對(duì)位芳綸在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

邱召明，劉曉麗，王忠偉，李春霞

（煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

對(duì)位芳綸在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

邱召明，劉曉麗，王忠偉，李春霞

（煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264006）

介紹了對(duì)位芳綸的發(fā)展現(xiàn)狀及性能特點(diǎn)，以及在航空航天、防護(hù)/武器裝備、汽車工業(yè)、造船產(chǎn)業(yè)、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)分析了對(duì)位芳綸在復(fù)合材料制備過程中應(yīng)注意合理選擇纖維基材，提高纖維在基體中的分散性，提高纖維界面活性，提高芳綸復(fù)合材料的抗老化性能等有關(guān)事項(xiàng)和建議。

對(duì)位芳綸；復(fù)合材料；應(yīng)用

1 芳綸及其特性

目前，全球產(chǎn)業(yè)化的3 大類芳香族聚酰胺纖維分別為間位芳綸（又稱芳綸1313）（分子結(jié)構(gòu)見圖1）、對(duì)位芳綸（又稱芳綸1414）（分子結(jié)構(gòu)見圖2）和共聚改性芳綸（又稱芳綸III）（分子結(jié)構(gòu)圖3）。由于芳綸為國(guó)防戰(zhàn)略性物資，目前其制備技術(shù)主要掌握在中、美、日、韓等國(guó)家。這3種芳綸的全球代表性品牌見表1。

圖1 間位芳綸分子結(jié)構(gòu)式

圖2 對(duì)位芳綸分子結(jié)構(gòu)式

由于芳香族聚酰胺高分子鏈上具有大量的剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)的酰胺化學(xué)鍵，賦予芳綸突出的穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)在以下方面：

⑴ 長(zhǎng)效耐溫：芳綸在-196～204 ℃環(huán)境溫度下性能非常穩(wěn)定，可長(zhǎng)時(shí)間使用，即使在300 ℃高溫也可保持較好的力學(xué)性能；

⑵ 本質(zhì)阻燃：芳綸的極限氧指數(shù)（LOI）＞29%，在空氣中不能持續(xù)燃燒；即使在特殊環(huán)境中燃燒也會(huì)迅速碳化，形成隔熱層，阻止進(jìn)一步燃燒；

⑶ 高強(qiáng)度：普通對(duì)位芳綸的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度的比值）高達(dá)2.0×105m，是鋼絲比強(qiáng)度（2.45×104m ）的8 倍；

⑷ 高模量：普通對(duì)位芳綸的比模量（模量與密度的比值）高達(dá)5.7×106m，是鋼絲比模量（2.7×106m ）的2 倍；

⑸ 電絕緣：芳綸紙的耐擊穿電壓高達(dá)2×104V/mm；

芳綸具有耐高溫、阻燃、絕緣、高強(qiáng)度、高模量以及抗輻射和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)異綜合性能，性價(jià)比高，因此廣泛應(yīng)用于高溫粉塵過濾、個(gè)體防護(hù)、電氣絕緣、彈道防護(hù)、復(fù)合材料增強(qiáng)等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊，是重要的軍民兩用材料。

圖3 Armos?及芳綸III結(jié)構(gòu)式

表1 全球芳綸代表性品牌一覽表

2 對(duì)位芳綸在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

對(duì)位芳綸復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐磨等一系列優(yōu)異性能，因此在航空航天、防彈武器裝備、汽車工業(yè)、造船產(chǎn)業(yè)、工業(yè)元件、體育運(yùn)動(dòng)器材等多個(gè)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用[1～3]。

2.1 航空航天

減重對(duì)于航空和航天飛行器而言具有特殊意義，是設(shè)計(jì)師除安全性之外最關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)。比如，航天器每減質(zhì)量1 kg，可節(jié)省3×104美元；航空器每減少1 kg質(zhì)量相當(dāng)于節(jié)約2 000 美元。采用先進(jìn)復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的唯一途徑，如美國(guó)三叉戟2戰(zhàn)略導(dǎo)彈第三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用對(duì)位芳綸/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，與玻纖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相比可實(shí)現(xiàn)30%～40%的減重。另外，對(duì)位芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料用作火箭整流罩和發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、空運(yùn)集裝箱、飛機(jī)殼體等結(jié)構(gòu)部件，可實(shí)現(xiàn)減重和大幅提高性能。用對(duì)位芳綸簾線代替尼龍簾線做橡膠骨架材料，可以實(shí)現(xiàn)航空輪胎輕量化并延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)位芳綸密封帶還可用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以在發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的情況下對(duì)乘客艙實(shí)施保護(hù)。

2.2 個(gè)體防護(hù)/武器裝備

對(duì)位芳綸作為一種本質(zhì)阻燃和高效防彈的材料，應(yīng)用于單兵防護(hù)裝備，是現(xiàn)代單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的組成部分，可有效提高士兵的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，是保護(hù)士兵生命的最后一道防線。目前采用對(duì)位芳綸機(jī)織物、紗線及UD布制備的特警戰(zhàn)訓(xùn)服、軟質(zhì)防彈背心、防彈頭盔和防刺防割服在軍警領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)普遍應(yīng)用。

隨著武器裝備整體性能的提升，對(duì)位芳綸復(fù)合材料在防彈武器裝備領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，如警用防彈車、坦克復(fù)合裝甲、艦用防彈板材、裝甲內(nèi)飾板等均采用對(duì)位芳綸復(fù)合材料或芳綸/碳纖維、對(duì)位芳綸/玻璃纖維等混雜復(fù)合材料制備，均可實(shí)現(xiàn)武器裝備整體質(zhì)量減輕、防彈性能提升等效果。

2.3 汽車工業(yè)

對(duì)位芳綸在汽車的輪胎、膠管、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、密封墊片、剎車片等15 個(gè)部位均有應(yīng)用，已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)必不可少的一種增強(qiáng)纖維。如對(duì)位芳綸制備的浸膠簾子布可用于輪胎子午線，實(shí)現(xiàn)輪胎減重，降低輪胎工作中的滾動(dòng)阻力，目前國(guó)外固特異、米其林以及大陸輪胎公司均有對(duì)位芳綸骨架材料的輪胎供應(yīng)；采用對(duì)位芳綸捻線制備的空調(diào)水管、油管、渦輪增壓管等，均可大幅度提高膠管的爆破壓力，國(guó)外對(duì)位芳綸骨架增強(qiáng)的汽車膠管應(yīng)用率達(dá)到95%，而我國(guó)汽車行業(yè)大部分采用滌綸或尼龍骨架材料，對(duì)位芳綸應(yīng)用比例不足10%；；采用對(duì)位芳綸漿粕制備剎車片，可提高剎車片的耐磨性，增加使用壽命，但目前我國(guó)制備的剎車片中對(duì)位芳綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1%～2%，與歐美及日系車輛相比仍存在很大差距。

2.4 造船產(chǎn)業(yè)

近年來，人們對(duì)更大型、更豪華的摩托艇和風(fēng)帆游艇的需求日漸旺盛，巡航和競(jìng)賽活動(dòng)的數(shù)量也明顯增多，這催生了對(duì)高強(qiáng)度和安全性產(chǎn)品之需求的日益增長(zhǎng)。對(duì)位芳綸因其高模量、輕質(zhì)量和抗撓曲疲勞性的特性被用于帆船、快艇、賽艇、漁船等制造。采用對(duì)位芳綸復(fù)合材料的加固船只，船身質(zhì)量比玻璃鋼或碳纖維復(fù)合材料及金屬鋁都輕，船體質(zhì)量可減輕約30%。由于對(duì)位芳綸復(fù)合材料具有吸收震動(dòng)及承受連續(xù)沖擊的能力，可保證船只的航行平穩(wěn)與安全，另外對(duì)位芳綸加固層壓帆船在強(qiáng)度、硬度和尺寸穩(wěn)定性方面均可大大提升，使高水平的賽艇競(jìng)賽成為可能。

2.5 工業(yè)元件

對(duì)位芳綸由于其高的模量、損傷容限和強(qiáng)度可用于各種工業(yè)元件，例如高性能印刷電路板、錐形揚(yáng)聲器和底板。還可以用于斷路器棒材，其高模量和非導(dǎo)電性能可提供特定優(yōu)勢(shì)。

2.6 體育運(yùn)動(dòng)器材

由于對(duì)位芳綸復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、振動(dòng)阻尼、耐沖擊和過載，及加工成型性好和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特性，對(duì)位芳綸可用于加固不同類型的體育運(yùn)動(dòng)器材，例如網(wǎng)球拍、曲棍球棒、滑雪板、釣魚竿、沖浪板、高爾夫球桿等。

3 對(duì)位芳綸復(fù)合材料制備過程的注意事項(xiàng)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)位芳綸復(fù)合材料的研發(fā)與制備處于起步階段，相關(guān)制備技術(shù)相對(duì)不成熟，所以為提高對(duì)位芳綸復(fù)合材料的綜合性能，在制備復(fù)合材料過程中需注意以下事項(xiàng)。

3.1 對(duì)位芳綸差別化產(chǎn)品多，如何進(jìn)行纖維基材的選擇

經(jīng)過多年的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，國(guó)產(chǎn)芳綸已形成豐富的系列化和差別化，如對(duì)位芳綸的長(zhǎng)絲、短纖維、紗線、絲束、短切纖維、漿粕、機(jī)織物、浸膠線繩等。由于各種狀態(tài)的對(duì)位芳綸在性能及下游應(yīng)用方面存在許多差異，所以在其復(fù)合材料制備時(shí)要根據(jù)最終產(chǎn)品性能特點(diǎn)進(jìn)行纖維基材的選擇。

3.2 對(duì)位芳綸韌性較大，如何提高纖維在塑料和橡膠中的分散性

對(duì)位芳綸短切纖維及漿粕如何均勻分散在塑料和橡膠中，目前仍為復(fù)合材料制備的一大難題。通過近年來的應(yīng)用和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，高速混合、制備預(yù)分散體和纖維增強(qiáng)塑料母粒，及表面涂覆和化學(xué)改性等方法可以大大提高纖維分散性，獲得優(yōu)異性能的對(duì)位芳綸復(fù)合材料。

3.3 對(duì)位芳綸表面活性點(diǎn)少，選擇合適的樹脂及進(jìn)行預(yù)處理提高界面復(fù)合性

對(duì)位芳綸復(fù)合材料的界面是制備復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)，所以對(duì)芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料用基體樹脂有較高要求：

⑴ 力學(xué)方面能夠起到粘結(jié)纖維、保護(hù)纖維和傳遞載荷的作用，在特定使用溫度、環(huán)境和時(shí)間內(nèi)具有良好的力學(xué)性能；

⑵ 物理方面應(yīng)具有良好的耐熱性、電性能、吸波性和透波性，提高對(duì)位芳綸復(fù)合材料的功能性，同時(shí)具備適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，使其與對(duì)位芳綸的膨脹系數(shù)相匹配，以減少對(duì)位芳綸復(fù)合材料的內(nèi)應(yīng)力；

⑶ 化學(xué)方面應(yīng)具有優(yōu)良的抗化學(xué)溶劑和化學(xué)腐蝕性、阻燃性及低的吸水（并耐水解）性；

⑷ 樹脂的配方組成和溶劑應(yīng)無強(qiáng)烈的刺激味、無毒或低毒，并具有較長(zhǎng)的安全貯存期。

3.4 對(duì)位芳綸性能受環(huán)境因素影響較大，加強(qiáng)對(duì)位芳綸復(fù)材老化性能的研究

對(duì)位芳綸作為一種有機(jī)纖維，在制備和使用芳綸復(fù)合材料過程中，應(yīng)充分考慮其老化性能，盡量減少環(huán)境因素對(duì)對(duì)位芳綸復(fù)合材料物理性能的等影響。

⑴ 對(duì)位芳綸長(zhǎng)期使用溫度為-196～-200 ℃，制備復(fù)合材料過程中應(yīng)考慮復(fù)合材料的使用溫度上限，若使用溫度超過200 ℃，纖維及其樹脂的酰胺基、胺基、醚鍵等的化學(xué)鍵可被熱能打開，導(dǎo)致對(duì)位芳綸復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅降低。

⑵ 水分的存在將會(huì)破壞對(duì)位芳綸和環(huán)氧樹脂中存在的氫鍵，從而降低纖維及其復(fù)合材料的力學(xué)性能，故在制備對(duì)位芳綸復(fù)合材料過程中，應(yīng)盡量對(duì)對(duì)位芳綸進(jìn)行干燥、降低樹脂中水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、控制環(huán)境濕度，減少水分對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

⑶ 對(duì)位芳綸吸收太陽中光的紫外光能量速度較慢，且對(duì)位芳綸復(fù)合材料曝露在陽光下不會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，但由于紫外線能量高，對(duì)纖維的化學(xué)鍵也有一定的影響，所以在制備對(duì)位芳綸復(fù)合材料過程中，應(yīng)考慮復(fù)合材料是否在陽光下長(zhǎng)期使用，或減少?gòu)?fù)合材料在陽光下吸收熱等途徑，降低紫外線對(duì)芳綸復(fù)合材料性能的影響。

4 結(jié)束語

隨著國(guó)產(chǎn)對(duì)位芳綸的全系列、高端化和規(guī)?；a(chǎn)，對(duì)位芳綸可滿足我國(guó)航空、個(gè)體防護(hù)、軌道交通、新能源、汽車工業(yè)等支柱性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，從而打破進(jìn)口纖維的市場(chǎng)壟斷地位。高性能對(duì)位芳綸復(fù)合材料將是未來一段時(shí)間的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，建議各有關(guān)部門加大對(duì)位芳綸及其復(fù)合材料的技術(shù)開發(fā)，促進(jìn)我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料加速發(fā)展。

[1] 曹付軍, 張江, 張少華, 等. 對(duì)位芳綸復(fù)合材料[J]. 化工時(shí)刊, 2014, 28(1): 35-37.

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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，山東煙臺(tái)人，工程師，主要從事芳綸產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用研究，(電子信箱)zmqytu@sina.com。