芳綸在高科技領域的應用

    高性能纖維及其復合材料是發展國防軍工、航空航天、新能源及高科技產業的重要基礎原材料，同時在建筑、通信、機械、環保、海洋開發、體育休閑等國民經濟領域具有廣泛的用途。“十三五”期間，高性能纖維由于“中國制造2025”的推動，將迎來重要的發展機遇期。本期開始，本報將開設專欄，就芳綸、碳纖維等高性能纖維的性能特點、在下游領域的應用情況等進行介紹。

　　芳綸纖維最早由美國杜邦公司開發，杜邦在1966年研制出商品名為“Kevlar”的高性能對位芳綸，并于1971年開始進行工業化生產。此外，全球從事對位芳綸生產的主要廠家還有日本帝人公司、俄羅斯耐熱公司和韓國可隆公司等。自20世紀60年代末芳綸實現產業化生產以后，迄今40余年的歷程中，芳綸纖維走過了從軍用戰略物資向民用物資過渡的階段。

　　我國從“六五”期間就展開了芳綸的攻關，但很長時期內產業化關鍵技術始終未能突破，國內對位芳綸需求主要依賴進口。近年來，隨著芳綸技術壁壘的不斷攻破，我國對位芳綸的產業化開始蓬勃發展。目前，國內有十多家企業正在進行對位芳綸產業化生產，包括中化晨光、泰和新材、蘇州兆達特等。

　　芳綸纖維具有良好的力學性能。芳綸纖維的拉伸強度與碳纖維相當，約為玻璃纖維的1.5倍、鋼的5倍~6倍；拉伸模量僅次于碳纖維與硼纖維，是鋼絲和玻璃纖維的2倍~3倍；韌性是鋼絲的2倍；同時其密度小于1.5克/立方米，因而具有很高的比強度與比模量。

　　芳綸纖維有良好的熱穩定性。其長期使用溫度為180攝氏度，短時間暴露在300攝氏度以上對強度無明顯影響，在-170攝氏度的低溫下也不發脆。同時，芳綸纖維的熱膨脹系數很小，具有各向異性。

　　芳綸纖維具有穩定的化學性能。可耐大多高濃無機酸及其他化學品的腐蝕，常溫下耐堿性能好。芳綸纖維還具有優良的耐磨性能，在摩擦過程中芳綸纖維起到提高摩擦系數穩定性、降低磨損的作用，還可降低摩擦對對應面材料的磨損。

　　芳綸纖維分子在沿芳綸纖維方向具有較強的共價鍵，分子鏈的取向排列使得芳綸纖維具有高度取向的結晶微區，同時存在一些缺陷和空隙，這些缺陷和空隙的存在易在纖維使用時形成應力集中點，決定了芳綸纖維所能達到的最大強度，因此纖維性能的穩定和提高在很大程度上取決于紡絲及纖維凝固成型過程中對缺陷及微孔形成的控制。為此，科技部設置了973課題對芳綸纖維成型過程中各種外部條件對纖維中微缺陷的形成機制、演變規律以及調控制的方法進行深入研究（課題編號2011CB606103），通過在理論上結構形成的模擬以及對模擬過程的工程檢驗，取得了比較明顯的效果，有效推動了我國芳綸工業的上水平上檔次。

　　芳綸纖維是國防安全及軍事中的重要材料。芳綸纖維以其優異的熱穩定性、高結晶性、高取向結構、高拉伸性能、低密度等優良性能成為制造編織防彈衣以及纖維復合防彈裝甲的首選材料。熱穩定性可以保證纖維在受到彈丸沖擊時保持力學穩定性；較高的結晶度和取向度使其具有較高模量；而芳綸纖維所特有的柔韌性使其在高應力下具有高斷裂延伸率。

　　目前，美國、英國等發達國家的防彈衣均為芳綸材質。在防彈衣中，由于芳綸纖維強度高，韌性和編織性好，能將子彈沖擊的能量吸收并分散轉移到編織物的其他纖維上去，避免造成“鈍傷”，因此防護效果顯著。芳綸防彈衣、防彈頭盔的輕量化，有效地提高了軍隊的快速反應能力和殺傷力。

　　芳綸復合材料也已廣泛用于戰斗機、防彈裝甲車、輕型坦克、防彈運鈔車、防彈板中。海灣戰爭中，美國、法國飛機上大量使用了芳綸復合材料。同時，為適應反恐的需要，許多發達國家軍警的防彈衣、防彈頭盔、防刺防割服、排爆服、高強度降落傘等均大量采用了對位芳綸纖維。

　　在航空航天領域，芳綸纖維及其樹脂復合材料可用于制作大型飛機的二次結構材料，如整流罩、機翼、應急出口系統構件、隔板、艙壁等，用芳綸纖維復合材料可以減輕飛機自重30％左右。芳綸纖維復合材料也可應用于火箭固體發動機及戰略導彈發動機的殼體，先進航天器的機身、主翼、后翼等零部件。同時，高性能芳綸纖維的優良高低溫性能和抗沖擊性能使其成為艙外宇航服的主要材料。

　　在民用工業方面，使用芳綸纖維復合材料，可在保持或提高各種性能的同時，大幅減輕制品的重量。例如，在造船工業中采用芳綸纖維復合材料后，船體重量可減輕28%~40%，燃料節省35%，航程可延長35%。在汽車方面，芳綸復合材料可用于制造剎車片、離合器、整流器、引擎墊片、汽車車身等，同樣可大幅度減輕重量，減少油料消耗，降低二氧化碳排放量等。

　　在建筑方面，芳綸纖維可以取代石棉用來增強水泥，可提供輕結構、高強度構件，并防止水泥制品開裂，提高建筑物的抗震能力。

　　運動器材方面，芳綸纖維可用于制造釣魚竿、高爾夫球桿、網球拍、弓箭、雪橇等用品，以提高這些器材的使用壽命。芳綸纖維也可作為涂覆織物使用，用作空氣支撐結構建筑物以及充氣膠布制品，如膠船、救生筏、軟式飛艇、氣球、特種服裝等。

　　由于對位芳綸優越的特性，其應用領域目前在不斷擴大，現在國內外的需求量很大，其產量與產能還遠遠不能滿足市場需求，因此，對位芳綸有著很廣闊的發展前景。