纺材 | 芳纶纤维

纺材 | 芳纶纤维
芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、重量轻以及较好的绝缘性和抗老化性等特点，其强度是钢丝的5倍～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2 倍～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，常被用作制备高性能复合材料的增强体，在高性能纤维中占有重要地位。
表1 芳纶与其它几种工业丝性能对比图片
芳纶纤维主要包括全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维两种，可分为邻位芳纶、对位芳纶( PPTA) 和间位芳纶( PMTA) 三种，其中实现工业化的产品主要有间位芳纶和对位芳纶两种。这两大类芳纶的主要区别在于酰胺键与苯环上的C 原子的连接位置不同。
图1间位芳纶和对位芳纶的分子式

对位芳纶，即聚对苯二甲酰对苯二胺( PPTA)纤维，我国称芳纶1414，分子链中85% 以上的酰胺键直接键合在芳香环上的线性高分子聚合物。对位芳纶主要有美国杜邦的Kevlar 纤维、日本帝人公司的Twaron 和Technora 纤维、烟台泰和新材的Taparan( 泰普龙) 纤维等。它是世界上首例采用高分子液晶纺丝液制得的纤维，开创了高性能合成纤维的新时代。在现有的高性能纤维中，对位芳纶是综合性能最好的纤维之一，其最突出的特点是高强、高模和耐高温。以凯夫拉( Kevlar) 纤维为例，其强度为钢丝的3 倍，涤纶工业丝的4 倍，初始模量为涤纶工业丝的4 倍～ 10 倍，尼龙的10 倍。几种对位芳纶的力学性能如表2。
表2 几种对位芳纶的力学性能图片

对位芳纶具有较高的玻璃化转变温度( Tg) 和热分解温度( 表3) ，热稳定性好，在高温下仍能保持较高的强度; 纤维的极限氧指数( LOI) 较高，阻燃性好。实验测得对位芳纶在150℃ 下的收缩率为0，260℃高温下仍可保持原强度的65%，并且短时间暴露在300℃的环境中，纤维的力学性能几乎不受影响，低温下不会发生脆化和降解。
表3 对位芳纶的热性能和燃烧性能

尽管对位芳纶具有多种优异性能，也存在一些不足之处。由于对位芳纶分子间作用力较弱，纤维表面缺少活性基团，导致其压缩强度和压缩模量低，纤维与树脂界面的黏结强度低。对位芳纶分子结构中存在酰胺基等极性基团，纤维吸湿性差，吸湿后，由于水分子的入侵破坏了分子间的氢键作用，使纤维强度下降，复合材料的弯曲性能、压缩性能均降低。此外，对位芳纶不耐强酸、强碱，耐光性、耐紫外性能均较差。
间位芳纶，即聚间苯二甲酰间苯二甲胺( PMTA)纤维，我国又称芳纶1313，最早是由美国杜邦公司研制成功的Nomex，并于1967 年实现工业化生产，还有日本帝人的Conex，烟台泰和新材的Tametar( 泰美达) 等。间位芳纶是有机耐高温纤维中发展最快的晶种，纤维分子由酰胺基团相互连接间位苯基构成，分子链呈线性锯齿状，由于分子间具有较强的氢键作用，纤维具有优异的阻燃性、热稳定性、耐辐射等性能。
间位芳纶属难燃纤维，在空气中不会自燃或融化，离开火焰后会自熄。纤维