芳纶生产以及在军事、国防及航天航空上.doc

芳纶的生产以及在军事、国防和航天航空上
的应用现状和发展趋势
内容摘要：芳纶是一种耐高温的高强高模特种纤维。已工业化的芳纶主要是芳纶 1313（聚间苯二甲酰间苯二胺纤维）和芳纶 1414（聚对苯二甲酰对苯二胺纤维）两大类。根据其特性，本文主要阐述了芳纶在军事、国防和航空航天上的生产，并简述了它们在国内外的应用现状和发展趋势。
关键词：芳纶纤维 军事 国防 航天 航空 生产 应用 发展趋势
一、芳纶的生产
（一）芳纶1313的生产及特性
芳纶1313最早由美国杜邦公司研制成功，并于1967年实现了工业化生产，产品注册为Nomex®(诺美克斯)。其制备方法为：以间苯二胺和间苯二甲酰氯两种单体为原料,以二甲基乙酰胺或四氢呋喃为溶剂进行低温溶液聚合。聚合时应加入三乙胺、无机碱类化合物等酸吸收剂。反应完成后用碱中和, 经过滤、脱泡后直接进行干法或湿法纺丝。干法纺丝一般用于纺制长丝,喷丝孔数较少, 纺丝速度较高, 纤维质量较好, 但设备较复杂, 生产成本也较高。而湿法纺丝喷丝孔数可达30 000 孔以上, 设备简单, 产量高, 生产成本低, 适于生产短纤维, 但纤维质量比长丝稍差。初生纤维经洗涤、两道拉伸干燥、卷曲、切断和打包, 便是成品短纤维。
这是一种柔软洁白、纤细蓬松、富有光泽的纤维，外观与普通化纤并无二致，却集众长于一身拥有超乎寻常的“特异功能”： 
1、持久的热稳定性
　芳纶1313最突出的特点就是耐高，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。
（二）芳纶1414的生产及特性
几乎与芳纶1313的发明同步，杜邦公司在上世纪六十年代末研制出另一种高性能合成纤维—芳纶1414，其商品于1972年首次问世，定名为Kevlar®(凯芙拉) 。其制备方法为：以对苯二甲酰和对苯二胺两种原料为单体, 在有机溶剂中进行界面缩聚或溶液缩聚, 使用链终止剂将聚合物的相对黏度控制在5. 0~ 6. 0之间的一个固定值。常使用酰胺类混合溶剂, 反应完成后加水使聚合物沉淀出来, 经分离、洗涤、粉碎和干燥, 即成为纺丝原料。将纺丝原料聚合物溶解于浓硫酸,质量分数为99% ~ 100% 的浓硫酸对PPTA 的溶解性能最好, 聚合物溶液的质量分数可达18% ~22% , 使用干湿法液晶纺丝工艺进行纺丝, 纺丝温度为70~ 80 。初生纤维经洗涤、干燥并在高温下进行高倍拉伸和热处理, 便得到芳纶1414产品。
芳纶1414外观呈金黄色，貌似闪亮的金属丝线，实际上是由刚性长分子构成的液晶态聚合物。由于其分子链沿长度方向高度取向，并且具有极强的链间结合力，从而赋予纤维空前的高强度、高模量和耐高温特性。 
芳纶1414的发现被认为是材料界发展的一个的重要里程碑。芳纶1414有极高的强度，大于28克/旦，是优质钢材的5～6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢材的2倍，而重量仅为钢材的1/5。 （芳纶1414的强韧性也使其裁切与加工异常困难，需要昂贵的专用工具）。 
芳纶1414的连续使用温度范围极宽，在-196℃至204℃范围内可长期正常运行。在150℃下的收缩率为0，在560℃的高温下不分解不熔化，耐热性更胜芳纶1313一筹，且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期很长，因而赢得“合成钢丝”的美誉。 
二、芳纶在军事、国防和航天航空上应用现状
芳纶纤维是重要的国防军工材料，为了适应现代战争的需要，目前，美、英等发达国家的防弹衣均为芳纶材质，芳纶防弹衣、头盔的轻量化，有效提高了军队的快速反应能力和杀伤力。在海湾战争中，美、法飞机大量使用了芳纶复合材料。芳纶复合材料可制造导弹的固体火箭发动机壳、压力容器、宇宙飞船驾驶舱、潜艇、防弹装甲车、防弹运钞车、防弹板、防弹头盔、防弹衣等。
除了军事上的应用外，现已作为一种高技术含量的纤维材料被广泛应用于航天航空、机电、建筑、汽车、体育用品等国民经济的各个方面。在航空、航天方面，芳纶由于质量轻而强度高，用于制作大型飞机的二次结构材料，如机舱门、窗、机翼、整流罩体表面等，也可制作机内天花板、舱壁等，节省了大量的动力燃料，据国外数据显示，在宇宙飞船的发射过程中，每减轻1公斤的重量，意味着降低100万美元的成本。除此之外，科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民用空间。据报导，目前，芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占7～8%，航空航天材料、体育用材料大约占40%；轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约占20%左右，还有高强绳索等方面大约占13%。 
芳纶1414应用于国防军工等尖端领域。为适应现代战争及反恐的需要，美、俄、英、德、法、以色列、意大利等许多国家军警的防弹衣、防弹头盔、防刺防割服、排爆服、高强度降落伞、防弹车体、装甲板等均大量采用了芳纶1414。在防弹衣中，由于芳纶纤维强度高，韧性和编织性好，能将子弹冲击的能量吸收并分散转移到编织物的其它纤维中去，避免造成“钝伤”，因而防护效果显著。芳纶防弹衣、头盔的轻量化，有效地提高了军队的快速反映能力和防护能力。 
在航空航天方面，芳纶纤维树脂基增强复合材料用作宇航、火箭和飞机的结构材料，可减轻重量，增加有效负荷，节省大量动力燃料。如波音飞机的壳体、内部装饰件和座椅等成功地运用了芳纶1414材料，重量减轻了30%。 
三、芳纶的发展趋势
随着高新产业成为世界经济发展的主要目标，应用高新技术和新材料为主导的新产业，如国防、航空航天、橡胶工业、电子与通讯、汽车工业、油气田的勘探和生产、体育休闲用品等产业的发展，都将需要高性能的芳纶。由于它的用途十分广泛，曾被称为“全能纤维”。据统计[6]，用于防弹衣、头盔等约占 7 %～8 %；航空航天材料、体育用材料约占 40 %；轮胎和胶带骨架材料等约占 20 %；高强绳索等约占 13 %。每年芳纶的应用市场都在逐渐扩大，产量也都在迅速增加，对位和间位芳纶占特种纤维的比重日趋增大。其中对位芳纶的市场需求量增加较快，1980 年为 5 000 t，1985 年为 10 000 t，1990年为 15 000 t，1995 年为 21 000 t，2000 年为38 000 t，预计 2005 年将达到 45 000 t。
对于纤维工业，在 21 世纪的主要研究课题是：发展具有差别化、功能化的纤维以及具有特殊意义的高性能纤维和特种纤维。芳香族聚酰胺纤维作为典型高性能纤维必将得到全面的发展，其发展趋势主要集中在以下 4 个方面：
⑴ 更高模量。具有 130～170 GPa 的弹性模量，用于高强度、高刚度的结构复合材料。
⑵ 更高强度。具有 60～90 GPa 的抗拉强度，用于高强度、中刚度弹性复合材料。
⑶ 耐更高温度。具有耐 500～600 ℃ 高温的特性。
⑷ 更多功能。除了具有高模量、高强度、耐高温特性外，还具有其它功能和特性。
芳纶纤维由于其独特的物理和化学性能, 使得其广泛应用于国防、军事、航空、航天等领域。全球芳纶需求的年增长量为20%以上, 中国对芳纶的需求也以30% 的年增长量递增。中国芳纶技术还处于相对落后的状态, 还需要芳纶生产、科研部门进行芳纶生产技术国产化研究, 建立具有中国自主知识的芳纶技术。芳纶经过改性后,可以更广泛地应用于生活、生产各个领域。
参考文献：
【1】 袁金慧，江 棂，马家举，吕希光，芳纶的应用和发展
【2】 张野，芳香族聚酰胺纤维的制备及应用
【3】 王曙中，芳纶的发展趋势