邱召明，刘晓丽，王忠伟，李春霞

（烟台泰和新材料股份有限公司，山东 烟台 264006）

对位芳纶在复合材料领域的应用

邱召明，刘晓丽，王忠伟，李春霞

（烟台泰和新材料股份有限公司，山东 烟台 264006）

介绍了对位芳纶的发展现状及性能特点，以及在航空航天、防护/武器装备、汽车工业、造船产业、体育运动器材等领域的应用，同时分析了对位芳纶在复合材料制备过程中应注意合理选择纤维基材，提高纤维在基体中的分散性，提高纤维界面活性，提高芳纶复合材料的抗老化性能等有关事项和建议。

对位芳纶；复合材料；应用

1 芳纶及其特性

目前，全球产业化的3 大类芳香族聚酰胺纤维分别为间位芳纶（又称芳纶1313）（分子结构见图1）、对位芳纶（又称芳纶1414）（分子结构见图2）和共聚改性芳纶（又称芳纶III）（分子结构图3）。由于芳纶为国防战略性物资，目前其制备技术主要掌握在中、美、日、韩等国家。这3种芳纶的全球代表性品牌见表1。

图1 间位芳纶分子结构式

图2 对位芳纶分子结构式

由于芳香族聚酰胺高分子链上具有大量的刚性苯环结构及强的酰胺化学键，赋予芳纶突出的稳定性，具体表现在以下方面：

⑴ 长效耐温：芳纶在-196～204 ℃环境温度下性能非常稳定，可长时间使用，即使在300 ℃高温也可保持较好的力学性能；

⑵ 本质阻燃：芳纶的极限氧指数（LOI）＞29%，在空气中不能持续燃烧；即使在特殊环境中燃烧也会迅速碳化，形成隔热层，阻止进一步燃烧；

⑶ 高强度：普通对位芳纶的比强度（强度与密度的比值）高达2.0×105m，是钢丝比强度（2.45×104m ）的8 倍；

⑷ 高模量：普通对位芳纶的比模量（模量与密度的比值）高达5.7×106m，是钢丝比模量（2.7×106m ）的2 倍；

⑸ 电绝缘：芳纶纸的耐击穿电压高达2×104V/mm；

芳纶具有耐高温、阻燃、绝缘、高强度、高模量以及抗辐射和耐化学腐蚀等优异综合性能，性价比高，因此广泛应用于高温粉尘过滤、个体防护、电气绝缘、弹道防护、复合材料增强等领域，发展前景广阔，是重要的军民两用材料。

图3 Armos®及芳纶III结构式

表1 全球芳纶代表性品牌一览表

2 对位芳纶在复合材料领域的应用

对位芳纶复合材料具有轻质、高强、耐磨等一系列优异性能，因此在航空航天、防弹武器装备、汽车工业、造船产业、工业元件、体育运动器材等多个领域都有重要应用[1～3]。

2.1 航空航天

减重对于航空和航天飞行器而言具有特殊意义，是设计师除安全性之外最关心的技术指标。比如，航天器每减质量1 kg，可节省3×104美元；航空器每减少1 kg质量相当于节约2 000 美元。采用先进复合材料是实现上述目标的唯一途径，如美国三叉戟2战略导弹第三级火箭发动机壳体采用对位芳纶/环氧树脂复合材料，与玻纤/环氧树脂复合材料相比可实现30%～40%的减重。另外，对位芳纶增强复合材料用作火箭整流罩和发动机壳体、空运集装箱、飞机壳体等结构部件，可实现减重和大幅提高性能。用对位芳纶帘线代替尼龙帘线做橡胶骨架材料，可以实现航空轮胎轻量化并延长使用寿命。对位芳纶密封带还可用于涡轮发动机，以在发动机出现故障的情况下对乘客舱实施保护。

2.2 个体防护/武器装备

对位芳纶作为一种本质阻燃和高效防弹的材料，应用于单兵防护装备，是现代单兵作战系统最基础的组成部分，可有效提高士兵的战场生存能力，是保护士兵生命的最后一道防线。目前采用对位芳纶机织物、纱线及UD布制备的特警战训服、软质防弹背心、防弹头盔和防刺防割服在军警领域实现普遍应用。

随着武器装备整体性能的提升，对位芳纶复合材料在防弹武器装备领域的应用越来越广，如警用防弹车、坦克复合装甲、舰用防弹板材、装甲内饰板等均采用对位芳纶复合材料或芳纶/碳纤维、对位芳纶/玻璃纤维等混杂复合材料制备，均可实现武器装备整体质量减轻、防弹性能提升等效果。

2.3 汽车工业

对位芳纶在汽车的轮胎、胶管、发动机齿轮、密封垫片、刹车片等15 个部位均有应用，已成为现代汽车工业必不可少的一种增强纤维。如对位芳纶制备的浸胶帘子布可用于轮胎子午线，实现轮胎减重，降低轮胎工作中的滚动阻力，目前国外固特异、米其林以及大陆轮胎公司均有对位芳纶骨架材料的轮胎供应；采用对位芳纶捻线制备的空调水管、油管、涡轮增压管等，均可大幅度提高胶管的爆破压力，国外对位芳纶骨架增强的汽车胶管应用率达到95%，而我国汽车行业大部分采用涤纶或尼龙骨架材料，对位芳纶应用比例不足10%；；采用对位芳纶浆粕制备刹车片，可提高刹车片的耐磨性，增加使用寿命，但目前我国制备的刹车片中对位芳纶质量分数仅为1%～2%，与欧美及日系车辆相比仍存在很大差距。

2.4 造船产业

近年来，人们对更大型、更豪华的摩托艇和风帆游艇的需求日渐旺盛，巡航和竞赛活动的数量也明显增多，这催生了对高强度和安全性产品之需求的日益增长。对位芳纶因其高模量、轻质量和抗挠曲疲劳性的特性被用于帆船、快艇、赛艇、渔船等制造。采用对位芳纶复合材料的加固船只，船身质量比玻璃钢或碳纤维复合材料及金属铝都轻，船体质量可减轻约30%。由于对位芳纶复合材料具有吸收震动及承受连续冲击的能力，可保证船只的航行平稳与安全，另外对位芳纶加固层压帆船在强度、硬度和尺寸稳定性方面均可大大提升，使高水平的赛艇竞赛成为可能。

2.5 工业元件

对位芳纶由于其高的模量、损伤容限和强度可用于各种工业元件，例如高性能印刷电路板、锥形扬声器和底板。还可以用于断路器棒材，其高模量和非导电性能可提供特定优势。

2.6 体育运动器材

由于对位芳纶复合材料具有轻质高强、振动阻尼、耐冲击和过载，及加工成型性好和可设计性强等特性，对位芳纶可用于加固不同类型的体育运动器材，例如网球拍、曲棍球棒、滑雪板、钓鱼竿、冲浪板、高尔夫球杆等。

3 对位芳纶复合材料制备过程的注意事项

目前国内对位芳纶复合材料的研发与制备处于起步阶段，相关制备技术相对不成熟，所以为提高对位芳纶复合材料的综合性能，在制备复合材料过程中需注意以下事项。

3.1 对位芳纶差别化产品多，如何进行纤维基材的选择

经过多年的国产化进程，国产芳纶已形成丰富的系列化和差别化，如对位芳纶的长丝、短纤维、纱线、丝束、短切纤维、浆粕、机织物、浸胶线绳等。由于各种状态的对位芳纶在性能及下游应用方面存在许多差异，所以在其复合材料制备时要根据最终产品性能特点进行纤维基材的选择。

3.2 对位芳纶韧性较大，如何提高纤维在塑料和橡胶中的分散性

对位芳纶短切纤维及浆粕如何均匀分散在塑料和橡胶中，目前仍为复合材料制备的一大难题。通过近年来的应用和开发经验，高速混合、制备预分散体和纤维增强塑料母粒，及表面涂覆和化学改性等方法可以大大提高纤维分散性，获得优异性能的对位芳纶复合材料。

3.3 对位芳纶表面活性点少，选择合适的树脂及进行预处理提高界面复合性

对位芳纶复合材料的界面是制备复合材料的关键技术，所以对芳纶增强复合材料用基体树脂有较高要求：

⑴ 力学方面能够起到粘结纤维、保护纤维和传递载荷的作用，在特定使用温度、环境和时间内具有良好的力学性能；

⑵ 物理方面应具有良好的耐热性、电性能、吸波性和透波性，提高对位芳纶复合材料的功能性，同时具备适当的热膨胀系数，使其与对位芳纶的膨胀系数相匹配，以减少对位芳纶复合材料的内应力；

⑶ 化学方面应具有优良的抗化学溶剂和化学腐蚀性、阻燃性及低的吸水（并耐水解）性；

⑷ 树脂的配方组成和溶剂应无强烈的刺激味、无毒或低毒，并具有较长的安全贮存期。

3.4 对位芳纶性能受环境因素影响较大，加强对位芳纶复材老化性能的研究

对位芳纶作为一种有机纤维，在制备和使用芳纶复合材料过程中，应充分考虑其老化性能，尽量减少环境因素对对位芳纶复合材料物理性能的等影响。

⑴ 对位芳纶长期使用温度为-196～-200 ℃，制备复合材料过程中应考虑复合材料的使用温度上限，若使用温度超过200 ℃，纤维及其树脂的酰胺基、胺基、醚键等的化学键可被热能打开，导致对位芳纶复合材料的力学性能大幅降低。

⑵ 水分的存在将会破坏对位芳纶和环氧树脂中存在的氢键，从而降低纤维及其复合材料的力学性能，故在制备对位芳纶复合材料过程中，应尽量对对位芳纶进行干燥、降低树脂中水分的质量分数、控制环境湿度，减少水分对复合材料性能的影响。

⑶ 对位芳纶吸收太阳中光的紫外光能量速度较慢，且对位芳纶复合材料曝露在阳光下不会发生光化学反应，但由于紫外线能量高，对纤维的化学键也有一定的影响，所以在制备对位芳纶复合材料过程中，应考虑复合材料是否在阳光下长期使用，或减少复合材料在阳光下吸收热等途径，降低紫外线对芳纶复合材料性能的影响。

4 结束语

随着国产对位芳纶的全系列、高端化和规模化生产，对位芳纶可满足我国航空、个体防护、轨道交通、新能源、汽车工业等支柱性和先导性产业发展的需求，从而打破进口纤维的市场垄断地位。高性能对位芳纶复合材料将是未来一段时间的研究热点和发展方向，建议各有关部门加大对位芳纶及其复合材料的技术开发，促进我国先进复合材料加速发展。

[1] 曹付军, 张江, 张少华, 等. 对位芳纶复合材料[J]. 化工时刊, 2014, 28(1): 35-37.

[2] 沃西源, 涂彬, 夏英伟. 芳纶纤维及其复合材料性能与应用研究[J]. 航天返回与遥感, 2005, 26(2): 50-55.

[3] 黄发荣, 周燕. 先进树脂基复合材料[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.

[4] 王晓洁, 梁国正, 张炜, 等. 湿热老化对高性能复合材料性能的影响[J]. 固体火箭技术, 2006, 29(3): 301-304.

The application of para-aramid fi ber in composite material

QIU Zhao-ming, LIU Xiao-li, WANG Zhong-wei, LI Chun-xia
( Yantai Tayho Advanced Materials Co.,Ltd, Shangdong Yantai 264006 China )

This article introduces the development and characteristics of aramid fiber, as well as the application of aramid fiber in aviation/aerospace, bulletproof equipment, automobile industry, shipbuilding, sports equipment, etc. This article gives different views and suggestions on issues such as choosing appropriate form of fiber reinforcements in manufacturing composites, improving the dispersion of fibers in the matrix, enhancing the activity of fiber interface and fortifying aramid fiber composites resistance to aging.

para-aramid fiber; composite material; application

TQ342.722

A

1007-9815（2016）06-0031-04

定稿日期: 2016-12-22

邱召明（1980-），男，山东烟台人，工程师，主要从事芳纶产品研发和应用研究，(电子信箱)zmqytu@sina.com。