芳綸簡介
芳綸是指以芳香族化合物為原料經縮聚紡絲制得的高科技合成纖維，全稱為芳香族聚酰胺纖維，1974年，美國貿易聯(lián)合會將其命名為“Aramid fiber”，簡稱AF。其定義是：至少有85%的酰胺鍵（-CONH-）直接與兩個苯環(huán)中的碳原子相連接。芳綸和碳纖維、超高相對分子質量聚乙烯纖維一起統(tǒng)稱為世界3大高性能纖維。
芳綸具有輕質、阻燃、耐溫、絕緣、抗輻射、高強度、高彈性模量等優(yōu)異特性；廣泛應用于軍事國防、安全防護、航空航天、環(huán)保、電子電氣材料等領域。

芳綸的分類
目前實現(xiàn)工業(yè)化生產的主要是間位芳綸（芳綸1313）和對位芳綸（芳綸1414）。間位芳綸（芳綸1313）的分子是由酰胺基團相互連接間位苯基所構成的鋸齒形線型大分子。在它的晶體里氫鍵在2個平面上存在，如格子狀排列，從而形成了氫橋的三維結構；對位芳綸（芳綸1414）的大分子結構是酰胺鍵連接在苯環(huán)的對位，形成一種近似剛性的直鏈結構，是一種主鏈型高分子液晶聚合物。兩者化學結構相似，但性能差異較大，應用領域各有不同。

間位芳綸具有突出的耐高溫、阻燃和絕緣性，主要應用于高溫防護服、電絕緣和高溫過濾等領域。對位芳綸則具有高強度高模量的特點，主要應用于個體防護、防彈裝甲、力學橡膠制品、高強纜繩、石棉替代品等。

1、間位芳綸
間位芳綸全稱聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，俗稱芳綸 1313，有“防火纖維”之美稱，是一種綜合性能優(yōu)異的有機耐高溫阻燃纖維，是一種熱穩(wěn)定性高、阻燃性突出和電絕緣性好的高性能纖維材料，被廣泛應用于安全防護、環(huán)境保護和現(xiàn)代工業(yè)等領域。
在安全防護領域，間位芳綸制成的防護服裝、防護手套等安全防護裝備，能有效抵御高溫、火焰、電弧等作業(yè)傷害，大限度保護勞動者安全，廣泛應用于軍隊、消防、石油、電力、林業(yè)等領域；
在環(huán)境保護領域，間位芳綸可加工成針刺無紡布、機織濾布，廣泛應用于水泥、鋼鐵、筑路等行業(yè)的高溫煙氣過濾，除塵效率達99.99%，可大大減少空氣污染物的排放，實現(xiàn)環(huán)境保護綠色可持續(xù)發(fā)展；
在現(xiàn)代工業(yè)領域，間位芳綸以其耐溫、阻燃、絕緣等特性，在各類高溫輸送裝備、電力變送裝備、電氣絕緣裝備及其他工業(yè)生產領域得到廣泛應用，是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎性、關鍵性材料。
間位芳綸化學結構式

2、對位芳綸
對位芳綸全稱聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，俗稱芳綸1414，有“防彈纖維”之美稱，是當今世界產量大、用途廣的高性能纖維之一。在汽車工業(yè)領域，對位芳綸是汽車膠管、輪胎、同步帶中不可缺少的骨架增強材料，是剎車片、離合器片中重要的環(huán)保型增強耐磨材料，尤其是環(huán)保型渦輪增壓汽車，芳綸的應用更是不可替代；在信息通信領域，對位芳綸的應用，極大的推動通信行業(yè)的發(fā)展，對位芳綸如今幾乎應用于所有的光纖光纜、新型手機電池等信息及通信產品，其在加快通信現(xiàn)代化建設中發(fā)揮重要作用。
芳綸的發(fā)展歷程
芳綸的主要性能特點
芳綸具有輕質、阻燃、耐溫、絕緣、抗輻射、高強度、高彈性模量等優(yōu)異特性；廣泛應用于軍事國防、安全防護、航空航天、環(huán)保、電子電氣材料等領域。
1、力學性能
對位芳綸顯著的特性是高強度、高模量，其強度大于25克/旦，是優(yōu)質鋼材的5～6倍、玻纖的3倍、高強尼龍工業(yè)絲的2倍；模量是優(yōu)質鋼材或玻璃纖維的2～3倍、高強尼龍工業(yè)絲的10倍；韌性是鋼絲的2倍。另外芳綸纖維重量輕，其重量僅為鋼絲的1/5左右。
對位芳綸與其他高強度纖維的性能比較
2、耐熱性能
芳綸纖維具有長久的熱穩(wěn)定性，芳綸1313在130℃時強度幾乎無損失，可以在220℃使用十年以上，在260℃高溫下100小時，機械強度仍保持原來的65%，400℃左右開始碳化而不熔融。芳綸1414的耐熱性更勝芳綸1313一籌，在150℃下的收縮率為0，在560℃的高溫下不分解不熔融。而錦綸和聚酯的強力和模量均隨溫度的升高而下降。各纖維材料的熱性能指標如下表所示。
3、阻燃性能
通?？諝庵醒鯕夂繛?1%，而芳綸1313的極限氧指數(shù)大于28%，芳綸1414的極限氧指數(shù)在30%左右，屬于難燃纖維，所以不會在空氣中燃燒，也不助燃，有自熄性，不產生熔滴，遇到極高溫度時，纖維會迅速膨脹碳化，形成特有的絕熱層，能阻擋外部的熱量傳入內部，起到有效的保護作用。這種源于本身分子結構的固有特性使芳綸永久阻燃，具有“防火纖維”之美稱。
4、耐化學腐蝕性能
芳綸纖維具有優(yōu)良的耐化學腐蝕性能，通常只有把芳綸長時間暴露在濃度相對高的酸或堿溶液中，才會對芳綸的性能產生顯著影響。并且，芳綸對霉菌或銹蝕不敏感。
5、電絕緣性
芳綸纖維電導率很低，而且由于纖維吸濕性較差，使其在高低溫和高低濕度環(huán)境中均可以保持優(yōu)良的電絕緣性能。用芳綸1313制備的絕緣紙耐擊穿電壓可達到100kV/mm。芳綸1414的電阻達到5×1014Ω/cm。由于出色的電絕緣性能，使其在電子電氣領域有著很好的應用前景。
除以上介紹的性能之外，芳綸簾線還具有較好的抗老化性、耐磨性以及耐輻射性能等。作為一類高性能材料，芳綸的優(yōu)異性能在不同的領域被開發(fā)應用。
芳綸的應用領域
1、軍事國防領域
芳綸復合材料可以制造導彈的固體火箭發(fā)動機殼、壓力容器、宇宙飛船駕駛艙、潛艇、防彈裝甲車、防彈運鈔車、防彈板、防彈頭盔、防彈衣等。
1）防彈頭盔
芳綸防彈頭盔與之前的金屬頭盔相比，質量大幅度減輕，防護面積增加，舒適性提高，樣式美觀，成型性好。我國開發(fā)成功的QGF02型芳綸防彈頭盔，有效防護面積達到1266cm2，比原來的鋼制頭盔GK80增加了16%，而質量僅1.25Kg，其V50值(國際防彈裝備品評價標準)達到630m/s。
2）防彈衣
隨著化學、核武等新式傳感系統(tǒng)的發(fā)展，對軍用防護要求顯著提高，不僅要求能適應環(huán)境、生理要求，還要求輕便、耐用、防彈、抗化學、阻燃及良好的偽裝性能等。現(xiàn)代戰(zhàn)訓服主要是芳綸1313、芳綸1414等，比以前的尼龍面料輕了20%，且具有阻燃防火、防靜電等功能。采用芳綸材料可以使防彈背心質量輕、體積小，顯著改善防彈性能，防彈效果可提高40%。
杜邦推出的Kelvar Comfort AS 288型防彈織物中，芳綸纖維展開用于吸收子彈的能量，又足夠致密可阻止刀刺，采用該織物所生產的改進背心，可提供高于Ⅲ級水平的子彈防護，厚度低于8mm。高檔防彈芳綸的無緯布與高性能的聚乙烯薄膜制成的軟質防彈背心，比超高相對分子質量的聚乙烯纖維的防彈性能和耐熱性能更好。
3）防彈裝甲
芳綸與金屬復合裝甲板和芳綸與陶瓷復合裝甲板已廣泛應用于防彈裝甲車、防彈運鈔車上。美國的M1型主戰(zhàn)坦克裝甲使用了芳綸復合材料，用于防子彈、穿甲彈、破甲彈等；LAV-25步戰(zhàn)車乘員位置附近加裝芳綸襯層，用于防止穿透裝甲的彈丸、破片以及崩落的裝甲碎塊傷害車內乘員。
目前，芳綸頭盔、芳綸防彈衣等已廣泛應用于多國部隊，如中國、俄羅斯、美國、德國、日本、荷蘭、以色列等。
2、安全防護領域
個體防護裝備的阻燃耐高溫性能是保障人員安全的重要條件。隨著材料科學技術及紡織加工技術的發(fā)展，阻燃防護服已經由暫時性阻燃整理、半耐久性阻燃整理逐步發(fā)展為耐久性阻燃整理以及本質阻燃材料的應用。
1）消防服
芳綸是本質阻燃纖維，所加工的面料無需處理，即具有永久、高校的阻燃功能。芳綸纖維的出現(xiàn)，給消防服帶來了革命性的變革。消防服主要是消防人員穿著用來滅火和救護生命。在劇熱環(huán)境下，必須能夠提供30~120S的時間以確保消防人員搶險后能安全地離開，因此，消防服的外層必須具備足夠的熱穩(wěn)定性和熱機械強度以避免熔融或破裂，這就要求有較高的芳綸含量，一般是對位芳綸含量＞25%。
2）防火耐熱工作服
芳綸優(yōu)異的耐熱性以及在高溫下表現(xiàn)出很好的尺寸穩(wěn)定性，對于防護服來說非常重要，因為一般紡織纖維尤其是合成纖維，在高溫下會出現(xiàn)較大程度的收縮及熔融滴落，用這種材料制作的防護服預熱后出現(xiàn)較大的尺寸變化，會嚴重影響其防護性能。例如，外層293g/m2的芳綸面料、里層177g/m2的阻燃棉的雙層組合熱防護服TPP值（熱防護性能值，Thermal protective performance）為2.19，防護時間為11.8S；而外層361 g/m2的阻燃滌棉、里層127 g/m2阻燃棉的雙層組合熱防護服TPP值僅為1.67，防護時間僅為6.7S。

使用芳綸1313的工業(yè)防護服裝，已經在石油化工、普通化工、電力和煤炭等行業(yè)得到一定程度的應用，部分替代了由阻燃棉和化學纖維制作的防護服裝，充分顯示了其優(yōu)異的阻燃、隔熱、抗爆性能和經久耐用的特點。還可加工成家庭及敬老院、醫(yī)院、賓館、酒店、歌廳、影院等公共場所必備的防火紡織品。
3）防電弧服

電弧危害是工業(yè)生產中，特別是涉及高壓電器設備的場所常見的一種劇烈放電現(xiàn)象，具有事故現(xiàn)場溫度極高、爆炸破壞嚴重、同時對工業(yè)設備和作業(yè)人員人身安全造成危害等特點。

在我國相關標準中規(guī)定，對于經電弧危害分析可能面臨電弧能量不小于25.74J/cm2的人員，或進入可能有電弧危害區(qū)域的人員應配備電弧防護用品，包括電弧防護服、電弧防護頭罩、電弧防護手套和電弧防護鞋罩等。
芳綸纖維用于電弧危害的防護，有著獨特的優(yōu)勢，因為纖維在400℃以上開始熱裂解并形成具有一定強度的碳化膜隔阻層，能夠阻止熱流向服裝內部穿透，因此可以起到有效防護作用。實踐證明，使用芳綸纖維制作電弧防護用品，可以提供令人滿意的作業(yè)現(xiàn)場電弧危害防護。
4）防護手套等用品
由于人們不得不去從事一些非常危險的工作，因此時而會遇到切傷、擦傷和灼傷等，因此需要防護手套等用品。
采用芳綸與高強聚乙烯、不銹鋼絲等材料符合，開發(fā)生產防割、防穿刺、防撕裂等防機械損傷紡織品，可制作成手套、工作裙、袖套、護腿罩等，可減少甚至避免人員受到傷害。上述制品主要用于建筑、林業(yè)、金屬加工、樹木修剪等行業(yè)，例如400g/雙對位芳綸防割手套比800g/雙的滌/棉手套的抗切割性好得多。以往鏈鋸操作防護服由尼龍制成，現(xiàn)改用對位芳綸織物和氈復合制成，6層復合就可以達到尼龍材料12層的防護效果，并且具有質量輕、穿著舒適靈活等優(yōu)點。
3、橡膠補強領域
由于橡膠的彈性大，彈性模量較低，在外力作用下極易產生變形，因此很多橡膠制品都必須用纖維材料或金屬材料作為骨架。以芳綸制成的簾子布、線繩、紗線、帆布、整體帶芯、直經直緯織物等被用作輪胎、動力傳動膠帶、物料輸送膠帶、膠管的骨架材料。
1）輪胎
由于芳綸具有許多優(yōu)異性能和耐高低溫性能，因此可以作為航空輪胎和汽車輪胎的簾線材料。采用芳綸簾線作為骨架材料的輪胎，具有許多優(yōu)點：輪胎重量輕，乘坐舒適性好；輪胎滾動阻力低，節(jié)油性能提高；安全性高，不易爆胎等。
用芳綸制作的航空輪胎能很好地滿足現(xiàn)代超音速飛機能很好地滿足現(xiàn)代超音速飛機對輪胎的高速度、高載荷、耐高溫、耐屈撓和耐著陸高沖擊性的要求。在汽車輪胎中，芳綸主要用于替代鋼絲，不僅能減小輪胎質量，而且可提高耐用性和改善乘坐舒適性。用芳綸替代鋼絲，一條載重輪胎質量可減小9Kg，一輛配置18條輪胎的載重汽車質量可減小162Kg。全球知名鋼絲簾線企業(yè)貝卡爾特公司公布的數(shù)據(jù)顯示，當鋼絲簾線強度從普通強度提高到高強度、超高強度時，輪胎滾動阻力降低幅度在3%~7%。對年產1000萬條的輪胎企業(yè)來說，每降低7%的滾動阻力，就意味著為社會節(jié)約10億元燃油，減少31萬噸二氧化碳排放量。而據(jù)介紹芳綸材料應用于綠色環(huán)保輪胎可以使高性能轎車子午線輪胎平均質量減輕10%，滾動阻力下降12%。芳綸也因此成為了近些年應用增長快的骨架材料之一。
芳綸短纖維還被摻用到輪胎胎面等部件膠料和V帶底膠膠料中起補強作用。芳綸甚至可與樹脂結合取代鋼絲制成輪胎胎圈，大大減輕輪胎的質量。據(jù)美國Dopont和荷蘭Acordis-Akzo公司都報道，加上芳綸短纖維，2010年全世界輪胎制造業(yè)消耗了6Kt以上的芳綸。
2）膠帶
膠帶通常是指繞在兩個或兩個以上的帶輪上進行環(huán)繞運動、用以傳遞動力或物料的柔性條狀制品。按其功能可分為輸送帶和傳動帶兩大類。
芳綸制作的膠帶具有質量小、耐沖擊和耐磨性好等特點。在同等強度下，芳綸輸送帶較傳統(tǒng)鋼絲輸送帶質量減輕30%~60%。采用芳綸1414代替鋼絲，避免了電磁對帶芯的干擾，提高了輸送帶的耐磨性，廣泛應用于礦山、港口等領域，具有高強、輕質、耐腐蝕、阻燃等特點。
3）膠管
隨著科技的進步，對膠管性能的要求也越來越高，采用鋼絲、錦綸、聚酯和人造纖維作為骨架材料的傳統(tǒng)膠管，管體質量及抗壓能力已不能滿足現(xiàn)在的工作環(huán)境要求，而性能優(yōu)異的芳綸可替代傳統(tǒng)骨架材料，提高膠管抗壓強度，減小管體質量。
目前，芳綸已應用于汽車工業(yè)、石油工業(yè)、航空海洋等領域液壓管和軟管的增強材料。例如：美國Gates橡膠公司將芳綸用作汽車冷卻裝置軟膠管、大口徑采油膠管、大口徑輸泥漿軟膠管、高壓航空膠管等產品的增強材料。美國通用、福特公司汽車散熱器采用的就是芳綸膠管，可在150℃下正常工作。
4、環(huán)保領域
芳綸具有優(yōu)異的耐熱性、阻燃性和化學穩(wěn)定性，可在高溫惡劣環(huán)境中長期工作，是加工耐高溫過濾袋的理想材料，用于鋼鐵、水泥、炭黑等空氣污染較重領域的高溫煙塵過濾。
由芳綸1313纖維所織成的非織造布具有非常好的過濾粉塵性質，例如：380g/m2的間位芳綸非織造布作為高溫過濾布具有較滌綸布530 g/m2及腈綸布600 g/m2更好的過濾性質。在袋式除塵領域，對于間位芳綸濾袋，在廢氣溫度不超過200℃，濕度6%，SO2的含量為100ppm的情況下，使用壽命超過兩年。
5、電子電氣材料領域
1）天線結構件
芳綸復合材料被用于雷達整機中的結構件、雷達天線等功能部件的制作以及機殼、機架等。由于結構件輕、諧振頻率高，特別適用于制作機載、星載天線結構。美國RCA公司為多顆衛(wèi)星研制的多部拋物面大線中，其反射面均采用Kelvar纖維織物增強復合材料制造。
芳綸復合材料還被用于雷達罩，雷達罩是一種保護雷達或天線的罩體，隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，要求雷達罩具有高強度、質量輕、透波性好、反射率低及電磁波透過后畸變小等特性。芳綸復合材料的介電常數(shù)遠低于玻璃鋼，芳綸復合材料制作的雷達罩，在同剛度條件下，相比于玻璃纖維復合材料，厚度可降低30%，電磁波透過率可提高10%。
2）特種印刷電路基板
隨著電子信息產業(yè)的發(fā)展，作為電子信息產品基材的印刷電路板也朝著輕、薄、小和高密度方向發(fā)展。且陶瓷與玻璃纖維樹脂基體線膨脹系數(shù)相差較大，在熱脹冷縮的作用下會引發(fā)開裂，而芳綸與樹脂復合制成的層壓基板與陶瓷的線膨脹系數(shù)匹配度較高，可制作工業(yè)用特種印刷電路板，具有質量小、強力高、耐形變性好、介電常數(shù)低等優(yōu)點，且有利于電子設備的小型化和輕質化。
由于芳綸纖維具有的低介電損耗系數(shù)和介電常數(shù)，它更適合于高速電路傳輸。它在纖維方向負的介電常數(shù)，可使整個基板的線膨脹系數(shù)降到3~7ppm/℃，減少了陶瓷多層封裝電路板開裂的可能性，同時還比相同的玻璃纖維復合材料基板輕20%左右。
3）芳綸絕緣紙
芳綸絕緣紙是由短切纖維和沉析纖維經濕法抄紙工藝成紙，經熱壓工藝后成型。由于芳綸纖維具有優(yōu)異的機械性能、絕緣性能以及較低的尺寸變形性、線膨脹系數(shù)等，高性能芳綸紙大量使用在電子電氣材料領域。
芳綸絕緣紙?zhí)厥獾幕瘜W結構決定了它在高溫、潮濕環(huán)境下仍有優(yōu)良的電性能，是高級的H級以上絕緣紙，可用于H級以上發(fā)電機、電動機、干式變壓器等。
目前在市場上芳綸紙供不應求，具有極大的增長潛力。預計年均需求增長率達到30%以上。
4）光纖
由于IT技術的發(fā)展，光纖鋪設量猛增，芳綸纖維可用作光纜中的“張力構件”（或稱芯捍），有了這種具有高模量性能的張力構件，可保護細小而脆弱的光纖在受到拉力時不致伸長，從而不使光傳輸性能受到損害。如芳綸加強芯8字型皮線光纜，不僅質量輕、抗折斷、可小半徑彎曲、阻燃、耐壓、抗電磁干擾，還具有良好的光導性能，可廣泛適用于入戶/室內總和布線。
6、 航空航天領域
芳綸可用于制作大型飛機的二次結構材料，如機艙門、窗、機翼、整流罩體表面等，也可以制作機內天花板、倉壁等，可減輕其重量。
早在20世紀70年代，Kevlar49(PPTA)就以其低密度、耐腐蝕性能好，用于制造導彈的固體火箭發(fā)動機殼體，后又用于制造先進的飛機和航天器的機身、主翼、尾翼等。有關企業(yè)曾以芳綸/環(huán)氧無緯布和薄鋁板交疊鋪成，經熱壓后而成的Arall超混復合層板，其比強度和比模量都優(yōu)于鋁合金板，疲勞壽命是鋁的100~1000倍。美國協(xié)和飛機公司試驗采用芳綸增強的氟橡膠制造飛機的燃油油箱，并宣稱這是改進協(xié)和飛機安全性的一條措施。
7、運動器材領域
充分利用芳綸耐高溫、耐疲勞等特性，以制作運動條件苛刻的拳擊手套、登山鞋靴、賽車車體、賽馬頭盔等，還可用于制作球拍、滑雪板、滑雪桿、雪橇、弓箭、弓弦、釣魚竿、風箏骨架、高爾夫球棍、賽艇等。
8、其他領域
1）密封材料
由于石棉對環(huán)境、人體呼吸道有嚴重危害，醫(yī)藥、食品等主管部門早已禁止使用石棉盤根、石棉橡膠板等密封件，而芳綸優(yōu)異的耐高溫性可替代石棉制成盤根等密封件。對于200~300℃內隔熱、密封，完全可以由芳綸制品取代石棉材料，環(huán)保耐用、使用、加工方便。
2）繩索
芳綸制作的繩帶具有高強、防火、防割、耐腐蝕等特性，適用于消防、安全、海洋等方面，例如：逃生繩索、降落傘繩等。采用芳綸制成的繩索在海洋環(huán)境中使用時，能經受海水的沖擊，且藻類、貝殼等海洋生物不易在繩索上寄生。
3）摩擦材料
利用芳綸纖維耐高溫、耐磨等特性，可用于制造剎車片、離合器等產品。
4）建筑材料
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。