业化的主要技术关键是什么呢？对位芳纶的基本原料是对苯二胺（PPDA）和对苯二甲酰氯（TPC）。

世界各国采用的技术路线均为低温溶液缩聚-干湿法纺丝，生产过程和主要技术关键如下[6]。

1.2.1．PPTA树脂的合成先将PPDA溶于含5%CaCl2的N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，并冷却至-10℃以下，然后，通过精密计量装置将等摩尔的PPDA-NMP溶液和TPC送入双螺杆反应器进行低温溶液缩聚，反应生成物经沉析、水洗、干燥后，即为PPTA树脂。

制得的树脂比浓对数黏度必须大于6.0（制备高强度纤维的先决条件），其形态结构和灰分含量应符合纺丝要求（确保顺利纺丝的关键之一）。

主要技术关键：原料纯度的控制和分析；如何确保PPDA和TPC等摩尔反应（物质的量比、计量泵型号和材质）；双螺杆反应器的结构、材质，工艺条件的选定和自控。

1.2.2．液晶纺丝液的制备PPTA树脂是一种刚性链聚合物，但只有在一定条件下才能形成溶致性液晶（图1），因此，如何确定液晶相的边界条件是关键所在，而采用何种设备来制备这种特殊的液晶纺丝液又是一大难关。

图1 PPTA-H2SO4体系相图1.2.3干湿法纺丝PPTA-H2SO4纺丝液具有溶致性向列型液晶的特征，向列型液晶的分子在外力作用下，会沿着作用力的方向取向（图2），这和纤维的取向是一致的液晶纺丝正是利用了这一特性发展起来的，当纺丝液通过纺丝孔时，大分子会在高剪切应力作用下取向，这种具有一维取向结构的液流经空气层，在低温凝固浴中凝固成形，即得高结晶、高取向的高强度纤维。

图2 液晶的三种形态干湿法纺丝的成形方法与干法相似，但其纺丝液的表观黏度与熔体相近，而纺丝孔的直径、喷头拉伸倍数则与湿法纺丝相当，很显然，干湿法纺丝是现有纺丝方法中技术难度最大的一种。

可以说，对位芳纶能否产业化，在很大程度受制于干湿法技术是否过关[10-12]。

主要技术关键：高浓度、高黏度、高腐蚀性纺丝液的过滤、计量技术；高长径比纺丝帽的制造技术；干喷法高速纺丝技术；多部位多孔纺丝技术；连续水洗干燥技术。

1.2.4溶剂回收溶剂回收率的高低对生产环境的保护和生产成本有至关重要的作用。

2.芳纶纤维复合材料的应用随着高新产业成为世界经济发展的主要目标，应用高新技术和新材料为主导的新产业，如国防、航空航天、橡胶工业、电子与通讯、汽车工业、油气田的勘探和生产、体育休闲用品等产业的发展，都将需要高性能的芳纶。

由于它的用途十分广泛，曾被称为“全能纤维”。

据统计，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%；轮胎和胶带骨架材料等约占20%；高强绳索等约占13 %，如图3所示[15]。

图3 芳纶在各行业中的应用比例2.1.在航空、航天、军需方面的应用芳纶纤维可制作大型飞机的二次结构材料，如机舱门、窗、整流罩体表面、机翼有关部件。

也可制机内天花板、隔板、舱壁、行李架、座椅等。

采用芳纶纤维复合材料可以减轻飞机自重30%左右。

如L-1011三星式客机总的芳纶纤维复合材料用量达1135kg，使机重减轻365kg波音757、767使用芳纶纤维复合材料，减轻机重454kg，DHC-7短程飞机减轻机重91kg。

S-76商用直升机的外蒙皮使用芳纶复合材料已达50%；喷气式教练机T-4也采用芳纶纤维复合材料。

芳纶纤维复合材料可制造火箭发动机壳体、压力容器、宇宙飞船驾驶舱等。

芳纶纤维复合材料还可制造坦克、装甲车、飞机、潜艇的防弹板和头盔及防弹衣等。

2.2.在建筑方面的应用芳纶纤维厚合材料在建筑领域越来越受到，重视。

芳纶纤维可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。

加拿大蒙特楼市奥运体育馆采用芳纶纤维复合材料制成的可伸缩性屋顶，面积达5600m2，具有抗强风及承受大雪负荷的强度。

近年来，国外正在开发芳纶纤维增强胶粘层压木梁的技术，这种增强材料称作FiRptm。

它的出现意味着用低级木材可取代高级、贵重木材，而且安全、经济。

这种增强胶粘层压梁比钢筋水泥构件还经济。

目前，美国、德国、日本、澳大利亚、加拿大等国都在研究采用，有广阔的发展前景。

2.3.在造船方面的应用芳纶纤维复合材料可制造快艇、帆船、赛艇、渔船、独木舟等。

采用芳纶纤维复合材料造船自重比玻璃钢和铝都好，船体可减轻30%左右，节约燃料30%以上，可相应增加航程。

由于芳纶纤维复合材料具有吸收振动及承受连续冲击的能力，船航行平稳，使人感到安静、舒适。

2.4.在汽车方面的应用芳纶纤维可取代石棉，因而可降低对环境和人体健康的危害，它可制造刹车片、离合器、整流器、引擎垫片、汽车车身。

尤其赛车可减轻车重，提高强度，增加车速。

2.5.在体育器材方面的应用芳纶复合材料可用来制造高尔夫球棒、网球拍、滑雪橇、雪车、钓鱼杆、弓、标枪等。

芳纶纤维还可作增强橡胶的材料，可制轮胎、传动带、胶管、绳。

3.芳纶纤维目前存在的问题芳纶作为一种新型的高性能特种纤维，在许多行业有着广阔的发展前景。

目前我国对芳纶生产和应用的研发已取得了一定的成果，但是与国外芳纶比较起来，还有许多缺点，如表1[11]所示世界各国的主要芳纶性能的比较。

商品名密度/（g/cm3）抗拉强度/Gpa抗拉模量/Gpa断后伸长率/%Kevlar-29 1.44 2.9 72 3.6Kevlar-49 1.45 2.8 130 2.4Kevlar-149 1.47 2.3 144 1.5Nomex 1.57 0.34 6 3.1Twaron 1.44～1.45 2.8 80～125 3.3～2.0 Technora 1.39 3.4 72 4.6芳纶1414 1.43 2.98 103 2.7芳纶纤维与树脂基体的粘结力较差，因此机械加工极易分层。

由于芳纶纤维柔韧性好，用其制成的复合材料在切削时纤维不易被切断，未切断的纤维和树脂堆积在断口处，造成加工面粗糙。

国产芳纶易断头，表面易起毛，吸湿差，而且生产规模小、品种和规格少，工程应用设计可选择余地小。

采用芳纶作为轮胎的带束和胎体，成型过程中会出现一些问题，如芳纶带束无磁性不能贴住带束鼓、芳纶帘布不能自动卷曲和供料、成型压合时出现存气等。

芳纶是利用各向异性液晶纺丝制成的纤维，虽然强度和模量很高，但是在纤维轴垂直方向的性能，如压缩强度、疲劳特性等都比较差。

由于芳纶的分子排列紧密，染料不易进入，所以芳纶着色性较差[13]。

纤维复合材料可以克服单一材料使用出现的缺陷，综合纤维和基体各自的优点，扩大材料使用的范围。

芳纶纤维具有高比模量、高比强度、耐疲劳性能，但价格颇高，芳纶纤维复合材料主要在航空、航天、船舶及体育器械等行业使用。

随着复合材料基础理论和应用技术的发展，芳纶纤维复合材料应用范围逐渐扩大。

芳纶纤维复合材料的力学性能与界面结合强度、纤维的填充含量、纤维长径比、基体属性等有关，其中界面问题比较复杂，研究较多。

从芳纶纤维的结构可知，芳纶纤维具有刚性分子结构，分子对称性高，表面晶格致密，具有较高的结晶度。

未经表面处理的芳纶纤维表面光滑，表面又缺乏有化学活性的官能团，反应活性低，导致其与树脂基体的粘结性能差，从而直接影响到复合材料的力学性能。

在芳纶长纤维增强复合材料的研究方面，芳纶纤维多采用编织的方法和树脂共混，尤其是在增强环氧树脂（EP）方面研究较多。

4.结语现阶段我国的芳纶产品主要是高温过滤用的低端产品，服装及其他高端领域的应用较少，一些高端产品，如间位芳纶纸、长丝、可染纤维等尚未开发成功。

高端间位芳纶产品的技术开发难度大，称为芳纶在高端产品中应用的主要阻力。

另外由于只有美国、日本、荷兰等国家可进行芳纶纤维大规模工业化生产，国内较少厂家能生产芳纶的成本较高，这就阻碍芳纶在许多行业的应用，如轮胎行业等。

作为一类高性能材料，芳纶料的优异性能在不同的领域被开发应用，其市场需求也将迅速增大，特别是在对高性能芳纶纤维的需求上将表现得更为突出我国作为一个新兴的芳纶生产和需求大国，今后应在不断扩大芳纶产能的同时，着重提升高性能芳纶的研发水平，力争使我国成为一个世界性的芳纶生产强国参考文献[1]李伟,曹应民,张电子等.短切芳纶纤维增强复合材料的研究进展[J].工程塑料应用，2010年，第38卷，第9期[2]夏英,马文文,马春等芳纶1414增强ABS复合材料的性能研究[J].塑料科技，2011年1月，第39卷第1期[3]郑元锁,宋月贤,王有道等.芳纶短纤维的劈裂对复合材料性能的影响[J].橡胶工业，1998年第45卷[4]孔庆保.芳纶纤维复合材料的现状与开发[J].纤维复合材料，1990年3月[5]姜广祥,孙树淳.芳纶纤维复合材料工艺及性能[J].[6]毕鸿章.芳纶纤维复合材料及其应用概况[J].建材工业信息.1996年第3期[7]余艳娥,谭艳君.新型高性能纤维--芳纶[J].高科技纤维与应用，2004年10月，第29卷5期[8]李晔.对位芳纶的发展现状、技术分析及展望[J].合成纤维SFC2009年No.93[9]刘雄军,佘万能,何晓东.芳纶纤维的合成方法及纺丝工艺的研究进展[J].化工技术与开发.2006年07月第35卷第7期[10]王建伟1，刘伟2，雒书华.芳纶纤维纯纺纱的生产实践[J].上海纺织科技2007年3月·第35卷·第3期[11]魏春学.芳纶纤维及其制品的开发应用[J].国外纺织技术.总第174期[12]计建洪.芳纶生产工艺的应用[J].河北化工.2010年12月.[13]黄继庆，张燕，赵前进等.浅谈对位芳纶的应用与生产现状[J].纤维广角.2011年1月[14]袁金慧,江棂,马家举,吕希光.芳纶的应用和发展[J]. 高科技纤维与应用2005年8月第30卷第4期[15]李新新，张慧萍，晏雄.芳纶纤维生产及应用状况[J].天津纺织科技，[16]R.J. Day*, K.D. Hewson, P.A. Lovell. Surface mod ification and its effect on theinterfacial properties of model aramid-fibre/epoxy composites[J].Composites Science and Technology , 2002[17]S. L. Bazhenov. Bending failure of aramid fiber -reinforced composite[J].COMPOSITES.1995,Volume 26 Number 11[18]N. Klein and G. Marom. Microstructure of nylon 66 transcrystalline layers incarbon and aramid fiber reinforced composites[J]. POLYMER Volume 37 Number 24, 1996。