芳纶纤维的结构

芳纶纤维的结构、制备及应用综述
摘要：芳纶是一种高科技特种纤维，它具有优良的力学性能，稳定的化学性质和理想的机械性质。

它的全称为“芳香族聚酰胺纤维”，1974年，美国贸易联合会将它们命名为“aramidfibers”，其定义是：至少有85％的酰胺链(—CONH—)直接与两个苯环相连接。

我国则将它们命名为芳纶，其全称也可简化为“芳酰胺纤维”。

它有一系列的产品，可用于航空航天工业、IT（信息技术）产业、国防工业、汽车工业等。

关键词：芳纶1313，芳纶1414，芳纶纤维结构，芳纶纤维应用、发展及制备
一、芳纶纤维的简介
芳纶全称芳香族聚酰胺纤维，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱、重量轻等优良性能，还具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。

二、芳纶的结构和性能
芳纶可分为邻位、对位和间位3种，而邻位无商业价值。

自20世纪60年代由美国杜邦公司成功开发出芳纶纤维并率
先产业化后，在30多年的时间里，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过度的历程，价格也降低了一半。

现在国外芳纶无论是研发水平还是规模生产都日趋成熟。

在芳纶纤
维生产领域，对位芳酰胺纤维发展最快，产能主要集中在日本和美国。

如美国杜邦的Kevlar纤维，荷兰阿克苏诺贝尔（Akzo Nobel）公司（已与帝人合并）的Twaron纤维，日本帝人公司的Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。

间位芳酰胺纤维的品种有 Nomex、Conex、Fenelon纤维等。

下面我们主要介绍一下对位芳纶和间位芳纶的代表产品，邻位因为无商业价值将不做介绍。

1、芳纶1414的结构和性能
芳纶1414由对苯二胺（PPD）和苯二酰氯（TPC）这两种单体聚合而成。

在缩聚反应中，TPC和PPD反应生成聚合物聚对苯二甲酰对苯二胺，也就是PPTA。

结构式为；
结构特点可以归纳为：
1)分子链沿纤维轴向高度结晶排列。

2)纤维含有氢键系，这种氢键系沿其轴线有规则地折叠，并
沿径向分布。

3)皮芯结构不同，芯层的微晶不如皮层取向度高。

芳纶1414的性能特点；
芳纶1414纤维的性能，特别是其强度主要取决于聚合物的分子量和分子量分布及其结晶程度。

影响上述这些性质的
参数有许多。

通过提高纺丝原液中的聚合物浓度，就可以在湿纺加工过程中提高纤维中链状分子的取向度，从而使纤维获得较高的强度。

芳纶1414是一种液晶高分子材料，因为聚合物具有线性结构，所以它是一种高强度、高模量纤维，同时还具有密度低、韧性较好、耐热性优良、耐酸碱性好、耐化学溶剂等优点。

然而由于结构的原因，芳纶1414也存在一些不足：其溶解性、耐疲劳性以及韧性还不够好，耐光性较差，横向压缩模量较低，防紫外线照射能力较差，正因为这些缺点限制了它的进一步应用。

2、芳纶1313的结构和性能
芳纶1313，横截面呈腰子形, 有较明显的皮芯结构,学名聚间苯二甲酞间苯二胺纤维, 具有优异的耐热性、耐燃性及优良的高温下尺寸稳定性、电绝缘性, 广泛应用于工业及尖端技术。

其结构式为：
芳纶1313的性能特点：
1、持久的热稳定性
芳纶1313最突出的特点就是耐高温性能好，可在220℃高下长期使用而不老化，其电气性能与机械性能可保持10
年之久，而且尺寸稳定性极佳，在250℃左右的热收缩率仅为1%，短时间暴露于300℃高中也不会收缩、脆化、软化或者融熔，在超过370℃的强下才开始分解，400℃左右开始碳化——如此高的热稳定性在目前有机耐纤维中是绝无仅有的。

2、骄人的阻燃性
材料在空气中燃烧所需氧气体积的百分比叫做极限氧指数，极限氧指数越大，其阻燃性能就越好。

通常空气中氧气含量为21%，而芳纶1313的极限氧指数大于28%，属于难燃纤维，所以不会在空气中燃烧，也不助燃，具有自熄性。

这种源于本身分子结构的固有特性使芳纶1313永久阻燃，因此有“防火纤维”之美称。

3、极佳的电绝缘性
芳纶1313介电常数很低，固有的介电强度使其在高、低、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10万伏/mm2，是全球公认的最佳绝缘材料。

4、杰出的化学稳定性
芳纶1313的化学结构异常稳定，可耐大多高浓无机酸及其它化学品的腐蚀、抗水解作用和蒸汽腐蚀。

5、优良的机械特性
芳纶1313是柔性高分子材料，低刚度高伸长特性使之
具备与普通纤维相同的可纺性，可用常规纺机加工成各种织物或无纺布，而且耐磨抗撕裂，适用范围十分广泛。

6、超强的耐辐射性
芳纶1313耐α、β、χ射线以及紫外光线辐射的性能十分优异。

用50Kv的χ射线辐射100小时，其纤维强度仍保持原来的 73%，而此时的涤纶则早已成了粉末。

独特而稳定的化学结构赋予芳纶1313诸多优异性能，通过对这些特性加以综合利用，一系列新产品不断地开发出来，在安全防护、高过滤、电气绝缘、结构材料等领域的应用越来越广，普及程度越来越高，已成为军事、产业、科技等许多领域不可或缺的重要基础材料。

三、芳纶纤维的制备工艺：
1、芳纶1414的制备工艺
芳纶1414学名为聚对苯二甲酞对苯二胺纤维。

因其大分子主链上的酞胺键分别与两个对苯撑相接而得名。

它是以对苯二胺和对苯二甲酞氯为原料, 在酞胺系溶剂中,通过低温溶液缩聚制得聚合体, 然后以浓硫酸为溶剂, 经干湿法纺丝和紧张热处理而制得的超高强度、高模量纤维。

因为其不溶于大多数有机和无机溶剂，仅溶于某些强酸中。

根据这一特性，杜邦公司开发了以浓硫酸为溶剂的湿法纺丝；另外还有一种方法是对其进行化学改性，使其溶解于有机溶剂后纺丝。

从经济角度考虑，大都采用第一种方法。

2、芳纶1313的制备工艺
芳纶1313 具有优异的耐热性, 没有熔点, 在熔融以前就已分解, 所以采用溶液纺丝的方法制造, 而且溶液纺丝的三种方法都可使用, 包括湿法纺丝、干法纺丝和干湿法纺丝。

湿法纺丝和干法纺丝的主要区别在于前者是纺丝原液从喷丝头中压出后进入凝固液而后者是从喷丝头压出后进入纺丝甬道, 而干湿法纺丝则是纺丝原液从喷丝头中压出后经过一段空气层再进入凝固浴。

典型的纺丝工艺：
(一)美国杜邦公司的工艺流程：溶液聚合→中和→干法纺
丝→水洗→拉伸→热处理。

(二)日本帝人公司的工艺流程：界面聚合→聚合物分离→
聚合物溶解→湿法纺丝→水洗→拉伸→热处理。

四、芳纶纤维制品的应用：
1、航空航天工业：
芳纶以其密度低，耐烧蚀性能好，常用于制造导弹的固体火箭发动机壳体，后又用于制造先进的飞机，航天器的机身，主翼，尾翼等。

有关企业曾以芳纶/环氧无纬布和薄铝板交叠铺层，经热压后而成的ARALI超混复合层板，其比强度(抗拉强度与相对密度之比)，比模量(弹性模量与相对密度之比)都较优等铝合金板高，疲劳寿命是铝的100一1 000倍。

2、IT产业：
对位芳纶可用作光纤中的张力构件，有了这种具有高模量性能的强力构件，可保护细小而脆弱的光纤在受到拉力不致伸长，从而不使光传输性能受到损害。

目前用于此强力构件的对位芳纶约3000一4000t，据业者预测，其实际短缺量约4000一5000t。

3、国防产业：
芳纶可用于制作防弹制品，如芳纶与金属复合装甲板，芳纶与陶瓷复合装甲板已广泛用于防弹装甲车，防弹运钞车，防弹头盔上。

高档防弹芳纶的无纬布与高性能的聚乙烯薄膜制成的软质防弹背心，比超高相对分子质量的聚乙烯纤维的防弹性能和耐热性能更好。

4、汽车产业：
由于对位芳纶的相对密度小，对橡胶有良好的黏附性，可供制造高速行驶或超重负载的汽车和飞机的轮胎帘子线。

5、耐热及防护服装：
两种芳纶都可用于制作字航服，原子能工业防护服，防火和消防工作服，具有各种色彩高能见度的阻燃防护工作服，以满足巡路人员和营救人员的特殊需要。

6、运动器材：
充分利用芳纶高温、耐热、耐疲劳等特性，以制作运动条件苛刻的拳击手套，登山鞋靴，赛车车体，赛马头盔等。

还可用于制作网球拍，滑雪板，滑雪捍雪橇，弓箭，弓弦，
钓鱼杆，风筝骨架和高尔夫球棍等。

7、其他功能产品：如耐热、缆绳及混凝土结构增强材
料等。

五、结束语：
芳纶纤维及其复合增强材料因具有强力高、伸长小、重量轻、柔软、耐温湿、寿命长等特点, 在美国、日本和西欧发达国家得到了广泛的推广和应用, 其中芳纶帆布作为棉
帆布、涤棉帆布、聚醋帆布、锦纶帆布等的替代品, 日益受到市场的青睐, 芳纶浸胶线绳也已逐步取代人造丝、玻璃丝线绳及聚醋帘子布成为V 带、同步驱动带、胶管等橡胶制品的骨架材料。

芳纶纤维及其制品因广泛应用于国防、航天、航海、消防、体育、矿山机械、钢厂等领域,在国内外市场
容量很大, 而生产厂家仅局限于美国、日本和西欧发达国家, 我国在芳纶纤维及其增强复合材料方面的研究与开发刚刚
起步。

参考文献：
崔德政，《芳纶》.
陈蕾, 胡祖明, 刘兆峰，《芳纶1313 纤维制备技术进展》. 魏春学，《芳纶纤维及其制品的开发应用》.
钱伯章，《芳纶的发展现状与市场》.
黄兴山，《芳纶的性能、应用和生产》.。