第29卷第5期 高科技纤维与应用 Vol 29 No 5 2004年10月 Hi-Tech Fiber Application Oct.2004 新型高性能纤维一芳纶 余艳娥,谭艳君 (西安工程科技学院,陕西西安710048) 摘要:主要介绍了芳纶的性能、特点及在工业中的应用,同时简述其染色方法和表面改性。 关键词:芳纶;应用;性能;特点;染色;表面改性 中图分类号:TQ342.722 献标识码:A文章编号:10079815(2004)05003703 芳纶是一种高强度,高模量,低密度和耐磨 Technora(帝人)、 Twaron(原 Akzo Nobel, 性好的有机合成的高科技纤维。它的全称是芳香现并入帝人)等;间位芳纶主要有杜邦的 Nomex 族聚酰胺纤维。1974年,美国贸易联合会(帝人的 Conex等 FIC为 U.S. Federal Trade Commission的缩写)2.1对位芳纶 将他们命名为“ Aramid fibers”,我国称为芳 对位芳纶的主链结构具有高度的规则性,大 纶。其定义是:至少有85%的酰胺链(CONH-)分子是以十分伸展的状态存在,它具有耐高温 直接与两苯环相连接。根据此定义,可把主要化防火、耐化学腐蚀及高的力学性能和抗疲劳性。 学链和环链脂肪基的一般聚酰胺聚合物和其清楚它的强度为钢的3倍,为强度较高的涤纶工业丝 的分开 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 1芳纶的发展 150℃温度下收缩率为0。它在高温下仍能保持 较高的强度,如在260℃温度下仍可保持原强度 20世纪60年代初,美国杜邦公司首先开发出的65%。纤维主要性能如表1 具有优良热稳定性的间位芳纶一HF-1,即 Nomex2.2间位芳纶 纤维;1966年,该公司又生产出了对位芳纶即 间位芳纶的大分子链呈锯齿状,它具有优良 Kevlar纤维;1972年日本帝人公司生产出对位芳的物理和力学性能,如强度、断后延伸率等。同时 纶 Conex纤维;1986年荷兰Akz0公司生产出还拥有极佳的耐火和耐氧化性。它在260℃温度 Twaron纤维;1987年日本帝人公司生产出连续使用100h后,其强度仍能保持原强度的 Technora纤维。而中国于1972年开始进行芳纶的65%;在300℃高温下使用7d,仍能保持原强 研制工作,并于1981年通过芳纶14的鉴定 度的50%;它的0强度约为500℃;在火焰中难 1985年又通过芳纶1414的鉴定,他们分别相当于以燃烧,离开火焰后具有自熄性;它在酸、碱、漂 美国杜邦公司的 Kevlar29和 Kevlar49 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。纤维主要性能如表1 2芳纶的品种和性能 3芳纶的主要用途 芳纶可分为邻位、间位及对位3种,而邻位 无商业价值。对位芳纶主要有 Kevlar(杜邦), 由于芳纶其独特的物理和化学性能,使得其 收稿日期:2004-09-16;修定日期:2004-10-05 作者简介∶余艳娥(1981-),女,安徽潜山人,硕士研究生,主修染整新工艺及染整助剂专业 o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 5 期 , 余艳娥 谭艳君：新型高性能纤维－芳纶 - 37 - 芳纶是一种高强度，高模量，低密度和耐磨 性好的有机合成的高科技纤维。它的全称是芳香 族聚酰胺纤维 。 1974 年，美国贸易联合会（ FTC. 为 U.S.Federal Trade Commission 的缩写） 将他们命名为 “ Aramid fibers”，我国称为芳 纶。其定义是：至少有 85 % -CONH- 的酰胺链（ ） 直接与两苯环相连接。根据此定义，可把主要化 学链和环链脂肪基的一般聚酰胺聚合物和其清楚 的分开。 1 芳纶的发展 20 世纪 60 年代初，美国杜邦公司首先开发出 具有优良热稳定性的间位芳纶－HF-1 ， 即 Nomex 纤 维 ；1966 年，该公司又生产出了对位芳纶即 Kevlar 1972 纤维； 年日本帝人公司生产出对位芳 纶 Conex 1986 纤 维 ； 年 荷 兰 Akzo 公司生产出 Twaron 1987 纤 维 ； 年日本帝人公司生产出 Technora 纤维。而中国于 1972 年开始进行芳纶的 研制工作，并 于 1981 年通过芳 纶 14 的鉴定， 1985 年又通过芳纶 1414 的鉴定，他们分别相当于 美国杜邦公司的和。 Kevlar 29 Kevlar 49 2 芳纶的品种和性能 芳纶可分为邻位、间位及对位 3 种，而邻位 无商业价值。对位芳纶主要有 Kevlar（杜邦）， Technora（帝人） 、Twaron （原 ， Akzo Nobel 现并入帝人）等；间位芳纶主要有杜邦的 、 Nomex 帝人的 Conex 等。 2.1 对位芳纶[7] 对位芳纶的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。 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 0。它在高温下仍能保持 较高的强度，如在 260 ℃ 温度下仍可保持原强度 的 65 % 。纤维主要性能如表 。1 2.2 间位芳纶 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。同时 还拥有极佳的耐火和耐氧化性。它在 260 ℃ 温 度 连续使用 1 000 h 后，其强度仍能保持原强度的 65 % ；在 300 ℃ 高温下使用 7 d，仍能保持原强 度的 50 % ；它的 0 强度约为 500 ℃；在火焰中难 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。纤维主要性能如表 。 1 3 芳纶的主要用途 由于芳纶其独特的物理和化学性能，使得其 新型高性能纤维--芳纶 余艳娥，谭艳君 （西安工程科技学院，陕西 西安 ） 710048 摘 要 : 主要介绍了芳纶的性能、特点及在工业中的应用，同时简述其染色方法和表面改性。 关键词: 芳纶；应用；性能；特点；染色；表面改性 中图分类号: TQ 342.722 文献标识码: A 文章编号: 1007-9815（ ） 2004 05-0037-03 第 29 卷 第 期 5 2004 年 月 10 高科技纤维与应用 Hi - Tech Fiber & Application Vol.29 No.5 Oct. 2004 收稿日期: 2004-09-16；修定日期: 2004-10-05 作者简介: 1981- 余艳娥（ ），女，安徽潜山人，硕士研究生，主修染整新工艺及染整助剂专业
高科技纤维与应用 第29卷 广泛用于国防、航空、航天、造船、体育器材、消防服等:耐热制品如芳纶增强的橡胶传送带 汽车、建筑等工业 其他诸如雷达天线、增强混凝土构件以及高性能 3.1航空、航天和军需工业 的绳索如降落伞绳等。 芳纶可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4芳纶的染色 作机内天花板、舱壁等,可减轻其质量。芳纶复 合材料可制造导弹的固体火箭发动机壳、压力容 芳纶是聚苯二酰苯二胺纤维,通常可用分散 器、宇宙飞船驾驶舱、潜艇、防弹装甲车、防弹染料进行染色,但因其玻璃化温度很高,所以常用 运钞车、防弹板、防弹头盔、防弹衣等 高温高压法染色;又因其含有CONH-键,可以 3.2建筑业 用酸性染料染色;而其在碱性条件下可以电离出 在建筑工业上,可用芳纶取代石棉来增强水COO负离子,所以也可以用阳离子染料染色。 泥,也可取代金属材料提供轻结构、高强度构 件,以及对结构进行加固补强。 5芳纶的表面改性 3.3体育器材方面 可制作拳击手套、登山鞋靴、网球拍、高尔 芳纶是一种由高度取向结晶微区组成的材 夫球棒、钓鱼竿、滑雪撬等 料,具有一些缺陷和空隙,但没有无定形区。由 3.4信息技术产业 于分子链段中的庞大苯环的位阻作用,使得酰胺 可用作光缆中的张力构件即芯棒,可保护光基团较难发生反应,因而芳纶同树脂基体的粘合 纤在受到拉力不致伸长,从而不使光传输性能受性很差,必须对其进行表面改性。表面改性方法 到伤害 主要有物理改性和化学改性两种。物理改性是通 3.5汽车工业 过等离子体、电子束等方法对纤维表面作处理 可用于制作汽车和飞机的轮胎帘子线和高温改善纤维表面的物理和化学状态,进而加强纤维 高压橡胶管骨架,还可替代石棉来制造刹车片、和基体的相互作用;化学改性则是在纤维表面引 离合器、整流器等等,以降低石棉对环境及人体入活性或极性基团,通过化学键合或极性作用来 健康的伤害 提高纤维与基体的粘合强度 3.6造船工业 芳纶复合材料可制造快艇、帆船、赛艇等,6目前存在的问题 以减轻船艇质量来提高船速。 3.7其它方面的应用 芳纶作为一种新型的高性能特种纤维,在许 芳纶还可以用来制作防护服装,如宇航服、多行业有着广阔的发展前景。目前我国对芳纶生 表1世界各国生产的主要芳纶的性能比较 商品名 抗拉强度 抗拉模量 断后伸长率 /(g GPa GPa Kevlar -29 144 2.9 Kevlar-49 145 2.8 130 Kevlar-149 147 2.3 1.5 N 157 0.34 144~1.45 2.8 80~125 3.3~2.0 Technora 139 3.4 4.6 芳纶1414 1.43 2.98 103 2.7 o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
- 38 - 高科技纤维与应用 第 卷 29 广泛用于国防、航空、航天、造船、体育器材、 汽车、建筑等工业。 3.1 航空、航天和军需工业 芳纶可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，可减轻其质量。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。 3.2 建筑业 在建筑工业上，可用芳纶取代石棉来增强水 泥，也可取代金属材料提供轻结构、高强度构 件，以及对结构进行加固补强。 3.3 体育器材方面 可制作拳击手套、登山鞋靴、网球拍、高尔 夫球棒、钓鱼竿、滑雪撬等。 3.4 信息技术产业 可用作光缆中的张力构件即芯棒，可保护光 纤在受到拉力不致伸长，从而不使光传输性能受 到伤害。 3.5 汽车工业 可用于制作汽车和飞机的轮胎帘子线和高温 高压橡胶管骨架，还可替代石棉来制造刹车片、 离合器、整流器等等，以降低石棉对环境及人体 健康的伤害。 3.6 造船工业 芳纶复合材料可制造快艇、帆船、赛艇等， 以减轻船艇质量来提高船速。 3.7 其它方面的应用 芳纶还可以用来制作防护服装，如宇航服、 消防服等；耐热制品如芳纶增强的橡胶传送带； 其他诸如雷达天线、增强混凝土构件以及高性能 的绳索如降落伞绳等。 4 芳纶的染色 芳纶是聚苯二酰苯二胺纤维，通常可用分散 染料进行染色，但因其玻璃化温度很高，所以常用 高温高压法染色；又因其含有 -CONH- 键，可以 用酸性染料染色；而其在碱性条件下可以电离出 -COO 负离子，所以也可以用阳离子染料染色。 5 芳纶的表面改性 芳纶是一种由高度取向结晶微区组成的材 料，具有一些缺陷和空隙，但没有无定形区。由 于分子链段中的庞大苯环的位阻作用，使得酰胺 基团较难发生反应，因而芳纶同树脂基体的粘合 性很差，必须对其进行表面改性。表面改性方法 主要有物理改性和化学改性两种。物理改性是通 过等离子体、电子束等方法对纤维表面作处理， 改善纤维表面的物理和化学状态，进而加强纤维 和基体的相互作用；化学改性则是在纤维表面引 入活性或极性基团，通过化学键合或极性作用来 提高纤维与基体的粘合强度。 6 目前存在的问题 芳纶作为一种新型的高性能特种纤维，在许 多行业有着广阔的发展前景。目前我国对芳纶生 表 1 世界各国生产的主要芳纶的性能比较 商品名 密 度 / (g·cm ) 抗拉强度 / GPa 抗拉模量 / GPa 断后伸长率 / % Kevlar-29 1.44 2.9 72 3.6 Kevlar-49 1.45 2.8 130 2.4 Kevlar-149 1.47 2.3 144 1.5 Nomex 1.57 0.34 6.0 31 Twaron 1.44～1.45 2.8 80～125 3.3～2.0 Technora 1.39 3.4 72 4.6 芳纶 1414 1.43 2.98 103 2.7 -3
第5期 余艳娥,谭艳君:新型高性能纤维一芳纶 产和应用的研发已取得了一定的成果,但是与国4甄小阿·芳纶浅述·纺织导报,1997,(2):14-1 外芳纶比较起来,还有许多缺点。首先,国产芳5沙中瑛,于振环,宋威芳纶纤维在轮胎工业中的应 纶易断头,表面易起毛,吸湿性差,而且生产规 用同.弹性体,2004,14(1):62~6 模小、品种和规格少,工程应用设计可选择余地 6靳武刚.芳纶纤维复合材料在天线工程中的应用 电子机械工程,203,19(1:36~40. 小;其次,芳纶的表面处理技术还不够成熟。还7]黄乃科,王曙中对位芳纶在防护纺织品中的应用 有,芳纶韧性大,其复合材料的机械加工性能 发展J-高科技纤维与应用,2001,26(1):23~27 差,常规机械加工方法难以加工。所以,尚需要8l毕鸿章.对位型芳纶的性能和应用围高科技纤维与 应用,1998,23(6:40~44. 对其做进一步的研究。 19】陈平,蔡金刚,芳纶纤维及其织物复合材料在电子电 气领域中的应用|J,纤维复合材料,1994,(4):48 参考文献: I10胡福田,程江,文秀防,等·芳纶纤维在高性能覆铜板 l毕鸿章·芳纶纤维复合材料及其应用概况lJ]-建材工 中的应用围绝缘材料,2004,(1):43~44 业信息,1996,(3):8~9. l南九红, Kevlar-光纤光缆和电缆用新材料|J光纤 2 High-Perfomance Fibers J. Asian Textile business, 与电缆及其应用技术,1996,(5):29~35. 2001:11~14. 12】严志云,刘安华,贾德民.芳纶纤维的表面处理及其 3]黄兴山.芳纶的性能、应用和生产J化工时刊, 在橡胶工业中的应用J,橡胶工业,2004,51(1):56 New high performance fiber--polyarmid fiber YU Yan-e; TAN Yan-jun (Xi'an University of Science Technology, Xi'an 710048 China) Abstract: This paper primarily introduces the poperty. Characteristics and application industry of polyarmid fiber, meanwhile briefly explains its method of dying and treatment in its surface Key words: polyarmid fiber; application; poperty; characteristics; dying; treatment surface (上接36页) Application of carbon fiber reinforced composite SU Xiao-ping ( Center for Materials Research and Analysis, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070 China) Abstract: Today, carbon fiber reinforced composite has been a focus of material science, because of its excellent integrative properties. In this paper, the concept and properties of carbon fiber are introduced. At the same time, as structural material, structural-functional material and functional material, some usages of CFRP are discussed Key words: carbon fiber; carbon fiber reinforced material; structural material structural-functional material: functional material o1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第 5 期 , 余艳娥 谭艳君：新型高性能纤维－芳纶 - 39 - 产和应用的研发已取得了一定的成果，但是与国 外芳纶比较起来，还有许多缺点。首先，国产芳 纶易断头，表面易起毛，吸湿性差，而且生产规 模小、品种和规格少，工程应用设计可选择余地 小；其次，芳纶的表面处理技术还不够成熟。还 有，芳纶韧性大，其复合材料的机械加工性能 差，常规机械加工方法难以加工。所以，尚需要 对其做进一步的研究。 参考文献: [1] . 毕鸿章 [J]. 芳纶纤维复合材料及其应用概况 建材工 业信息 ～ , 1996, (3): 8 9. [2] High-Perfomance Fibers[J]. Asian Textile Business, 2001: 11～14. [3] . 黄兴山 [J]. 芳纶的性能、应用和生产 , 化工时刊 2002. [4] . 甄小阿 [J]. 芳纶浅述 , 纺织导报 ～ 1997, (2): 14 17. [5] , 沙中瑛 , 于振环 . 宋威 芳纶纤维在轮胎工业中的应 用[J]. , 弹性体 ～ 2004, 14(1): 62 65. [6] . 靳武刚 [J]. 芳纶纤维复合材料在天线工程中的应用 电子机械工程 ～ , 2003, 19(1): 36 40. [7] , 黄乃科 . 王曙中 对位芳纶在防护纺织品中的应用和 发展[J]. , 高科技纤维与应用 ～ 2001, 26(1): 23 27. [8] . 毕鸿章 [J]. 对位型芳纶的性能和应用 高科技纤维与 应用 ～ , 1998, 23(6): 40 44. [9] , 陈平 . 蔡金刚 芳纶纤维及其织物复合材料在电子电 气领域中的应用[J]. , 纤维复合材料 ～ 1994, (4): 48 53. [10] , 胡福田 , 程江 , 文秀防 等. 芳纶纤维在高性能覆铜板 中的应用[J]. , 绝缘材料 ～ 2004, (1): 43 44. [11] . 南九红 Kevlar--光纤光缆和电缆用新材料[J]. 光纤 与电缆及其应用技术 ～ , 1996, (5): 29 35. [12] , 严志云 , 刘安华 . 贾德民 芳纶纤维的表面处理及其 在橡胶工业中的应用 [J]. , 橡胶工业 2004, 51(1): 56 ～60. New high performance fiber--polyarmid fiber YU Yan-e; TAN Yan-jun (Xi'an University of Science & Technology, Xi'an 710048 China) Abstract: This paper primarily introduces the poperty. Characteristics and application in industry of polyarmid fiber,meanwhile briefly explains its method of dying and treatment in its surface. Key words: polyarmid fiber; application; poperty; characteristics; dying; treatment in surface Application of carbon fiber reinforced composite SU Xiao-ping (Center for Materials Research and Analysis, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070 China) Abstract: Today, carbon fiber reinforced composite has been a focus of material science, because of its excellent integrative properties. In this paper, the concept and properties of carbon fiber are introduced. At the same time, as structural material, structural-functional material and functional material, some usages of CFRP are discussed. Key words: carbon fiber; carbon fiber reinforced material; structural material; structural-functional material; functional material （上接 36 页）