芳綸-國(guó)防軍工上的高性能纖維材料

高性能纖維是指具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、難燃燒、化學(xué)穩(wěn)定性突出的纖維維。而在眾多高性能纖維中，世界上達(dá)萬(wàn)噸以上規(guī)模生產(chǎn)的只有碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維等少數(shù)品種。其中芳綸以其優(yōu)異的綜合性能和多樣的存在形式，使其成為目前應(yīng)用廣、產(chǎn)量大的高技術(shù)纖維，在國(guó)防、航天、航空、汽車等領(lǐng)域，以及新能源開(kāi)發(fā)等方面都具有不可替代的作用。

芳綸的用途包括：

1.衛(wèi)星、2.防彈車，3.火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、

4.輪胎骨架、5.剎車片、6石油井平臺(tái)

芳綸纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能，大分子鏈上至少有85％的酰胺鏈(—CONH—)直接與兩個(gè)苯環(huán)相連接。全球芳綸纖維產(chǎn)能已超過(guò)8萬(wàn)噸/年，需求量超過(guò)10萬(wàn)噸/年。目前只有美、日、俄和中國(guó)等少數(shù)國(guó)家實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

01

芳綸簡(jiǎn)介

全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，芳綸纖維的品種主要有芳綸1313（間位芳綸）、芳綸1414（對(duì)位芳綸，也稱芳綸Ⅱ），芳綸Ⅲ（對(duì)位雜環(huán)芳綸）。

1、間位芳綸——芳綸1313

芳綸1313是一種間位芳綸，早由美國(guó)杜邦公司研制成功，并于1967年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品注冊(cè)為Nomex(諾美克斯)。

它具有長(zhǎng)久的熱穩(wěn)定性，這是其重要的特性，可在200 ℃高溫下長(zhǎng)期使用不老化，具有極佳的尺寸穩(wěn)定性。間位芳綸具有本質(zhì)阻燃性，其極限氧指數(shù)值(LOI)＞28 %，在空氣中不會(huì)自燃、融化，也不會(huì)產(chǎn)生熔滴，離焰自熄。

芳綸1313蜂窩板

間位芳綸的電絕緣性優(yōu)良，以其制成的絕緣紙耐擊穿電壓可達(dá)20 kV/mm；間位芳綸耐腐蝕性能非常優(yōu)越，耐輻射的性能也十分優(yōu)異。此外，間位芳綸還具有低剛性、高延長(zhǎng)性，能用常規(guī)紡織機(jī)械進(jìn)行加工。

2、對(duì)位芳綸

對(duì)位芳綸的品種主要有芳綸1414（如美國(guó)杜邦Kevlar、日本帝人Twaron等）和芳綸III（俄羅斯Armos、中藍(lán)晨光STARAMID F－3）。

對(duì)位芳綸突出的性能是其高強(qiáng)度、高模量、質(zhì)量輕和突出的耐熱性。其綜合性能更勝芳綸1313一籌。

對(duì)位芳綸的耐熱性能高于間位芳綸，在200℃高溫下經(jīng)歷上百個(gè)小時(shí)，仍能保持原強(qiáng)度，在560℃高溫下不分解、不熔化。此外，對(duì)位芳綸還具有良好的抗沖擊、耐腐蝕和抗疲勞性能。

由于對(duì)位芳綸具有以上種種優(yōu)點(diǎn)，被喻為“防彈纖維”，廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、個(gè)體防護(hù)及體育休閑等領(lǐng)域。

（1）對(duì)位芳綸——芳綸1414

芳綸1414 是一種全對(duì)位芳綸，俗稱芳綸II。由杜邦公司在上世紀(jì)六十年代末研制成功，其商品于1972年首次問(wèn)世，定名為Kevlar(凱芙拉)。芳綸1414的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是材料界發(fā)展的一個(gè)的重要里程碑。

芳綸1414有極高的強(qiáng)度，大于28克/旦，是優(yōu)質(zhì)鋼材的5～6倍，模量是鋼材或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼材的2倍，而重量?jī)H為鋼材的1/5。（芳綸1414的強(qiáng)韌性也使其裁切與加工異常困難，需要昂貴的專用工具）。

芳綸1414防彈衣

目前芳綸1414已作為一種高技術(shù)含量的纖維材料被廣泛應(yīng)用于軍事、航天航空、機(jī)電、建筑、汽車、海洋水產(chǎn)、體育用品等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面。

（2）對(duì)位芳綸——芳綸III

芳綸Ⅲ是對(duì)位芳綸的一種,是一種三元共聚芳香族聚酰胺纖維，也是一種性能優(yōu)異的高技術(shù)特種纖維.因其含有雜環(huán)結(jié)構(gòu)，也稱雜環(huán)芳綸。早由俄羅斯于上世紀(jì)1978年代由全蘇合成纖維研究院開(kāi)發(fā)成功，產(chǎn)品注冊(cè)為Armos。國(guó)內(nèi)由中藍(lán)晨光在05年率先開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

芳綸Ⅲ位于芳綸家庭中的塔尖，其綜合性能更勝芳綸1414一籌。是國(guó)內(nèi)批產(chǎn)綜合性能優(yōu)的有機(jī)纖維。

芳綸Ⅲ具有增強(qiáng)、減重、拒腐蝕、抗降解、耐高溫等卓越功能特性，是支撐當(dāng)代航天航空、軍事工業(yè)、生命保護(hù)等尖端產(chǎn)業(yè)的核心基礎(chǔ)材料和直接影響國(guó)家安全利益的戰(zhàn)略物資，具有廣闊的市場(chǎng)前景和迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

02

芳綸生產(chǎn)工藝

以帝人芳綸Twaron（芳綸1414）為例：

Twaron的生產(chǎn)需要三種工藝：聚合、長(zhǎng)絲紡絲和絲束紡紗。

1、聚合

在階段，先將單體紡成密實(shí)的細(xì)粒聚合物粉末。該物料具有對(duì)位芳綸的主要熱性能和化學(xué)特性。然而，其不具備紗線或紙漿的強(qiáng)化特性。這種細(xì)粉末可用于增強(qiáng)塑料組分的特性。

2、紡絲

第二階段將聚合物溶在硫酸中，生成一種液晶溶液。隨后該溶液紡入細(xì)長(zhǎng)絲中，每根絲的直徑為12μm。絲的結(jié)構(gòu)為100%亞晶狀，分子鏈與纖維軸平行。正式這種高趨向性分布使Twaron長(zhǎng)絲具有各種優(yōu)異的特性。

3、短纖

為生產(chǎn)人造短纖維或短切纖維，現(xiàn)將紗線進(jìn)行起皺處理，然后再利用整理劑進(jìn)行處理。干燥后，將纖維切割成目標(biāo)長(zhǎng)度，然后包裝。

4、紡成漿粕

為生產(chǎn)紙漿，首先切割紗線，然后使紗線懸浮在水中進(jìn)行纖維化處理。然后直接包裝并作為濕紙漿出售，或經(jīng)過(guò)脫水干燥并作為干紙漿待售。

03

芳綸纖維發(fā)展概況

1. 芳綸家族各產(chǎn)品特點(diǎn)

芳綸具實(shí)用價(jià)值的品種有3個(gè)：芳綸1313是開(kāi)發(fā)早、產(chǎn)量大、應(yīng)用廣，也是有發(fā)展前途的有機(jī)耐高溫纖維，到目前為止，全球年生產(chǎn)能力已達(dá)3.1萬(wàn)t左右；芳綸1414具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，素有高分子材料中的“百變金剛”之譽(yù)，是當(dāng)今世界高性能纖維材料的代表；芳綸III具有更優(yōu)異的綜合性能，已用于國(guó)家戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器上，目前僅中國(guó)和俄羅斯能批量穩(wěn)定生產(chǎn)，但產(chǎn)量較小，約為3000～4000t/a。

高性能芳綸由于具有良好的應(yīng)用性能，目前已進(jìn)入快速發(fā)展期，其中芳綸III功能佳。因具有超高的強(qiáng)度、模量和耐高溫性能，以及良好的絕緣性和抗腐蝕性，芳綸III在高性能纖維中占據(jù)了領(lǐng)導(dǎo)地位，并被人們稱為“芳綸纖維中的戰(zhàn)斗機(jī)”。

表1 芳綸1414 (杜邦)與芳綸III（俄羅斯、中藍(lán)晨光）力學(xué)性能對(duì)比

牌號(hào)

在軍事裝備現(xiàn)代化、民用產(chǎn)品高性能化、生產(chǎn)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)進(jìn)步高速化發(fā)展的今天，芳綸纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料作為戰(zhàn)略物質(zhì)之一，在各領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。芳綸纖維的產(chǎn)業(yè)化不僅可以帶動(dòng)原材料，可以使下游的產(chǎn)品得到更大的發(fā)揮，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益，但是需要研究的時(shí)間很長(zhǎng)，涉及的學(xué)科很多，是國(guó)家綜合實(shí)力的充分體現(xiàn)。目前世界上做的好的芳綸纖維是美國(guó)、日本，性能指標(biāo)上是俄羅斯芳綸III纖維做的好，用量大的是美國(guó)和日本。芳綸纖維應(yīng)用廣泛是對(duì)位芳綸纖維，其中芳綸纖維1414（芳綸II），美國(guó)杜邦公司、日本帝人公司生產(chǎn)的為主；芳綸III（雜環(huán)芳綸），主要以俄羅斯的雜環(huán)纖維、國(guó)內(nèi)以中藍(lán)晨光生產(chǎn)的STARAMID F－3為主。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

芳綸1313

全球來(lái)看，芳綸1313的主要供應(yīng)商依次為美國(guó)杜邦、煙臺(tái)泰和新材、日本帝人。芳綸1313主要用于制防輻射衣料、航天衣料，也用于制耐高溫衣料、蜂窩制件、高溫線管、飛機(jī)油箱、防火墻、反滲透膜或中空纖維等。

芳綸1414

1966年，杜邦公司生產(chǎn)出了對(duì)位芳綸即Kevlar?纖維；1972年日本帝人公司生產(chǎn)出對(duì)位芳綸Conex纖維；1986年荷蘭Akzo公司生產(chǎn)出Twaron纖維；1987年日本帝人公司生產(chǎn)出Technora纖維。而我國(guó)于1972年開(kāi)始進(jìn)行芳綸的研制工作，1985年通過(guò)芳綸1414的鑒定，纖維性能已達(dá)到美國(guó)杜邦公司 Kevlar? 49水平。

芳綸III

芳綸Ⅲ早由俄羅斯于上世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)成功并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。早開(kāi)發(fā)的品種為SVM，屬于二元雜環(huán)芳綸，后又開(kāi)發(fā)成功三元雜環(huán)芳綸Armos。俄羅斯芳綸III纖維，拉伸強(qiáng)度可達(dá)6.0GPa以上，性能優(yōu)于碳纖維T800的性能。其芳綸III纖維已成功用在先進(jìn)的導(dǎo)彈布拉瓦導(dǎo)彈和發(fā)動(dòng)機(jī)上。

鑒于芳綸Ⅲ纖維的綜合性能優(yōu)異，國(guó)內(nèi)于上世紀(jì)九十年代也開(kāi)始研發(fā)，經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)和工程化開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)由中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司于2006年率先開(kāi)發(fā)成功，商品名為STARAMID F-3。目前STARAMID F-3已開(kāi)發(fā)出多種產(chǎn)品類型，產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度達(dá)到5.0GPa以上，拉伸彈性模量150-180GPa。中藍(lán)晨光芳綸III纖維性能居國(guó)內(nèi)批產(chǎn)有機(jī)纖維之首，達(dá)到俄羅斯Rusa產(chǎn)品水平。

國(guó)產(chǎn)芳綸III的研發(fā)成功，使我國(guó)成為除俄羅斯以外第二個(gè)擁有該技術(shù)的國(guó)家，解決了這一關(guān)鍵軍用材料長(zhǎng)期依賴于國(guó)外進(jìn)口的現(xiàn)狀，具有顯著的軍事與社會(huì)效益，是我國(guó)高性能纖維國(guó)產(chǎn)化的重要里程碑。

3. 發(fā)展前景

今后，我國(guó)在防護(hù)服領(lǐng)域的芳綸1313纖維用量將以每年30%以上的速度遞增，作為生產(chǎn)防護(hù)服以及其他室內(nèi)裝飾用品的芳綸有色纖維用量也隨之增加，輕量汽車子午胎用簾子布和剎車片的需求正在興起，預(yù)計(jì)今后對(duì)位芳綸年需求量將以超過(guò)10%的速度增長(zhǎng)。隨著我國(guó)能源工業(yè)的發(fā)展，用對(duì)位芳綸增強(qiáng)橡膠及熱塑性樹(shù)脂作為石油及液化天然氣的耐高壓輸送管線將有所發(fā)展。

目前芳綸III主要用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)構(gòu)件領(lǐng)域，但因其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊、耐高溫、柔韌性好、耐磨等優(yōu)異性能，使其在防彈、裝甲、輪胎、電子等領(lǐng)域有大量應(yīng)用。未來(lái)隨著芳綸Ⅲ產(chǎn)品和其應(yīng)用的不斷開(kāi)發(fā)，其市場(chǎng)也將不斷擴(kuò)大。