第二章　高性能有机纤维

第一节　芳香族聚酰胺纤维

芳香族聚酰胺纤维是指至少有85%的酰胺链（—CONH—）直接与两苯环相连接的合成纤维，具有代表性的是对位的聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA，芳纶1414，对位芳纶）及间位的聚间苯二甲酰间苯二胺（芳纶1313，间位芳纶）。

一、对位芳纶（芳纶1414）

对位芳纶的中国学名为芳纶1414，1965年发明，1971年美国杜邦公司的商品化命名为Kevlar，荷兰Akzo-Noble公司的商品名为Twaron，俄国的商品名为Terlon。化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）。图2-1～图2-3为芳纶1414的长丝、短纤维和织物。

（一）对位芳纶的制造

对位芳纶的基本原料是对苯二胺（PPDA）和对苯二甲酰氯（TPC）。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。然后经过液晶纺丝或干湿法纺丝制得纤维，纺丝工艺如图2-4所示。

（二）对位芳纶的结构

1.大分子结构　对位芳纶的大分子结构如下所示：

2.结晶结构　具有高结晶和高取向分子结构。Kevlar 29的结晶度大于85%，取向角为12°～20°；Kevlar 49的结晶度在90%～95%之间，取向角小于12°。

3.原纤结构　原纤沿纤维轴向取向，600nm宽，具有较高的结晶度和有序的结构。凯夫拉（Kevlar）纤维的原纤结构在横向有较小的连接力（范德瓦耳斯力和氢键）。皮层具有较高的原纤取向，芯层原纤的取向度较低，排列不规则。凯夫拉纤维原纤化结构模型见图2-5。

4.皮芯结构　其皮芯结构如图2-6所示。

（三）对位芳纶的性能

对位芳纶最突出的性能是其高强度、高模量和出色的耐热性，还具有适当的韧性，可供纺织加工。

1.力学性能　对位芳纶的比强度是钢丝的6倍，玻璃纤维的3倍。一般单丝的强度为15.9～23.8cN/dtex，断裂伸长率为1.5%～4.4%，Kevlar 49和Kevlar 149的模量分别为861.4cN/dtex和970.9cN/dtex，断裂伸长率为2.8%、1.5%。具有非常低的蠕变，蠕变随温度和应力的增加而增加。对位芳纶力学性能的缺点是压缩强度和压缩模量较低。

2.热性能　比热：Kevlar 49为1.7，与相同厚度的玻璃纤维布具有相同的绝热性能，但由于密度小，同重量的材料绝热性能好。玻璃化转变温度为375℃，熔点为530℃。

极限氧指数：28.5%～29%。

使用温度：连续使用温度范围为-196～204℃，在560℃高温下不分解、不熔化。在高温下，有很低的热收缩，热稳定性好。

耐热性：在200℃下经历100h，仍能保持原强度的75%；在160℃下经历500h，仍能保持原强度的95%。在高温下，有很低的热收缩，热稳定性好。

3.化学稳定性　一般来讲，在氧化环境下，长时间使用温度为150℃。大部分盐水溶剂无影响，强酸强碱在高温或高浓度下，降低纤维强度。

4.其他性能　密度为1.43～1.44g/cm3，比锦纶、聚酯纤维大，比碳纤维纤维小。回潮率在3.9%～4.5%。

纤维有光泽、淡黄色。耐潮湿和耐紫外辐射性差，表面与基体复合黏合性差。由于易原纤化，耐磨性能较差，需要上油剂，保护纤维。

一些品牌的PPTA纤维性能如表2-1所示。

表2-1　PPTA纤维性能

（四）对位芳纶的应用领域

1.先进复合材料　密度很小的芳纶树脂基增强复合材料被用作宇航、火箭和飞机的结构材料，用来减轻自重，增加有效负荷，节省大量动力燃料。波音飞机的壳体、内部装饰件和座椅等部件都使用了对位芳纶。

芳纶复合材料还可广泛应用于轻型卡车与轿车的传动轴、车身底盘、保险架、座椅骨架、车门、面板、水箱等部件。

2.防护材料　防弹衣等防护装备一直都是芳纶应用的重要领域，对位芳纶也因此得到“防弹纤维”的称号。用其制作的芳纶防弹衣和头盔的防护效果十分显著，许多国家军警的防弹衣、防弹头盔、防刺防割服、排爆服、高强度降落伞、防弹车体、装甲板等均大量采用对位芳纶。芳纶头盔是多层芳纶布经特殊树脂黏结高温高压成型的，具有强度高、质量轻及防护性能好的特点。芳纶复合材料防护头盔如图2-7所示。

3.建筑结构加固材料　芳纶复合增强材料除了具有轻质高强、高模、防腐蚀、耐久性能好等特点外，还具有抗碱腐蚀能力强、不导电、抗动载抗冲击和抗疲劳性能好，这就使它在海港码头工程、绝缘性要求高的场所如地铁、隧道及电气化铁路等工程得到广泛应用。如图2-8所示。

日本利用芳纶浸渍环氧树脂作为修补及加固材料，对高速公路、新干线的桥墩、建筑物的立柱、烟囱等进行修复，经过修复的建筑物可长期使用，并有修理工期快、节约资金等优点，更重要的是建筑物的抗震能力提高了十多倍。

我国使用对位芳纶进行加固的工程实例也有很多，如广东省惠州西枝江大桥加固工程、哈尔滨东宁金厂大桥加固工程、山东济宁凤凰台战备大桥加固工程、深圳龙岗万佳百货牛腿加固工程、济南黄河大桥加固工程等。

4.代替石棉制造摩擦材料　可作为石棉替代品应用于摩擦材料领域，如离合器衬片、制动器垫片和刹车片，还可在密封材料上作为增强材料，提高密封垫圈的耐压性。工业化国家90%的刹车片和离合器面板，40%的密封垫片都采用芳纶制造。

5.用于缆绳和传送带　对位芳纶还可应用在光缆增强材料、航天器回收降落伞用绳带、半潜式深海钻井平台锚绳、高压电线牵引绳等领域。另外，还可应用于高温输送带、高速传送带、军用遮蔽物、帐篷、涂覆织物等领域。如图2-9所示。

二、间位芳纶

间位芳纶的中国学名为芳纶1313，化学名称为聚间苯二甲酰间苯二酰胺（PMLA）。1967年美国杜邦公司制造，其商品名为Nomex。日本帝人也是世界上最早的芳纶1313供应商之一，商品名为Conex。烟台泰和新材料股份有限公司制造的芳纶1313商品名为Tametar。芳纶短纤维及其短纤纱如图2-10和图2-1 1所示。

（一）间位芳纶的制备

以间苯二胺和间苯二甲酰氯两种单体为原料，以二甲基乙酰胺或四氢呋喃为溶剂进行低温溶液聚合。聚合时应加入三乙胺、无机碱类化合物等酸吸收剂。反应完成后用碱中和，经过滤、脱泡后直接进行干法或湿法纺丝。干法纺丝一般用于纺制长丝，喷丝孔数较少，纺丝速度较高，纤维质量较好，但设备较复杂，生产成本也较高。而湿法纺丝喷丝孔数可达30000孔以上，设备简单，产量高，生产成本低，适于生产短纤维，但纤维质量比长丝稍差。初生纤维经洗涤、两道拉伸干燥、卷曲、切断和打包，便是成品短纤维。

（二）间位芳纶的结构特点

在它的晶体里，氢键在两个平面内排列，从而形成了氢桥的三维结构。由于极强的氢键作用，使之结构稳定，具有优越的耐热性能以及优良的阻燃性能、耐化学性能。其分子结构式如下：

（三）间位芳纶的性能特点

1.耐高温和阻燃性　芳纶1313在260℃下持续使用1000h，其剩余强度仍能保持原强度的65%～70%，它不熔融，当温度超过400℃时，纤维逐渐发脆，炭化，直至分解，但不会产生熔滴，在火焰中不延燃，具有较好的阻燃性，限氧指数LOI为29%～32%。

2.绝缘性　芳纶1313介电常数很低，固有的介电强度使其在高温、低温、高湿条件下均能保持优良的电绝缘性，用其制备的绝缘纸耐击穿电压可达到40kV/mm，是全球公认的最佳绝缘材料。

3.耐酸性　该纤维能耐大多数酸的作用，只有长时间与盐酸、硝酸或硫酸接触，强度才有所降低。对碱的稳定性也好，只是不能与氢氧化钠等强碱长期接触。

4.力学性能　断裂强度较高（高于普通涤纶、棉、锦纶66等），伸长较大，耐磨牢度好。间位芳纶的力学性能见表2-2。

表2-2　力学性能

5.芳纶1414和芳纶1313性能比较　强伸性：芳纶1414＞芳纶1313；耐热性：芳纶1313＞芳纶1414；阻燃性：芳纶1313＞芳纶1414。因此，芳纶1414作为轮胎帘子线和防弹等高强度材料，而芳纶1313作为耐高温和阻燃材料。

（四）间位芳纶的用途

利用其优异的耐高温性、阻燃性做成除尘袋，能过滤掉炼钢、水泥等高污染企业产生的高温粉尘；做成消防服、作战服，能有效地避免烧伤烫伤；做成绝缘纸，可以大幅度提高机电产品的耐热绝缘等级；做成蜂窝夹芯材料，又是高速列车、飞行器的理想结构材料。其应用如图2-12和图2-13所示。芳纶1313的主要供应商依次为美国杜邦、烟台泰和新材、日本帝人。美国杜邦在全球处于垄断地位。烟台泰和新材的产品性能指标和差别化程度与美国杜邦比较接近，是美国杜邦的主要竞争对手。日本帝人也是世界上最早的芳纶1313供应商之一。