對(duì)位芳綸漿粕纖維的應(yīng)用研究進(jìn)展

摘要:對(duì)位芳綸漿粕纖維是芳綸長(zhǎng)絲的一種差異化產(chǎn)品，它保留了長(zhǎng)絲的高強(qiáng)度、高模量、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)其本身又具有較大的比表面積，這為與基體材料的結(jié)合提供了可能性。本文綜述了芳綸漿粕纖維的應(yīng)用研究進(jìn)展，主要包括其在增強(qiáng)材料、摩擦材料、密封材料、造紙領(lǐng)域的應(yīng)用等。

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引言

對(duì)位芳綸纖維是由杜邦公司在1965年合成，并于1972年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在我國(guó)稱為芳綸1414。對(duì)位芳綸漿粕纖維(以下簡(jiǎn)稱芳綸漿粕纖維)是芳綸經(jīng)多次原纖化處理后得到的一種高度分散的差異化產(chǎn)品，纖維表面呈現(xiàn)毛絨狀，主纖長(zhǎng)度1.0～3.0mm，直徑10.0μm，微纖長(zhǎng)度0.1～2.0μm，表面粗糙，纖維的軸向尾端呈針尖狀。芳綸漿粕纖維保留了芳綸優(yōu)異的物理機(jī)械特性，如高強(qiáng)度、高模量、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，良好的耐磨性和高絕緣性，與短纖維相比，它的比表面積更大，在7～12m2/g之間，從而使其與基體材料有更大的接觸面積，且由于“機(jī)械”嚙合作用與基體材料有很強(qiáng)的表面結(jié)合力。

芳綸漿粕纖維表面的氨基含量比芳綸長(zhǎng)絲要高10倍以上，使其具有更好的表面活性，從而使其與酰胺類樹脂有很好的親和性，也可在漿粕的界面與基體形成氫鍵，增強(qiáng)復(fù)合效果。高強(qiáng)度、高模量的性質(zhì)使其在與基體混合過程中不會(huì)因剪切造成長(zhǎng)徑比的下降，同時(shí)芳綸漿粕在加工應(yīng)用過程中不會(huì)產(chǎn)生石棉纖維具有的環(huán)境污染、影響人體健康等問題。但由于芳綸漿粕纖維表面微纖之間的相互纏結(jié)很容易造成其在基體材料中的分散不均而影響制品性能，因此多通過表面處理和改性來有效提高芳綸漿粕纖維的表面性能。目前，芳綸漿粕纖維的應(yīng)用研究主要集中于增強(qiáng)材料、摩擦材料、密封材料、造紙等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的年使用量約在1000噸以上。

(a)、(b)分別是中芳特纖股份有限公司生產(chǎn)的漿粕樣品的顯微鏡照片和掃描電鏡(SEM)照片。

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芳綸漿粕纖維的應(yīng)用

1.1 增強(qiáng)材料

芳綸漿粕纖維表面微纖叢生，比表面積較大，與橡膠潛在的接觸面較大，且由于“機(jī)械”嚙合作用而與橡膠有很強(qiáng)的表面結(jié)合力，但表面微纖會(huì)發(fā)生相互纏結(jié)，造成在橡膠基體中分散性較差。因此多通過對(duì)芳綸漿粕纖維的表面處理和改性或者是對(duì)橡膠基體的改性處理來改善芳綸漿粕纖維在基體中的應(yīng)用。

1.1.1 芳綸漿粕纖維增強(qiáng)橡膠的研究

橡膠基體中的芳綸漿粕纖維微纖上能夠附著大量的橡膠分子鏈，起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，限制了橡膠大分子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)能夠承擔(dān)應(yīng)力。在橡膠承受外部拉伸作用力時(shí)，芳綸漿粕纖維可以作為應(yīng)力承受點(diǎn)，減小橡膠大分子的受力，從而使其不易被破壞，橡膠的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率得以提高。芳綸漿粕纖維在橡膠基體中獲得良好的分散是橡膠力學(xué)性能得到改善的前提。

美國(guó)杜邦公司為了有效改善芳綸漿粕纖維在橡膠基體中的分散性，開發(fā)出了Kevlar工程化彈性體。該彈性體與單純的將芳綸漿粕纖維摻入到橡膠基體中相比，芳綸漿粕纖維的微纖充分打開且不易再纏結(jié)，作為一種橡膠助劑添加到工程輪胎胎面膠料中可延長(zhǎng)輪胎的工作壽命。ParkNam等將氧化鋅(ZnO)處理的芳綸漿粕纖維加入到天然橡膠中并研究了其在防爆輪胎側(cè)壁插層膠中的應(yīng)用，研究表明，插層膠的機(jī)械性能隨芳綸漿粕纖維用量(1、2、3份)的增加得到明顯改善，壓縮永久變形減小。JefferyS.Downcy等研究了芳綸漿粕纖維和短纖維對(duì)天然橡膠的補(bǔ)強(qiáng)效果，結(jié)果表明:芳綸漿粕纖維在復(fù)合材料中表現(xiàn)出一種手風(fēng)琴效應(yīng)，隨著芳綸漿粕纖維用量的增加，其損耗角和損耗因子逐漸減小。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)芳綸漿粕纖維的改性研究較少。楊波等考察了丁吡膠乳和天然膠乳包覆改性后的芳綸漿粕纖維對(duì)丁苯橡膠復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果得出:纖維與橡膠基體間形成柔性界面，界面粘結(jié)性提高;復(fù)合材料的100%和300%定伸應(yīng)力提高，復(fù)合材料的復(fù)數(shù)模量保持在較高水平。王濤等、謝巍等利用多巴胺氧化自聚合的特性對(duì)芳綸漿粕纖維進(jìn)行表面修飾，分別研究了改性芳綸漿粕纖維對(duì)丁腈橡膠、氟橡膠/氫化丁腈橡膠合金彈性體復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

研究了預(yù)處理芳綸漿粕纖維對(duì)丁腈橡膠性能的影響。研究表明:隨著芳綸漿粕用量的增大，硫化膠的硬度和50%定伸應(yīng)力逐漸增大，剪切儲(chǔ)能模量增大，與未添加芳綸漿粕纖維的硫化膠相比，添加后的硫化膠的熱穩(wěn)定性更好。丁佳偉等研究了未處理芳綸漿粕纖維和表面化學(xué)處理芳綸漿粕纖維及其用量對(duì)天然橡膠靜態(tài)力學(xué)性能，伸張疲勞壽命及動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能的影響。

1.1.2 芳綸漿粕纖維增強(qiáng)塑料的研究

芳綸漿粕纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料大多是將芳綸漿粕纖維改性后添加到塑料基體中混合得到，改性后的芳綸漿粕纖維與樹脂基體之間可形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，這促進(jìn)了纖維與樹脂基體間的界面粘結(jié)，改善了芳綸漿粕纖維與基體的界面結(jié)合力。所以其復(fù)合材料的機(jī)械性能、耐熱性、耐磨性會(huì)得到較好地改善。

ＲastegarN等探究了含芳綸漿粕纖維與輻照聚四氟乙烯雜化劑聚酰胺6的摩擦材料的協(xié)同作用。劉石等研究了硅烷偶聯(lián)劑KH－550改性的芳綸漿粕纖維對(duì)膨脹阻燃聚丙烯復(fù)合材料性能的影響。研究表明:改性芳綸漿粕纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，其復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為40.0MPa，沖擊強(qiáng)度為56.9J/m，熱穩(wěn)定性提高。侯鐵軍等研究了芳綸漿粕纖維對(duì)酚醛樹脂復(fù)合材料性能的影響。與石棉增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料相比，芳綸漿粕纖維酚醛樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)異，磨損率較低。

1.2 摩擦材料

汽車摩擦材料要求具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，較低的磨損率，無噪聲以及在高溫、高壓、高速的環(huán)境下不產(chǎn)生振動(dòng)。在汽車制動(dòng)摩擦材料中應(yīng)用比較廣泛的增強(qiáng)纖維有陶瓷纖維、有機(jī)纖維、金屬纖維等。工業(yè)用摩擦材料中增強(qiáng)纖維的含量通常在5vol%～25vol%。芳綸漿粕纖維保留了芳綸的高強(qiáng)度、高模量等特性，同時(shí)又具有較大的比表面積，賦予了其良好的吸附性，與樹脂基體可以有效地結(jié)合。

研究得出芳綸漿粕纖維的加入有效改善了摩擦材料的摩擦穩(wěn)定性，同時(shí)降低了磨損率。Prosenjit等發(fā)現(xiàn)與芳綸相比，芳綸漿粕纖維的摻入提高了其復(fù)合材料的摩擦穩(wěn)定性。

研究得出，酚醛樹脂摩擦材料的布氏硬度隨著芳綸漿粕纖維用量的增加而提高。當(dāng)46芳綸漿粕纖維和納米鈦酸鈉晶須的含量比在3∶1時(shí)，摩擦材料的效果佳，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.38～0.45，磨損率為5%。劉力等通過對(duì)芳綸漿粕纖維含量對(duì)低樹脂基剎車片摩擦磨損性能的影響機(jī)制研究得出:芳綸漿粕纖維含量為0%和1%時(shí)主要為擴(kuò)展性的表面疲勞磨損，含量為2%時(shí)主要為非擴(kuò)展性的表面疲勞磨損，含量為3%時(shí)主要為黏著磨損。

公開了一種用吡咯單體改性的芳綸漿粕纖維制成的剎車片。實(shí)驗(yàn)得出，該剎車片的抗熱衰退、抗熱膨脹性能強(qiáng)，且摩擦系數(shù)穩(wěn)定，磨損率低。

1.3 密封材料

采用芳綸漿粕纖維增強(qiáng)的橡膠復(fù)材設(shè)計(jì)的密封材料比全橡膠密封材料的力學(xué)性能、耐高溫性能及密封性能均有所提高，同時(shí)避免了金屬油封在使用過程中出現(xiàn)的生銹腐蝕問題。

肖風(fēng)亮等以氯丁橡膠/芳綸漿粕纖維作為外殼材料，氫化丁腈橡膠作為唇口膠制備了復(fù)合油封，研究表明:膠料與氯丁橡膠/芳綸漿粕纖維片材有很好的粘合性能，復(fù)合后膠料的抗焦燒性能得到改善。劉欣等通過探究芳綸漿粕纖維和白炭黑用量對(duì)制備的丁腈橡膠密封墊材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)芳綸漿粕纖維在其復(fù)合材料中分散較為均勻。在芳綸漿粕纖維用量為30份，白炭黑用量為40份時(shí)，密封材料的綜合性能好。橡膠混煉過程中產(chǎn)生的剪切力能夠使芳綸漿粕纖維產(chǎn)生取向，其復(fù)合材料在平行和垂直纖維方向的各向異性表現(xiàn)較為突出。

1.4 造紙領(lǐng)域

芳綸紙基材料的力學(xué)性能及其熱穩(wěn)定性主要取決于短纖維與漿粕基體界面之間的粘結(jié)效力。在芳綸紙結(jié)構(gòu)中，短切纖維作為骨架材料，均勻分散在紙張中，決定著紙張的物理結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度;芳綸漿粕纖維作為填充和黏結(jié)材料，利用自本身比表面積大、高度原纖化的特點(diǎn)，同時(shí)在熱壓過程中受熱軟化，通過黏結(jié)短切纖維及自身的黏結(jié)作用形成紙張整體力學(xué)結(jié)構(gòu)，賦予紙張整體強(qiáng)度和性能。芳綸漿粕纖維紙基材料的應(yīng)用領(lǐng)域主要有耐絕緣材料、紙基摩擦材料、蜂窩增強(qiáng)材料等，這些材料廣泛應(yīng)用于高溫絕緣、航空航天、汽車制造、交通運(yùn)輸和高性能電子器材等關(guān)鍵領(lǐng)域］。

MerrimanEA說明了通過控制芳綸漿粕纖維的pH值來調(diào)控其電位，對(duì)于具有高填料和膠乳含量的紙的良好成型是非常重要的。曹雪鴻等對(duì)比分析噴射紡絲法進(jìn)口芳綸漿粕纖維和原纖化法自制漿粕纖維配抄紙張的性能得出純芳綸漿粕纖維紙基材料抗張指數(shù)前者是后者的12倍。王臘梅等研究得出，芳綸短切纖維和芳綸漿粕纖維的加入可以提高芳綸云母復(fù)合紙的強(qiáng)度性能。當(dāng)芳綸短切纖維與芳綸漿粕纖維的總用量為7%，且兩者的配比為2∶5時(shí)，芳綸云母復(fù)合紙的整體性能佳。司景航等通過芳綸漿粕纖維含量對(duì)紙張性能的影響的研究表明，芳綸漿粕纖維添加量在10%時(shí)，紙張的彎曲強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度同時(shí)達(dá)到大值，其彎曲強(qiáng)度為620mN，抗張強(qiáng)度為11.21kN/m，撕裂強(qiáng)度為4038mN。

此外，有關(guān)學(xué)者關(guān)于芳綸漿粕纖維在絕緣材料、耐燒蝕材料、體育器材中的應(yīng)用也進(jìn)行了研究。

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結(jié)束語

芳綸漿粕纖維保留了長(zhǎng)絲纖維的高強(qiáng)度、高模量，同時(shí)具有較大的比表面積，在眾多領(lǐng)域已獲得應(yīng)用，如航空航天、雷達(dá)罩、摩擦材料、密封材料、體育器材等。但芳綸漿粕纖維的結(jié)晶度較高，表面化學(xué)活性低，與基體材料結(jié)合性差;同時(shí)，其微原纖數(shù)量眾多，易于相互纏結(jié)，在基體中不易分散，通常在使用過程中多需要進(jìn)行改性處理。

當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)大部分芳綸漿粕纖維多以長(zhǎng)絲等外品或回收廢料為原料，采用切斷、原纖化工藝制備得到，性能較進(jìn)口產(chǎn)品仍存在一定差距，如何以低成本保證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定是當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造企業(yè)面臨的主要問題。