王钊磊 李昱芃 祝巍 韩业晶

摘要：芳纶是一种新型高科技合成纤维，具有良好的机械特性、超高强度、高模量并且有优异的阻燃、耐热、耐酸碱、耐辐射、生命周期长等优良性能。其广泛应用于国防军工防弹制品、航天航空、建筑材料、体育用品、电子设备等领域。论文讨论芳纶纤维的特性、应用、研究进展及制定相关标准的重要性。

关键词：芳纶 应用 研究进展 相关标准

1 引言

芳纶是一种新型高科技纤维产品，其全称为“芳香族聚酰胺纤维”，最初是由美国杜邦公司于20世纪60年代初研制成功，其商品1972年首次问世，定名为“Kevlar”[1]。由于其与锦纶大分子的主链上都含有酰胺键，因此二者同属酰胺类纤维，但不同的是芳纶中的酰胺键与苯环相连，而锦纶中的酰胺键则是与脂肪基相连。

通过分子结构的特性进行综合考量，芳纶具有高强高模、低密度、耐磨、耐冲击、耐酸碱、耐高温且抗老化及优良的绝缘性等突出特性，其强度是钢丝的5～6倍，模量是钢丝、玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，但质量又与涤纶相近，仅为钢丝的1/5左右[2]，因此其具有非常优异的力学性能、极高的尺寸稳定性、稳定的化学性能以及突出的介电性等特性。

由于酰胺键与苯环连接位置不同，致使芳纶存在分子结构的差异。因此，常见的芳纶种类可分为对位芳纶、间位芳纶及芳纶Ⅲ。

芳纶纤维作为新型高科技纤维，由于其极强特性，使其应用领域范围极为广泛。但相较其他棉、毛及涤纶等常见纤维，芳纶纤维及其制品开发问世时间较短，因此缺少相关技术标准。

2 制备原理及特性

对位芳纶，又称芳纶1414、PPTA纤维。低温溶液缩聚是合成对位芳纶最为常见且成熟的方法，将溶解在浓硫酸中的对苯二甲酰氯与苯二胺的低温浓缩聚合物，通过干喷湿法纺丝而制成。

对位芳纶具有较高的热分解及玻璃化温度，因此热稳定性好;极限氧指数较高，阻燃性好;在高温环境下，力学性能稳定。但纤维表面缺少活性基团，致使压缩强度及模量较低;酰胺基存于表面，吸湿性差，纤维浸湿，破坏氢键，导致强度下降;不耐强碱;对紫外线照射敏感，易影响其强度;内部结构排列紧密，染料很难进入分子，着色性能较差。

间位芳纶，又称芳纶1313、PMIA纤维。其通过对间苯二胺与间苯二甲酰氯低温缩聚反应形成聚合物，后可采用干法、湿法纺丝或干喷纺丝制得。

间位芳纶由于其酰胺键与苯环的连接，其分子链呈锯齿状，氢键作用明显，因此具有优异的热稳定、阻燃及耐辐射等特性;且与其他物质不易反应，稳定性好。但长期与强酸碱接触，易发生反应;耐光性较差，且染色困难[3]。

芳纶Ⅲ，通过改变纤维形成加工工艺，将第三单元体5（6）-胺基-2-（4-胺基苯基）与大分子链共缩聚，因具有独特的杂环状结构，故又称杂环芳纶。在其制备低温溶液缩聚中加入N，N-二甲基乙酰胺及氧化锂，并将第三单元体部分替代对苯二甲酰氯和对苯二胺，最终将聚合物通过纺丝及热处理工艺制成[4]。

芳纶Ⅲ由于其独特的结构，致使其具有高模量、高强度、耐腐蚀、耐超强高温及绝缘性等特点，性能均优于對位芳纶。但其结晶区存在仲晶，结晶状态不完善[5]，强力变异系数大，产量低，以致于应用范围小。

3 国内外发展现状

美国杜邦公司作为对位芳纶及间位芳纶的率先成功研发者，20世纪六七十年代便已实现产业化，不仅技术领先，其生产的对位芳纶产品Kevlar及间位芳纶产品Nomex的产量和销量均处于世界首位[6]。除美国杜邦外，日本帝人公司也位处先列，两公司产能共占全世界产能约79.1%，其中仅杜邦公司生产的间位芳纶便占全球总产量约50%。而作为军事超级大国的俄罗斯，一直将重点放在芳纶Ⅲ的开发研制上，其由全苏合成纤维科学研究院与俄聚合物纤维科学研究院研发，特威尔生产的与卡门斯克两家公司生产的SVM、Armos和Rusar尤为突出。俄罗斯全国的芳纶Ⅲ全年总产能可达约2000 t[7]。而在全球范围内，韩国及荷兰等欧洲部分国家也致力于在芳纶研究发展方面有所突破。同时，欧洲、美国及日本也分列芳纶消费市场的前三位。

而我国对于芳纶的研发稍晚，于20世纪70年代起步，分别于1981年及1985年通过间位芳纶与对位芳纶的鉴定工作，之后一直处于尝试阶段[8]。但经过长期坚持不懈地努力，在三种芳纶方面均取得了一定突破：间位芳纶，经过扩大优化生产，现今我国产能已成为全球范围内仅次于美国杜邦公司的第二大制造供应商[9]，具有一定的国际竞争力;对位芳纶的产能与质量虽与国际同类产品存在一定差距，但也在逐步攻破难关，已基本实现产业化;芳纶Ⅲ的国产也已突破百吨级工程化，具有一定的批量制造供应水平;其各项性能指标虽均优于对位芳纶，但由于其产能小，变异系数较大等问题，至今使用量较小。

目前，我国有60余所企业、高校及科研机构从事与芳纶及其产品相关的研究生产工作，分布在山东、广东、上海、四川等全国各地，例如山东烟台泰和新材料股份有限公司、广东彩艳股份有限公司及中蓝晨光化工研究院等在行业内较为知名。

4 应用领域

芳纶由于其综合性能突出，是高性能纤维中发展最为迅速且重要的成员之一，其优异且全面的性能使得其以多种形式形态应用于诸多方面，尤其在高新科技领域日益扮演着重要角色。

4.1 建筑、橡胶、增强补强材料

对位芳纶在具有高模高强性的同时，又具备优良的柔软性、质量轻且易进行材料复合，在应对场地、环境等客观条件不佳时，可任意改变其形态以便使用。常应用于房屋、道路、隧道及桥梁各类建筑工程领域中的加固、补强、修复受损。将芳纶短切纤维均匀置于混凝土等建筑材料中，除增强效果外，抗弯效果也尤为显著[10]。

4.2 运动器材

与碳纤维类似，通过利用芳纶抗老化、耐疲劳、耐高温、可加工性好等特性，使其在鞋、球拍、球棒、自行车、球杆、赛车、赛艇等运动器材方面发挥了突出作用，受到专业人士的肯定及青睐，正逐步占领市场。芳纶高强质轻，具有出色的振动阻尼性能，阻尼系数是碳纤维、铸铁复合材料的5倍多，同时耐磨、耐冲击，动态抗张力疲劳性明显，使得其运动产品不仅轻便、结实、耐用，且具有极高的安全性，充分保障运动时的人员安全[11]。

4.3 交通设备

早期且较常见的芳纶在交通设备中的应用是利用其密度小且黏附性强的特点作为汽车等轮胎帘子线。由此制成的轮胎质轻、胎薄、耐磨、吸振、耐高温、阻燃、尺寸稳定。而随着芳纶产能的提高，成本下降，使得其正逐步应用于轮胎骨架、刹车片、保险杠等部件，降低油耗的同时，增加使用寿命，提高了安全性。同理，在造船方面也充分利用了芳纶以上特性，来制造快艇、帆船、渔船等小型船只、船舶。

4.4 国防军事（个人防护）

芳纶复合材料，特别是芳纶Ⅲ制成的头盔、防护服等军事或防护装备，质轻、抗振、高韧性，在保障防弹防护效果的同时，优良的耐热性、柔软性使得其穿戴轻便、舒适。目前，中国、美国、俄罗斯等军事大国也已将芳纶的复合材料应用于洲际导弹，以及坦克、装甲车、战斗机、驱逐舰等作战平台的关键部位上，意义深远[12]。

4.5 航空、航天

质轻，对极端恶劣条件的适应性是芳纶复合增强材料大力应用于航空、航天领域的重要原因。芳纶材料在增加使用寿命、减少燃油损耗、提高经济效益的同时，最大限度地保障航天员的安全。

4.6 电子通信

对位芳纶应用于光缆中，依靠其作为“张力构件”，可提高其韧性、刚度及强度，保障传送良好。而利用芳纶的介电性及尺寸稳定性，可制作质轻的电路板。

4.7 芳纶纸

依靠间位芳纶持久的热稳定性、阻燃、绝缘化学稳定等特性，可制成芳纶纸，后可加工制成芳纶云母纸、柔性材料及绝缘材料等。

4.8 其他

由于芳纶织物或其复合材料的诸多优异特性，在橡胶领域、环保过滤材料方面也发挥着十分突出且日益显著的作用。

5 制定相关标准的重要性

芳纶广泛应用于建筑材料、运动器材、国防军事、航天航空、体育用品、电子通信及设备等诸多领域，并已实现批量化生产并逐步扩大市场及应用。但芳纶纤维相关标准较少，此情况我国尤为明显，除FZ/T 12023《芳纶1313本色纱线》、FZ/T 12041《芳纶色纺纱线》、FZ/T 12056《对位芳纶（中长型）本色纱线》 等芳纶产品标准外，其他测试方法标准较少。例如我国除最新发布实施的GB/T 2910.25《纺织品 定量化学分析 第25部分：聚酯纤维与某些其他纤维的混合物（三氯乙酸/三氯甲烷法）》及GB/T 2910.26《纺织品 定量化学分析 第26部分：三聚氰胺纤维与棉或芳纶的混合物（热甲酸法）》外，目前暂无涉及芳纶的纤维含量定量方法标准，而美日等发达国家均已出台如AATCC 20A《纤维成分定量分析》、JIS L 1030-2《纺织品纤维混合物数量分析的测试方法 第2部分：纤维混合物数量分析的测试方法》等试验标准。

所以为统一芳纶纤维在行业内的技术要求，急需制定相关国家标准，以满足市场需求，便于管理约束，并为实施售后服务、扩大竞争创造条件。制定相關国家标准不仅可以规范社会生产活动、规范市场行为，让遍布各地的企业在技术上保持高度的统一，且为衡量产品质量好坏提供了主要依据。惟有通过制定并提供统一完善的技术标准，方可使得先进的科技成果转化为生产力，从而产生更好的经济效益和社会效益。

6 结语

芳纶作为优异的高科技、高性能纤维，应用于我们社会及生活的方方面面，未来需求大，应用前景良好，其重要性正日益彰显。我国虽在此领域取得了一定进步，但与世界领先水平仍有一定距离，总体产能较小，技术不成熟，相应标准缺失，急需全面加强各方合作，提高重视，加大投入，致力研发，并出台完善相关标准，以适应市场，维护秩序，同时逐步缩短差距。

参考文献

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