論芳綸纖維研究進(jìn)展及制定其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要性

王釗磊 李昱芃 祝巍 韓業(yè)晶

摘要：芳綸是一種新型高科技合成纖維，具有良好的機(jī)械特性、超高強(qiáng)度、高模量并且有優(yōu)異的阻燃、耐熱、耐酸堿、耐輻射、生命周期長(zhǎng)等優(yōu)良性能。其廣泛應(yīng)用于國防軍工防彈制品、航天航空、建筑材料、體育用品、電子設(shè)備等領(lǐng)域。論文討論芳綸纖維的特性、應(yīng)用、研究進(jìn)展及制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要性。

關(guān)鍵詞：芳綸 應(yīng)用 研究進(jìn)展 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1 引言

芳綸是一種新型高科技纖維產(chǎn)品，其全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，最初是由美國杜邦公司于20世紀(jì)60年代初研制成功，其商品1972年首次問世，定名為“Kevlar”[1]。由于其與錦綸大分子的主鏈上都含有酰胺鍵，因此二者同屬酰胺類纖維，但不同的是芳綸中的酰胺鍵與苯環(huán)相連，而錦綸中的酰胺鍵則是與脂肪基相連。

通過分子結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行綜合考量，芳綸具有高強(qiáng)高模、低密度、耐磨、耐沖擊、耐酸堿、耐高溫且抗老化及優(yōu)良的絕緣性等突出特性，其強(qiáng)度是鋼絲的5～6倍，模量是鋼絲、玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，但質(zhì)量又與滌綸相近，僅為鋼絲的1/5左右[2]，因此其具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能、極高的尺寸穩(wěn)定性、穩(wěn)定的化學(xué)性能以及突出的介電性等特性。

由于酰胺鍵與苯環(huán)連接位置不同，致使芳綸存在分子結(jié)構(gòu)的差異。因此，常見的芳綸種類可分為對(duì)位芳綸、間位芳綸及芳綸Ⅲ。

芳綸纖維作為新型高科技纖維，由于其極強(qiáng)特性，使其應(yīng)用領(lǐng)域范圍極為廣泛。但相較其他棉、毛及滌綸等常見纖維，芳綸纖維及其制品開發(fā)問世時(shí)間較短，因此缺少相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 制備原理及特性

對(duì)位芳綸，又稱芳綸1414、PPTA纖維。低溫溶液縮聚是合成對(duì)位芳綸最為常見且成熟的方法，將溶解在濃硫酸中的對(duì)苯二甲酰氯與苯二胺的低溫濃縮聚合物，通過干噴濕法紡絲而制成。

對(duì)位芳綸具有較高的熱分解及玻璃化溫度，因此熱穩(wěn)定性好;極限氧指數(shù)較高，阻燃性好;在高溫環(huán)境下，力學(xué)性能穩(wěn)定。但纖維表面缺少活性基團(tuán)，致使壓縮強(qiáng)度及模量較低;酰胺基存于表面，吸濕性差，纖維浸濕，破壞氫鍵，導(dǎo)致強(qiáng)度下降;不耐強(qiáng)堿;對(duì)紫外線照射敏感，易影響其強(qiáng)度;內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列緊密，染料很難進(jìn)入分子，著色性能較差。

間位芳綸，又稱芳綸1313、PMIA纖維。其通過對(duì)間苯二胺與間苯二甲酰氯低溫縮聚反應(yīng)形成聚合物，后可采用干法、濕法紡絲或干噴紡絲制得。

間位芳綸由于其酰胺鍵與苯環(huán)的連接，其分子鏈呈鋸齒狀，氫鍵作用明顯，因此具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定、阻燃及耐輻射等特性;且與其他物質(zhì)不易反應(yīng)，穩(wěn)定性好。但長(zhǎng)期與強(qiáng)酸堿接觸，易發(fā)生反應(yīng);耐光性較差，且染色困難[3]。

芳綸Ⅲ，通過改變纖維形成加工工藝，將第三單元體5（6）-胺基-2-（4-胺基苯基）與大分子鏈共縮聚，因具有獨(dú)特的雜環(huán)狀結(jié)構(gòu)，故又稱雜環(huán)芳綸。在其制備低溫溶液縮聚中加入N，N-二甲基乙酰胺及氧化鋰，并將第三單元體部分替代對(duì)苯二甲酰氯和對(duì)苯二胺，最終將聚合物通過紡絲及熱處理工藝制成[4]。

芳綸Ⅲ由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，致使其具有高模量、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐超強(qiáng)高溫及絕緣性等特點(diǎn)，性能均優(yōu)于對(duì)位芳綸。但其結(jié)晶區(qū)存在仲晶，結(jié)晶狀態(tài)不完善[5]，強(qiáng)力變異系數(shù)大，產(chǎn)量低，以致于應(yīng)用范圍小。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國杜邦公司作為對(duì)位芳綸及間位芳綸的率先成功研發(fā)者，20世紀(jì)六七十年代便已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不僅技術(shù)領(lǐng)先，其生產(chǎn)的對(duì)位芳綸產(chǎn)品Kevlar及間位芳綸產(chǎn)品Nomex的產(chǎn)量和銷量均處于世界首位[6]。除美國杜邦外，日本帝人公司也位處先列，兩公司產(chǎn)能共占全世界產(chǎn)能約79.1%，其中僅杜邦公司生產(chǎn)的間位芳綸便占全球總產(chǎn)量約50%。而作為軍事超級(jí)大國的俄羅斯，一直將重點(diǎn)放在芳綸Ⅲ的開發(fā)研制上，其由全蘇合成纖維科學(xué)研究院與俄聚合物纖維科學(xué)研究院研發(fā)，特威爾生產(chǎn)的與卡門斯克兩家公司生產(chǎn)的SVM、Armos和Rusar尤為突出。俄羅斯全國的芳綸Ⅲ全年總產(chǎn)能可達(dá)約2000 t[7]。而在全球范圍內(nèi)，韓國及荷蘭等歐洲部分國家也致力于在芳綸研究發(fā)展方面有所突破。同時(shí)，歐洲、美國及日本也分列芳綸消費(fèi)市場(chǎng)的前三位。

而我國對(duì)于芳綸的研發(fā)稍晚，于20世紀(jì)70年代起步，分別于1981年及1985年通過間位芳綸與對(duì)位芳綸的鑒定工作，之后一直處于嘗試階段[8]。但經(jīng)過長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈地努力，在三種芳綸方面均取得了一定突破：間位芳綸，經(jīng)過擴(kuò)大優(yōu)化生產(chǎn)，現(xiàn)今我國產(chǎn)能已成為全球范圍內(nèi)僅次于美國杜邦公司的第二大制造供應(yīng)商[9]，具有一定的國際競(jìng)爭(zhēng)力;對(duì)位芳綸的產(chǎn)能與質(zhì)量雖與國際同類產(chǎn)品存在一定差距，但也在逐步攻破難關(guān)，已基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;芳綸Ⅲ的國產(chǎn)也已突破百噸級(jí)工程化，具有一定的批量制造供應(yīng)水平;其各項(xiàng)性能指標(biāo)雖均優(yōu)于對(duì)位芳綸，但由于其產(chǎn)能小，變異系數(shù)較大等問題，至今使用量較小。

目前，我國有60余所企業(yè)、高校及科研機(jī)構(gòu)從事與芳綸及其產(chǎn)品相關(guān)的研究生產(chǎn)工作，分布在山東、廣東、上海、四川等全國各地，例如山東煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司、廣東彩艷股份有限公司及中藍(lán)晨光化工研究院等在行業(yè)內(nèi)較為知名。

4 應(yīng)用領(lǐng)域

芳綸由于其綜合性能突出，是高性能纖維中發(fā)展最為迅速且重要的成員之一，其優(yōu)異且全面的性能使得其以多種形式形態(tài)應(yīng)用于諸多方面，尤其在高新科技領(lǐng)域日益扮演著重要角色。

4.1 建筑、橡膠、增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)材料

對(duì)位芳綸在具有高模高強(qiáng)性的同時(shí)，又具備優(yōu)良的柔軟性、質(zhì)量輕且易進(jìn)行材料復(fù)合，在應(yīng)對(duì)場(chǎng)地、環(huán)境等客觀條件不佳時(shí)，可任意改變其形態(tài)以便使用。常應(yīng)用于房屋、道路、隧道及橋梁各類建筑工程領(lǐng)域中的加固、補(bǔ)強(qiáng)、修復(fù)受損。將芳綸短切纖維均勻置于混凝土等建筑材料中，除增強(qiáng)效果外，抗彎效果也尤為顯著[10]。

4.2 運(yùn)動(dòng)器材

與碳纖維類似，通過利用芳綸抗老化、耐疲勞、耐高溫、可加工性好等特性，使其在鞋、球拍、球棒、自行車、球桿、賽車、賽艇等運(yùn)動(dòng)器材方面發(fā)揮了突出作用，受到專業(yè)人士的肯定及青睞，正逐步占領(lǐng)市場(chǎng)。芳綸高強(qiáng)質(zhì)輕，具有出色的振動(dòng)阻尼性能，阻尼系數(shù)是碳纖維、鑄鐵復(fù)合材料的5倍多，同時(shí)耐磨、耐沖擊，動(dòng)態(tài)抗張力疲勞性明顯，使得其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品不僅輕便、結(jié)實(shí)、耐用，且具有極高的安全性，充分保障運(yùn)動(dòng)時(shí)的人員安全[11]。

4.3 交通設(shè)備

早期且較常見的芳綸在交通設(shè)備中的應(yīng)用是利用其密度小且黏附性強(qiáng)的特點(diǎn)作為汽車等輪胎簾子線。由此制成的輪胎質(zhì)輕、胎薄、耐磨、吸振、耐高溫、阻燃、尺寸穩(wěn)定。而隨著芳綸產(chǎn)能的提高，成本下降，使得其正逐步應(yīng)用于輪胎骨架、剎車片、保險(xiǎn)杠等部件，降低油耗的同時(shí)，增加使用壽命，提高了安全性。同理，在造船方面也充分利用了芳綸以上特性，來制造快艇、帆船、漁船等小型船只、船舶。

4.4 國防軍事（個(gè)人防護(hù)）

芳綸復(fù)合材料，特別是芳綸Ⅲ制成的頭盔、防護(hù)服等軍事或防護(hù)裝備，質(zhì)輕、抗振、高韌性，在保障防彈防護(hù)效果的同時(shí)，優(yōu)良的耐熱性、柔軟性使得其穿戴輕便、舒適。目前，中國、美國、俄羅斯等軍事大國也已將芳綸的復(fù)合材料應(yīng)用于洲際導(dǎo)彈，以及坦克、裝甲車、戰(zhàn)斗機(jī)、驅(qū)逐艦等作戰(zhàn)平臺(tái)的關(guān)鍵部位上，意義深遠(yuǎn)[12]。

4.5 航空、航天

質(zhì)輕，對(duì)極端惡劣條件的適應(yīng)性是芳綸復(fù)合增強(qiáng)材料大力應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的重要原因。芳綸材料在增加使用壽命、減少燃油損耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，最大限度地保障航天員的安全。

4.6 電子通信

對(duì)位芳綸應(yīng)用于光纜中，依靠其作為“張力構(gòu)件”，可提高其韌性、剛度及強(qiáng)度，保障傳送良好。而利用芳綸的介電性及尺寸穩(wěn)定性，可制作質(zhì)輕的電路板。

4.7 芳綸紙

依靠間位芳綸持久的熱穩(wěn)定性、阻燃、絕緣化學(xué)穩(wěn)定等特性，可制成芳綸紙，后可加工制成芳綸云母紙、柔性材料及絕緣材料等。

4.8 其他

由于芳綸織物或其復(fù)合材料的諸多優(yōu)異特性，在橡膠領(lǐng)域、環(huán)保過濾材料方面也發(fā)揮著十分突出且日益顯著的作用。

5 制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要性

芳綸廣泛應(yīng)用于建筑材料、運(yùn)動(dòng)器材、國防軍事、航天航空、體育用品、電子通信及設(shè)備等諸多領(lǐng)域，并已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)并逐步擴(kuò)大市場(chǎng)及應(yīng)用。但芳綸纖維相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少，此情況我國尤為明顯，除FZ/T 12023《芳綸1313本色紗線》、FZ/T 12041《芳綸色紡紗線》、FZ/T 12056《對(duì)位芳綸（中長(zhǎng)型）本色紗線》 等芳綸產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)外，其他測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)較少。例如我國除最新發(fā)布實(shí)施的GB/T 2910.25《紡織品 定量化學(xué)分析 第25部分：聚酯纖維與某些其他纖維的混合物（三氯乙酸/三氯甲烷法）》及GB/T 2910.26《紡織品 定量化學(xué)分析 第26部分：三聚氰胺纖維與棉或芳綸的混合物（熱甲酸法）》外，目前暫無涉及芳綸的纖維含量定量方法標(biāo)準(zhǔn)，而美日等發(fā)達(dá)國家均已出臺(tái)如AATCC 20A《纖維成分定量分析》、JIS L 1030-2《紡織品纖維混合物數(shù)量分析的測(cè)試方法 第2部分：纖維混合物數(shù)量分析的測(cè)試方法》等試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

所以為統(tǒng)一芳綸纖維在行業(yè)內(nèi)的技術(shù)要求，急需制定相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，以滿足市場(chǎng)需求，便于管理約束，并為實(shí)施售后服務(wù)、擴(kuò)大競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造條件。制定相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)不僅可以規(guī)范社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)、規(guī)范市場(chǎng)行為，讓遍布各地的企業(yè)在技術(shù)上保持高度的統(tǒng)一，且為衡量產(chǎn)品質(zhì)量好壞提供了主要依據(jù)。惟有通過制定并提供統(tǒng)一完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，方可使得先進(jìn)的科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，從而產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6 結(jié)語

芳綸作為優(yōu)異的高科技、高性能纖維，應(yīng)用于我們社會(huì)及生活的方方面面，未來需求大，應(yīng)用前景良好，其重要性正日益彰顯。我國雖在此領(lǐng)域取得了一定進(jìn)步，但與世界領(lǐng)先水平仍有一定距離，總體產(chǎn)能較小，技術(shù)不成熟，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)缺失，急需全面加強(qiáng)各方合作，提高重視，加大投入，致力研發(fā)，并出臺(tái)完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)市場(chǎng)，維護(hù)秩序，同時(shí)逐步縮短差距。

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