趙春保（上海化工研究院技術開發中心）

　　
　　一、前言
　　目前，國際市場上一些公司依然熱衷于芳綸纖維項目的投資與擴建工作，如美國杜邦公司宣布擴大高性能對位芳綸的產能，該公司計劃投入5億美元，在位于南卡羅萊納州庫珀河的該公司設施內新建工廠，擴大其高性能對位芳綸(Para-aramid)纖維品牌“KEVLAR”的產能。Para-aramid主要被應用于產業及軍事領域還有如中國最大的間位芳綸纖維制造與供應商—煙臺氨綸股份有限公司用于防護服及過濾等高耐熱性、年產1500噸間位芳綸生產線擴能項目已經在2008年下半年勝利竣工，并已投入生產。此次擴能改造使該公司的間位芳綸總產能提升到4300噸/年。何謂芳綸纖維呢？芳綸纖維通稱為芳香族聚酰胺纖維，為區別脂肪族聚酰胺（通稱為尼龍），美國將芳香族聚酰胺稱為Aramid，將它制造的纖維稱為芳綸纖維。芳綸纖維主要品種有：聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，稱為芳綸1313，又稱為間位芳綸；聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，稱為芳綸1414。芳綸纖維廣泛應用于信息工業、土木建筑、密封填料、大型客機的結構材料及抗燃、耐熱的防護服等。據統計，目前芳綸產品用于防彈衣、頭盔等約占7%~8%，航空航天材料、體育用材料約占40%，輪胎骨架材料、傳送帶材料等約占20%，高強繩索等約占13%。而作為增強材料，芳綸纖維有其不可替代的作用。特別是在異彩紛呈的高性能纖維大家族中，芳綸以其卓越的耐熱阻燃性、電絕緣性和力學性能，兼有超高強度、高模量優異品種，成為先進防護材料和結構材料的重要基礎原料，不僅在航空、航天、國防、電子等尖端領域大顯身手，而且開辟出更加廣闊的民用空間，已成為當今世界用途最廣、產量最大、最有發展前途的高科技特種纖維。

　　二、芳綸纖維的發展歷史
　　芳綸纖維誕生于20世紀60年代末，最初作為宇宙開發材料和重要的戰略物資而秘不示人，平添了許多神秘色彩。冷戰結束后，芳綸作為高技術含量的纖維材料大量用于民生領域，才逐漸露出廬山真顏。芳綸最早由美國杜邦公司研制成功并實現工業化生產，其間位芳綸注冊為Nomex（諾美克斯），對位芳綸注冊為Kevlar（凱芙拉），二者分別在世界間位、對位芳綸領域占據著主導地位。例如防火纖維芳綸1313最早由美國杜邦公司研制成功，并于1967年實現了工業化生產，產品注冊為Nomex（諾美克斯）。這是一種柔軟潔白、纖細蓬松、富有光澤的纖維，外觀與普通化纖并無二致，卻集眾長于一身，擁有超乎尋常的“特異功能”。幾乎與防火纖維芳綸1313的發明同步，美國杜邦公司在20世紀60年代末研制出另一種高性能合成纖維-防彈纖維芳綸1414，其商品于1972年首次問世，定名為Kevlar（凱芙拉）。芳綸1414外觀呈金黃色，貌似閃亮的金屬絲線，實際上是由剛性長分子構成的液晶態聚合物。由于其分子鏈沿長度方向高度取向，并且具有極強的鏈間結合力，從而賦予纖維空前的高強度、高模量和耐高溫特性。芳綸1414的發現被認為是材料界發展的一個的重要進程碑。芳綸1414有極高的強度，大于28克/旦，是優質鋼材的5-6倍，模量是鋼材或玻璃纖維的2-3倍，韌性是鋼材的2倍，而重量僅為鋼材的1/5。（芳綸1414的的強韌性也使其裁切與加工異常困難，需要昂貴的專用工具）。長期以來，由于投資成本高、技術難度大，世界上僅美國、日本和前蘇聯有能力進行生產，工藝技術屬于絕密，產品被視為戰略物資而嚴加管制。目前，全球芳綸市場主要由美國杜邦公司、日本帝人公司以及煙臺氨綸股份有限公司三大芳綸供應商來瓜分。

　　三、芳綸纖維的分類與形態和性能
　　1.芳綸纖維的分類
　　芳綸纖維根據其化學結構的不同，可以分為兩種主要類型：一類是以耐熱性、難燃性為特征的間位芳綸，全稱為聚對間苯二甲酰間苯二胺，英文縮寫為PMTA，美國商品名為Nomex，我國稱為芳綸1313；一類是以高強度、高彈性模量、耐熱性為特征的對位芳綸，全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺，英文縮寫為PPTA，商品名美國為Kevlar，日本為Technora，荷蘭為Twaron，俄羅斯為Tevlon，我國稱為芳綸1414。
　　芳綸纖維是一種耐高溫的高強度高彈模特種纖維，兼有無機纖維的機械性能和有機纖維的加工性能，密度與聚酯纖維相當。同時還具有極好的耐化學腐蝕性，耐輻射性，耐疲勞性，尺寸穩定性等優良性能以及與橡膠樹脂一定的粘合性能。目前產品有漿粕和纖維兩種形態。成為航空航天、橡膠、樹脂工業、電子電器設備、運輸工具、體育器材及土木建筑等各種領域的新型材料。尤其以芳綸纖維制備的高性能芳綸紙復合材料可廣泛用作高級電器絕緣材料、印刷線路板及電磁波防護材料等而備受矚目。
　　2.芳綸纖維的形態
　　1414纖維為亮黃色，1313纖維為亮白色。分別具有短纖維（或長絲）和漿粕纖維（或稱沉析纖維）兩種纖維形態。長絲主要用于紡織、橡膠等領域，造紙行業中使用短纖維和漿粕纖維。
　　3.芳綸的應用特性
　　3.1不導電性
　　在現代的工程中，如地鐵、隧道、電氣化鐵路以及工業廠房等等，都對絕緣性要求很高，在這些工程的加固補強中，芳綸纖維有著絕對優勢，也給這些領域提供了一個最佳的選擇機會。
　　3.2耐腐蝕性好
　　特別是耐強堿腐蝕，是其他FRP復合材料不能相比的，由于在海水對混凝土結構有很強的腐蝕性，主要是因為里面含氯離子較多的緣故，導致混凝土碳化，鋼筋銹蝕膨脹，所以在一些海港碼頭工程的加固及防護中，芳綸纖維是最佳的選擇。
　　3.3抗沖擊性好
　　由于芳綸纖維的彈模是118Gpa，延性特別好，它的延伸率為1.8％，所以剛開始時它在國外是用作軍工產品，如防彈衣等。用它加固一些對沖擊性要求很嚴的結構中，如主航道的橋墩等。
　　3.4抗動載抗疲勞性能好
　　雖然碳纖維的抗拉強度非常高，但由于它是一種脆性材料，只能承受長期的靜荷載，如果長期承受動載，就不能保證它的強度了，芳綸纖維則不受這個限制，早期主要用于軍工產品，而且是防彈衣的主要材料，由于其韌性比較好，所以相應的其抗疲勞能力就非常好，另外，芳綸纖維的抗剪切能力也是所有FRP材料中最強的。
　　3.5施工方便
　　主要是以下幾個步驟，表面處理--涂刷底膠--底層浸漬樹脂--粘貼芳綸布--外層浸漬樹脂--表面防護，而且操作非常簡單。不需要大型的吊裝機械設備，一般不需要做倒角，方形柱子的倒角只要做10ram就可以了，因為芳綸是一種有機材料，與樹脂的浸潤性很好，且養護時間很短一般為幾個小時，而類似其它纖維則需要一至二周。

　　四、芳綸布在結構加固工程中應用的領域
　　1.梁
　　主要是橋梁和民用建筑或工業產房，加固的方式包括抗彎和抗剪，在進行抗彎加固時，芳綸布的纖維方向與梁的軸向一致，一般貼在梁的受拉側，以提高梁的承載能力。據有關試驗得出，只要該梁不是超筋梁，貼一層AK一40可以提高承載30％左右，貼兩層可以提高40％左右；在進行抗剪加固時，芳綸布的纖維方向與梁的軸向垂直。
　　2.柱子
　　芳綸布是一種理想的柱子加固材料，首先，因為芳綸的彈模是118Gpa，相對于碳纖維(彈模230Gpa)，所以它的延性較好；其次，在進行棱角打磨時一般只需要l0mm左右，一般不需打磨，而碳纖維則需要30rnm左右。芳綸就可以節約很多工時。最后，由于芳綸布是一種柔軟的布，所以追隨性很好，特別是對于形狀不規則的承臺，芳綸布是一種理想的加固材料。
　　3.砌體、板
　　一般對于板的加固凈空要求比較高，而且加固后要不影響其外觀，所以用厚度很薄且柔軟的FRP復合材料進行加固是一種理想的選擇。
　　4.煙囪、水塔
　　由于象煙囪水塔這樣向高空發展的結構，加固維修特別困難，傳統方法基本上很難解決這樣的問題，而輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的芳綸纖維就是一種很好的選擇。
　　5.地鐵隧道
　　由于地鐵和隧道是一種在地下工作的結構，所以它的受力與地面結構是不一樣的，在洞頂和洞測都有土的力的作用，而且它也有凈空的要求，所以進行裂縫修補時，傳統的加固方法可能性很小，用芳綸布進行加固維修就可以滿足它的各方面要求，因為在地鐵或隧道的拱定或側壁的裂縫一般是多向且不規則的，這就要求它的修復材料必須具有良好的抗剪性能才行，而且芳綸還是一種不導電的FRP材料，所以芳綸布在隧道地鐵工程中是一種最佳的選擇。

　　五、結束語
　　發展具有差別化、功能化、特殊意義的高性能纖維和特種纖維是21世紀的主要研究課題，芳香族聚酰胺纖維作為典型的高性能纖維必將得到全面的發展?，F代國防、消防、化工、冶金、水電、地礦、核工業等行業對具有隔熱、透氣、阻燃、耐溫、耐腐蝕的特種材料的需求也將造就一個潛在的巨大市場。通過改性、新型成型技術和差別化研究，進一步改善其壓縮強度、耐疲勞強度、彎曲模量、耐水耐光性能和表面粘合力，提高其使用性能，改善加工條件，降低生產成本，可以預計隨著芳綸纖維生產技術和應用技術的革新，與芳綸纖維相關的功能紡織品將會得到更廣泛的應用。特別是隨著我國國民經濟的飛速發展，現在及今后相當長的一段時期，各類橋梁及房屋建筑結構的維修、加固、改造將成為建設工程的側重點。目前國內常用的加固方法主要有以下幾種：纖維布復合材料加固、粘鋼板、體外預應力擴大截面等方法。芳綸纖維復合材料具有鮮明的特點，并且由于其性價比有明顯優勢，相信會越來越被廣泛地應用，成為舊危橋加固應用最廣的新技術。另外，軍用以及國防領域對該產品需求也出現了增長趨勢，從而使國際市場上的公司對新型芳綸纖維的研發工作也得到了進一步拓展，如2008年獲得的消息稱，美國杜邦公司發表新型芳綸纖維KelarXP。KelarXP通過新的織物技術及新的涂層技術，提高了防彈能力，作為防護面料其舒適性極佳。在杜邦及其獨立機構的試驗中，由11層KelarXP構成的防彈背心，在第三層就能擋住子彈，剩下的各層用來緩沖子彈的沖擊力，可減輕著用者的外傷。著用44口徑手槍用防彈服時，KelarXP能分散15%的子彈沖擊力，而且背心重量至少減輕10%。據杜邦公司介紹，目前市場上的輕質材料，通常是指20-40層的背心，其最低需要9層才能擋住子彈。