芳纶及其应用

芳纶是芳香族有机纤维的总称,典型的有美国的Kevlar、俄罗斯的Armos。芳纶具有密度低、耐磨蚀、耐冲击、阻燃等特性。在飞机复合材料结构中,一般芳纶 与碳纤维配合使用,在实现减轻结构质量的前提下,对易磨损和易碰撞复合材料部件实施外表面的防护。芳纶可用于制作飞机和直升机的二次结构材料,如机舱门、窗、整流罩体、天花板、舱壁、空气管道、贮藏箱柜等,如波音B757飞机的起落架舱门为Kevlar复合材料。芳纶同时具有优良的介电性能、力学性能和极高的尺寸稳定性,使其在机载、舰载和星载雷达天线罩,雷达天线馈源功能构件以及轻型天线支撑结构中使用。

芳纶的发展历史

芳纶的全称是“芳香族聚酰胺纤维”。其商品于1972年首次问世,定名为Kevlar。1974年,美国贸易联合会命名为“Aramid fi bers",在我国通称芳纶。它是以芳香族化合物为原料经缩聚纺丝制得的一类新型的特种用途合成纤维。因为构成纤维的高聚物长链分子中含有酰胺基,所以与锦纶一样同属于聚酰胺类纤维。但不同的是,构成锦纶的高聚物大分子中连接酰胺基的是脂肪链,而芳纶中连接酰胺基的是芳香环或芳香环的衍生物。由于芳香基取代了脂肪基,分子链的柔性减小而刚性增强,反映在纤维性能方面,其耐热性和初始模量都显著增大,使其能应用于航空航天结构材料。芳纶是目前有机耐高温纤维中的最主要品种,是已工业化的高性能增强纤维中唯一的有机纤维,也是在高性能复合材料中用量仅次于碳纤维的另一种先进复合材料使用的高性能纤维。

芳纶的品类

芳纶有两大类:全芳纶和杂环芳纶。全芳纶主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺聚对苯甲酰胺纤维(对位芳纶)、间位的聚间苯二甲酰间苯二胺聚间苯甲酰胺纤维(间位芳纶)、共聚芳纶以及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳纶。杂环芳纶是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳纶,如有序结构的杂环芳纶等。在复合材料中应用最普遍的是对位芳纶(PPTA)和间位芳纶(PMIA)。俄罗斯的三元共聚芳纶如Armos等以优异的力学性能应用于航天航空高性能结构上。

对位芳纶

对位芳纶主链结构具有高度的规则性,大分子是以伸展的状态存在,对位芳纶表现出突出高强度、高模量和耐热性性能,同时还具有适当的韧性可供纺织加工。标准对位芳纶相对密度1.43~1.45 g/cm3,无熔融温度,500~570°C时分解。对位芳纶具有高抗拉强度、高抗拉模量、低密度、优良吸能性和减震、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定等优异的力学和动态性能;良好的耐化学腐蚀性、高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的热性能以及优良的介电性能。单丝强度可达3850MPa,有较高的断后延长率。对位芳纶主要存在着抗压缩强度和抗压缩模量较低、耐潮湿和耐紫外辐射性差、表面与基体复合粘合性差等缺点。对位芳纶大多被用作轻质、耐热的纺织结构或复合结构增强材料。 

间位芳纶

间位芳纶1313是一种柔软洁白、 纤细蓬松及富有光泽的纤维,外观与普通化纤并无二致,却拥有超乎寻常的“特异功能”。它具有优良的物理和力学性能,如强度、断后延长率等。同时还拥有极佳的耐火、电绝缘性、耐氧化性和化学稳定性。它在260°C 温度连续使用1000h后,其强度仍能保持原强度的65%;在300°C高温下使用7d,仍能保持原强度的50%。它的极限氧指数(LOI)为29,在火焰中不会发生熔滴现象,离开火焰会自熄。在400°C的高温下, 纤维发生碳化成为一种隔热层,能阻挡外部的热量传入内部,起到有效的保护作用。在火焰中难以燃烧,离开火焰后具有自熄性,这种源于本身分子结构的固有特性使间位芳纶永久阻燃,因此有“防火纤维”之美称。间位芳纶介电常数很低,使其在高温、低温和高湿条件下均能保持优良的电绝缘性。间位芳纶还具有突出的化学稳定性,在酸、碱、漂白剂、还原剂及有机溶剂中的稳定性很好。同时还具有良好的抗辐射性能。间位芳纶可用于消防、绝缘材料、特种防护服和高温过滤材料。

 用间位芳纶结构材料纸可制作仿生型蜂窝结构板材,具有突出的强度/质量比和刚性/质量比,具有质量轻、耐冲击、抗燃绝缘、耐腐蚀耐老化以及良好的透电磁波性等特点,适于制作飞机、导弹及卫星上的宽频透波材料和大刚性次受力结构部件(如机翼、整流罩、机舱内衬板、舱门、地板、货舱和隔墙等),也适合于制作游艇、赛艇、高速列车及其它高性能要求的夹层结构。

芳纶的应用

对位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。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,节省了大量的动力燃料,据国外资料显示,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。据报道,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%。轮胎业也开始大量使用芳纶帘线来减轻重量,减少滚动阻力。