【复材资讯】芳纶复合材料的性能、制备及应用

摘要：芳纶具有高模量、高断裂强度、低热收缩率和低断裂伸长率等优异的性能，是理想的增强纤维材料。本文综述了芳纶材料的研究进展情况，芳纶复合材料的制备方法、性能及其在工业和生活领域的应用，并对其发展作了展望。

芳纶的全称是芳香族聚酰胺纤维，是一种高强度、高模量、低密度和高耐磨的有机合成材料，并且具有稳定的化学性质。1974年，美国贸易联合会FTC（U．SFederalTradeCommission）将它们命名为“Aramidfiber”，其定义为：至少有85％的酰胺链（—CONH—）直接把两个苯环连接起来。芳纶于20世纪60年代初，由杜邦公司开发出具有优良热稳定性的间位芳纶HF－1，即Nomex纤维。我国称为芳纶1981年通过芳纶14的鉴定，1985年又通过芳纶1414的鉴定。由于单一的芳纶纤维使用时具有缺陷，遇水后强度降低等，通常将芳纶制成复合材料，在材料中作为增强纤维，以适应不同的使用环境，同时也可以改进材料的性能。

1 芳纶的分类与性能

1.1 对位芳纶对位芳纶简称

PPTA（Poly－P－pheneleneferephthalamide）于1971年研制成功，次年投入生产。其主链结构具有高度的规则性，大分子是以十分伸展的状态存在，它具有耐高温、防火、耐化学腐蚀及高的力学性能和抗疲劳性，同时又具有低密度。它的强度为钢的3倍，为强度较高的涤纶工业丝的4倍，它的初始模量为涤纶工业丝的4～10倍，聚酰胺纤维的10倍以上。它的稳定性好，在150℃温度下收缩率为零，在高温下仍能保持较高的强度，如在260℃温度下仍可保持原强度的65％。它对橡胶粘附性良好，是比较理想的帘子线纤维。如美国杜邦公司的Kevlar－49、荷兰恩卡公司的Twaron、中国的芳纶1414等。

1.2 间位芳纶间位芳纶简称

MPIA（Poly－m－phenyleneisophthalamide）于1956年开始研究，于1967年实现了工业化，间位芳纶的大分子链呈锯齿状，它具有优良的物理和力学性能，如强度、断后延伸率等。突出特点是具有极佳的耐火和耐氧化性。它在温度260℃连续使用1000小时后，其强度仍能保持原强度的65％；在300℃高温下使用7天，仍能保持原强度的以燃烧，离开火焰后具有自熄性；它在酸、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。它的不足之处和锦纶一样，对日光稳定性较差，难以染色。

1.3 芳纶与其他纤维的性能比较

芳纶具有良好的力学性能，见表1。芳纶与其他纤维相比较具有耐高温，伸长量小，弹性模量高和强度大的特点，特别是对位的芳纶（Kevlar纤维），更为优异。

2 芳纶复合材料的制备

芳纶纤维和玻璃纤维一样，产品形态有捻纱、无捻粗纱，各种规格布、带、毡及短切原丝等。复合材料的制备主要有两类，纤维与纤维缠绕复合，和纤维与树脂或橡胶复合。

2.1 纤维与纤维复合成型

湿法与干法缠绕是复合材料缠绕成型的两种主要方法。

干法缠绕的主要优点是含胶量较容易控制，因此过去复合材料高压容器的成型一直选用了单一的干法缠绕成型。然而由于湿法缠绕具有制品成本低、纤维磨损少、空隙率低和生产效率高等优点被国外广泛采用。过去我国一直采用干法成型而研制了几十种干法成型粘接剂配方，有些配方如4304、4303A已成功地应用在大型固体火箭发动机上。工艺流程如下：芳纶纤维松开→混料→模压成型→热处理→磨削→成品。

湿法缠绕成型与干法成型一样，对树脂基体要求必须具有一定的力学性能，同时基体体系的粘度必须控制在一定的范围内以保证成型时纤维束能完全浸润。降低体系粘度主要有以下两种方法：（a）选择合理的低粘度活性稀释剂，往往体系粘度满足了浸渍工艺要求但同时体系的力学性能和耐热性能较大幅度下降，经过筛选使用一种混合稀释剂和在一定程度上满足设计要求。（b）选用液体固化剂，液体固化剂的加入能使配方体系粘度有一定的降低。

如哈尔滨玻璃钢研究所用的液体酸酐类固化剂组成的湿法环氧配方，已成功应用于化工管道的生产上。只有根据实际条件，在对粘度、力学性能、储存期三者综合考虑的基础上，设计合适的湿法配方。

对于芳纶纤维的湿法配方及湿法配方成型技术缺乏进一步研究，而高性能湿法配方技术是湿法缠绕成型中首先需解决的关键技术。

2.2 纤维与树脂复合成型

成型方法和玻璃钢等的成型方法一样，有缠绕法、手糊法、浸渍法、真空袋法、加压法以及注射法等，可根据需要选择。

常与芳纶纤维匹配的树脂有环氧、酚醛、不饱和聚酯、乙烯基酯、聚酰亚胺等，近年来还和尼龙、PBT等符合使用。张茂林等在对单向芳纶／聚丙烯混纤复合材料拉伸性能研究中，芳纶无捻长丝纱（增强材料）为经纱，聚丙烯纤维（基体纤维）为纬纱，织成平纹组织的热塑性预聚体，一定温度和压力下制成复合材料，调节经纱和纬纱的密度控制材料的组成。用芳纶制成的帘子线被越来越广泛地应用于汽车轮胎工业。芳纶与橡胶的复合材料技术发展很快。由于芳纶纤维的活性官能团少，与橡胶粘合较困难。为解决粘合问题一般采用以下措施：一方面调整或改进浸渍体系的配方及工艺，目前常用二浴浸渍或在一浴浸渍中增添专用浸渍粘合剂；另一方面是在橡胶胶料配方设计中增添胶用粘合剂。由于上述两方面的协同效应达到较理想的粘合效果。

3 芳纶复合材料的性能及其应用

芳纶材料的应用主要是围绕其高强度、高弹性模量等优异特征展开的。

3.1 防弹领域

芳纶的高强度为各行各业所看好，尤其是军事方面。现代头盔起源于一战，用于降低士兵的伤亡率。二战以后至70年代军队防弹头盔均为钢盔，大部分为高锰钢或特殊钢，盔壳多为冲压成型。尼龙盔主要应用于英国和以色列，头盔内有一层高密度聚乙烯泡沫防震层提高舒适度。芳纶盔是多层芳纶布经特殊树脂粘结，高温高压成型的。芳纶盔是杜邦公司于70年代开始研制的，优点是强度高，质量轻，以及防护性能好，被越来越多国家采用。

芳纶纤维的抗弹道冲击性应归功于其优越的热稳定性、高结晶性、高取向结构及高拉伸性能。玻璃化转变温度高和优异的热稳定性使芳纶纤维在弹道冲击所产生的高温度下可以保证抗冲击结构的稳定性；高结晶、高取向性产生了高模量，保证了对轴向变形的快速反应；高弹性和中等延伸率使芳纶纤维具有高韧性，从而在纵向断裂时能有效工作。我国开展芳纶防弹板的研究，在最优的基体与纤维比例方面取得了进展。

3.2 轮胎领域

轮胎的主要成分是橡胶，为了提高强度，工业上最早采用钢丝作为增强材料。但是由于钢丝密度大，轮胎强度增大的同时，会增加车体的重量，增加了能耗。并且由于存在钢丝，车胎会变硬，更容易颠簸，舒适度会下降。尤其在重型车辆方面，承重量很大，对车胎的要求也就更高。

与钢丝相比，芳纶帘线具有耐高温、高强度、高模量及变形小的特性，又具有相对密度小、耐疲劳、耐剪切的柔性，兼备了钢丝、人造丝、锦纶、聚酯帘线的优异性能，有“合成钢丝”之称，是目前最理想的骨架材料。

芳纶帘子线的优点有：①作为帘线，轮胎的胎体可由原来的三层减到一层，车胎重量减小，降低轮胎滚动阻力，可以减少耗油；②芳纶帘线与橡胶的粘合效果比钢丝好，并且不容易受水分、湿度的影响；③用芳纶作帘线后轮胎的刚性、耐磨性都提高了，延长了车胎的使用寿命；④由于减少了胎体的数目，汽车的驾驶性能、乘坐舒适度比原来有了很大的提高。

但芳纶作为帘线主要缺点是成本太高、生产技术复杂，需要专门设备加工。

3.3 管道领域

Kevlar纤维是软管增强材料的最佳选择。目前，越来越多的汽车软管、化学工业用软管、石油工业用软管、航空工业用各种液压软管以及海洋用软管都采用Kevlar纤维作增强材料美国Chrysler公司和Gates公司则采用Kelver纤维作为汽车冷却装置软管的增强材料制成了温度可达150℃左右的汽车冷却胶管。Gates公司、美国Goodall公司将芳纶纤维制成了用于核电站、化工厂和石油勘探方面的大口径胶管。内径为25．4cm，每根长12m，设计工作压力为56kg／cm2，弯曲半径为1．5m。

3.4 桥梁结构加固领域

芳纶纤维布在旧桥加固的应用范围比较广，芳纶纤维布在加固构件时，主要用于抵抗拉力，一般用于梁的受拉部位、梁与柱的抗剪部位、柱或桥墩台的围束加固等。在桥梁墩柱出现裂缝部位用芳纶纤维AFS－40对墩柱粘贴两层后，不仅控制了裂纹的发展，而且明显提高了桥梁的承载能力。

3.5 电子电气领域

芳纶纤维具有优异的力学性能、电绝缘性能、透波性能，以及尺寸稳定性能，它在电子电气领域中已应用在微电子组装技术中表面安装技术（SMT）用的特种印刷电路板，机载或星载雷达天线罩、雷达天线馈源功能结构部件和运动电气部件等多方面。美国RCA公司为多颗卫星研制的多部抛物面天线中，其反射面均采用芳纶纤维织物增强复合材料制造。

3.6 耐热及防护服装领域

舱外航天服材料要求轻质，柔韧，耐磨，抗冲击，力学耐久性好；耐化学，耐热，耐光性能好，能防止各种辐射，在超高和超低温下，在高能热光辐射下材料的各项性能稳定，芳纶纤维织物是首选材料。

3.7 其他领域

芳纶的高强度、低密度的特性被应用于各个领域。在密封板材领域，用芳纶纤维代替石棉纤维制成的芳纶纤维增强橡胶密封板材具有较好的密封性能，对人体没有危害。在盘式制动垫研究方面，芳纶的摩擦损耗性能和内抗剪强度最好，有望在近几年应用与轿车后制动器和微型车的前制动器。船舶方面，可以用芳纶复合材料以减轻船体质量来提高船速；在建筑材料上，用芳纶代替石棉来增强水泥，取代金属材料，提供轻结构、高强度主体承重结构。

芳纶还可以用来制作宇航服、消防服等。现在还用芳纶代替钢丝制造水下电缆，特别是深海电缆。还将芳纶纤维加在混凝土柱子外部，抑制混凝土受破坏时的体积膨胀，提高强度和抗震性。

4 结语

芳纶作为20世纪高分子纤维界的一项重要发明，因为其高强度、低密度、耐高温等特性被应用于越来越多的领域。对它的研究主要在于将芳纶作为增强材料，制成复合材料方面，但是由于芳纶的制备和加工过程复杂，成本高，目前还不能得到广泛应用，由于芳纶纤维官能团少，与基体粘合差，必须经过边面处理或着加入粘合剂，这方面技术的研究发展可以扩大芳纶的应用领域。

来源：复材邦、内蒙古石油化工作者：夏于旻（上海东华大学材料学院）

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