第二章　高性能有機纖維

第一節　芳香族聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺纖維是指至少有85%的酰胺鏈（—CONH—）直接與兩苯環相連接的合成纖維，具有代表性的是對位的聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA，芳綸1414，對位芳綸）及間位的聚間苯二甲酰間苯二胺（芳綸1313，間位芳綸）。

一、對位芳綸（芳綸1414）

對位芳綸的中國學名為芳綸1414，1965年發明，1971年美國杜邦公司的商品化命名為Kevlar，荷蘭Akzo-Noble公司的商品名為Twaron，俄國的商品名為Terlon。化學名稱為聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）。圖2-1～圖2-3為芳綸1414的長絲、短纖維和織物。

（一）對位芳綸的制造

對位芳綸的基本原料是對苯二胺（PPDA）和對苯二甲酰氯（TPC）。將PPDA溶于含5%CaCl2的N-甲基吡咯烷酮（NMP）中，并冷卻至-10℃以下，然后，通過精密計量裝置將等摩爾的PPDA—NMP溶液和TPC送入雙螺桿反應器進行低溫溶液縮聚，反應生成物經沉析、水洗、干燥后，即為PPTA樹脂。然后經過液晶紡絲或干濕法紡絲制得纖維，紡絲工藝如圖2-4所示。

（二）對位芳綸的結構

1.大分子結構　對位芳綸的大分子結構如下所示：

2.結晶結構　具有高結晶和高取向分子結構。Kevlar 29的結晶度大于85%，取向角為12°～20°；Kevlar 49的結晶度在90%～95%之間，取向角小于12°。

3.原纖結構　原纖沿纖維軸向取向，600nm寬，具有較高的結晶度和有序的結構。凱夫拉（Kevlar）纖維的原纖結構在橫向有較小的連接力（范德瓦耳斯力和氫鍵）。皮層具有較高的原纖取向，芯層原纖的取向度較低，排列不規則。凱夫拉纖維原纖化結構模型見圖2-5。

4.皮芯結構　其皮芯結構如圖2-6所示。

（三）對位芳綸的性能

對位芳綸最突出的性能是其高強度、高模量和出色的耐熱性，還具有適當的韌性，可供紡織加工。

1.力學性能　對位芳綸的比強度是鋼絲的6倍，玻璃纖維的3倍。一般單絲的強度為15.9～23.8cN/dtex，斷裂伸長率為1.5%～4.4%，Kevlar 49和Kevlar 149的模量分別為861.4cN/dtex和970.9cN/dtex，斷裂伸長率為2.8%、1.5%。具有非常低的蠕變，蠕變隨溫度和應力的增加而增加。對位芳綸力學性能的缺點是壓縮強度和壓縮模量較低。

2.熱性能　比熱：Kevlar 49為1.7，與相同厚度的玻璃纖維布具有相同的絕熱性能，但由于密度小，同重量的材料絕熱性能好。玻璃化轉變溫度為375℃，熔點為530℃。

極限氧指數：28.5%～29%。

使用溫度：連續使用溫度范圍為-196～204℃，在560℃高溫下不分解、不熔化。在高溫下，有很低的熱收縮，熱穩定性好。

耐熱性：在200℃下經歷100h，仍能保持原強度的75%；在160℃下經歷500h，仍能保持原強度的95%。在高溫下，有很低的熱收縮，熱穩定性好。

3.化學穩定性　一般來講，在氧化環境下，長時間使用溫度為150℃。大部分鹽水溶劑無影響，強酸強堿在高溫或高濃度下，降低纖維強度。

4.其他性能　密度為1.43～1.44g/cm3，比錦綸、聚酯纖維大，比碳纖維纖維小。回潮率在3.9%～4.5%。

纖維有光澤、淡黃色。耐潮濕和耐紫外輻射性差，表面與基體復合黏合性差。由于易原纖化，耐磨性能較差，需要上油劑，保護纖維。

一些品牌的PPTA纖維性能如表2-1所示。

表2-1　PPTA纖維性能

（四）對位芳綸的應用領域

1.先進復合材料　密度很小的芳綸樹脂基增強復合材料被用作宇航、火箭和飛機的結構材料，用來減輕自重，增加有效負荷，節省大量動力燃料。波音飛機的殼體、內部裝飾件和座椅等部件都使用了對位芳綸。

芳綸復合材料還可廣泛應用于輕型卡車與轎車的傳動軸、車身底盤、保險架、座椅骨架、車門、面板、水箱等部件。

2.防護材料　防彈衣等防護裝備一直都是芳綸應用的重要領域，對位芳綸也因此得到“防彈纖維”的稱號。用其制作的芳綸防彈衣和頭盔的防護效果十分顯著，許多國家軍警的防彈衣、防彈頭盔、防刺防割服、排爆服、高強度降落傘、防彈車體、裝甲板等均大量采用對位芳綸。芳綸頭盔是多層芳綸布經特殊樹脂黏結高溫高壓成型的，具有強度高、質量輕及防護性能好的特點。芳綸復合材料防護頭盔如圖2-7所示。

3.建筑結構加固材料　芳綸復合增強材料除了具有輕質高強、高模、防腐蝕、耐久性能好等特點外，還具有抗堿腐蝕能力強、不導電、抗動載抗沖擊和抗疲勞性能好，這就使它在海港碼頭工程、絕緣性要求高的場所如地鐵、隧道及電氣化鐵路等工程得到廣泛應用。如圖2-8所示。

日本利用芳綸浸漬環氧樹脂作為修補及加固材料，對高速公路、新干線的橋墩、建筑物的立柱、煙囪等進行修復，經過修復的建筑物可長期使用，并有修理工期快、節約資金等優點，更重要的是建筑物的抗震能力提高了十多倍。

我國使用對位芳綸進行加固的工程實例也有很多，如廣東省惠州西枝江大橋加固工程、哈爾濱東寧金廠大橋加固工程、山東濟寧鳳凰臺戰備大橋加固工程、深圳龍崗萬佳百貨牛腿加固工程、濟南黃河大橋加固工程等。

4.代替石棉制造摩擦材料　可作為石棉替代品應用于摩擦材料領域，如離合器襯片、制動器墊片和剎車片，還可在密封材料上作為增強材料，提高密封墊圈的耐壓性。工業化國家90%的剎車片和離合器面板，40%的密封墊片都采用芳綸制造。

5.用于纜繩和傳送帶　對位芳綸還可應用在光纜增強材料、航天器回收降落傘用繩帶、半潛式深海鉆井平臺錨繩、高壓電線牽引繩等領域。另外，還可應用于高溫輸送帶、高速傳送帶、軍用遮蔽物、帳篷、涂覆織物等領域。如圖2-9所示。

二、間位芳綸

間位芳綸的中國學名為芳綸1313，化學名稱為聚間苯二甲酰間苯二酰胺（PMLA）。1967年美國杜邦公司制造，其商品名為Nomex。日本帝人也是世界上最早的芳綸1313供應商之一，商品名為Conex。煙臺泰和新材料股份有限公司制造的芳綸1313商品名為Tametar。芳綸短纖維及其短纖紗如圖2-10和圖2-1 1所示。

（一）間位芳綸的制備

以間苯二胺和間苯二甲酰氯兩種單體為原料，以二甲基乙酰胺或四氫呋喃為溶劑進行低溫溶液聚合。聚合時應加入三乙胺、無機堿類化合物等酸吸收劑。反應完成后用堿中和，經過濾、脫泡后直接進行干法或濕法紡絲。干法紡絲一般用于紡制長絲，噴絲孔數較少，紡絲速度較高，纖維質量較好，但設備較復雜，生產成本也較高。而濕法紡絲噴絲孔數可達30000孔以上，設備簡單，產量高，生產成本低，適于生產短纖維，但纖維質量比長絲稍差。初生纖維經洗滌、兩道拉伸干燥、卷曲、切斷和打包，便是成品短纖維。

（二）間位芳綸的結構特點

在它的晶體里，氫鍵在兩個平面內排列，從而形成了氫橋的三維結構。由于極強的氫鍵作用，使之結構穩定，具有優越的耐熱性能以及優良的阻燃性能、耐化學性能。其分子結構式如下：

（三）間位芳綸的性能特點

1.耐高溫和阻燃性　芳綸1313在260℃下持續使用1000h，其剩余強度仍能保持原強度的65%～70%，它不熔融，當溫度超過400℃時，纖維逐漸發脆，炭化，直至分解，但不會產生熔滴，在火焰中不延燃，具有較好的阻燃性，限氧指數LOI為29%～32%。

2.絕緣性　芳綸1313介電常數很低，固有的介電強度使其在高溫、低溫、高濕條件下均能保持優良的電絕緣性，用其制備的絕緣紙耐擊穿電壓可達到40kV/mm，是全球公認的最佳絕緣材料。

3.耐酸性　該纖維能耐大多數酸的作用，只有長時間與鹽酸、硝酸或硫酸接觸，強度才有所降低。對堿的穩定性也好，只是不能與氫氧化鈉等強堿長期接觸。

4.力學性能　斷裂強度較高（高于普通滌綸、棉、錦綸66等），伸長較大，耐磨牢度好。間位芳綸的力學性能見表2-2。

表2-2　力學性能

5.芳綸1414和芳綸1313性能比較　強伸性：芳綸1414＞芳綸1313；耐熱性：芳綸1313＞芳綸1414；阻燃性：芳綸1313＞芳綸1414。因此，芳綸1414作為輪胎簾子線和防彈等高強度材料，而芳綸1313作為耐高溫和阻燃材料。

（四）間位芳綸的用途

利用其優異的耐高溫性、阻燃性做成除塵袋，能過濾掉煉鋼、水泥等高污染企業產生的高溫粉塵；做成消防服、作戰服，能有效地避免燒傷燙傷；做成絕緣紙，可以大幅度提高機電產品的耐熱絕緣等級；做成蜂窩夾芯材料，又是高速列車、飛行器的理想結構材料。其應用如圖2-12和圖2-13所示。芳綸1313的主要供應商依次為美國杜邦、煙臺泰和新材、日本帝人。美國杜邦在全球處于壟斷地位。煙臺泰和新材的產品性能指標和差別化程度與美國杜邦比較接近，是美國杜邦的主要競爭對手。日本帝人也是世界上最早的芳綸1313供應商之一。