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趙春保（上?；ぱ芯吭杭夹g(shù)開發(fā)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(xiàng)目的投資與擴(kuò)建工作，如美國杜邦公司宣布擴(kuò)大高性能對位芳綸的產(chǎn)能，該公司計(jì)劃投入5億美元，在位于南卡羅萊納州庫珀河的該公司設(shè)施內(nèi)新建工廠，擴(kuò)大其高性能對位芳綸(Para-aramid)纖維品牌“KEVLAR”的產(chǎn)能。Para-aramid主要被應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)及軍事領(lǐng)域還有如中國最大的間位芳綸纖維制造與供應(yīng)商—煙臺氨綸股份有限公司用于防護(hù)服及過濾等高耐熱性、年產(chǎn)1500噸間位芳綸生產(chǎn)線擴(kuò)能項(xiàng)目已經(jīng)在2008年下半年勝利竣工，并已投入生產(chǎn)。此次擴(kuò)能改造使該公司的間位芳綸總產(chǎn)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(qū)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(yīng)用于信息工業(yè)、土木建筑、密封填料、大型客機(jī)的結(jié)構(gòu)材料及抗燃、耐熱的防護(hù)服等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前芳綸產(chǎn)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(qiáng)繩索等約占13%。而作為增強(qiáng)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(xué)性能，兼有超高強(qiáng)度、高模量優(yōu)異品種，成為先進(jìn)防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)材料的重要基礎(chǔ)原料，不僅在航空、航天、國防、電子等尖端領(lǐng)域大顯身手，而且開辟出更加廣闊的民用空間，已成為當(dāng)今世界用途最廣、產(chǎn)量最大、最有發(fā)展前途的高科技特種纖維。

　　二、芳綸纖維的發(fā)展歷史
　　芳綸纖維誕生于20世紀(jì)60年代末，最初作為宇宙開發(fā)材料和重要的戰(zhàn)略物資而秘不示人，平添了許多神秘色彩。冷戰(zhàn)結(jié)束后，芳綸作為高技術(shù)含量的纖維材料大量用于民生領(lǐng)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，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(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品注冊為Nomex（諾美克斯）。這是一種柔軟潔白、纖細(xì)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(fā)明同步，美國杜邦公司在20世紀(jì)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(shí)際上是由剛性長分子構(gòu)成的液晶態(tài)聚合物。由于其分子鏈沿長度方向高度取向，并且具有極強(qiáng)的鏈間結(jié)合力，從而賦予纖維空前的高強(qiáng)度、高模量和耐高溫特性。芳綸1414的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是材料界發(fā)展的一個(gè)的重要進(jìn)程碑。芳綸1414有極高的強(qiáng)度，大于28克/旦，是優(yōu)質(zhì)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(qiáng)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(shù)難度大，世界上僅美國、日本和前蘇聯(lián)有能力進(jìn)行生產(chǎn)，工藝技術(shù)屬于絕密，產(chǎn)品被視為戰(zhàn)略物資而嚴(yán)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(yīng)商來瓜分。

　　三、芳綸纖維的分類與形態(tài)和性能
　　1.芳綸纖維的分類
　　芳綸纖維根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(qiáng)度高彈模特種纖維，兼有無機(jī)纖維的機(jī)械性能和有機(jī)纖維的加工性能，密度與聚酯纖維相當(dāng)。同時(shí)還具有極好的耐化學(xué)腐蝕性，耐輻射性，耐疲勞性，尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)良性能以及與橡膠樹脂一定的粘合性能。目前產(chǎn)品有漿粕和纖維兩種形態(tài)。成為航空航天、橡膠、樹脂工業(yè)、電子電器設(shè)備、運(yùn)輸工具、體育器材及土木建筑等各種領(lǐng)域的新型材料。尤其以芳綸纖維制備的高性能芳綸紙復(fù)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(hù)材料等而備受矚目。
　　2.芳綸纖維的形態(tài)
　　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(tài)。長絲主要用于紡織、橡膠等領(lǐng)域，造紙行業(yè)中使用短纖維和漿粕纖維。
　　3.芳綸的應(yīng)用特性
　　3.1不導(dǎo)電性
　　在現(xiàn)代的工程中，如地鐵、隧道、電氣化鐵路以及工業(yè)廠房等等，都對絕緣性要求很高，在這些工程的加固補(bǔ)強(qiáng)中，芳綸纖維有著絕對優(yōu)勢，也給這些領(lǐng)域提供了一個(gè)最佳的選擇機(jī)會。
　　3.2耐腐蝕性好
　　特別是耐強(qiáng)堿腐蝕，是其他FRP復(fù)合材料不能相比的，由于在海水對混凝土結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的腐蝕性，主要是因?yàn)槔锩婧入x子較多的緣故，導(dǎo)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(hù)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(shí)它在國外是用作軍工產(chǎn)品，如防彈衣等。用它加固一些對沖擊性要求很嚴(yán)的結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(qiáng)度了，芳綸纖維則不受這個(gè)限制，早期主要用于軍工產(chǎn)品，而且是防彈衣的主要材料，由于其韌性比較好，所以相應(yīng)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(qiáng)的。
　　3.5施工方便
　　主要是以下幾個(gè)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(hù)，而且操作非常簡單。不需要大型的吊裝機(jī)械設(shè)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?yàn)榉季]是一種有機(jī)材料，與樹脂的浸潤性很好，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間很短一般為幾個(gè)小時(shí)，而類似其它纖維則需要一至二周。

　　四、芳綸布在結(jié)構(gòu)加固工程中應(yīng)用的領(lǐng)域
　　1.梁
　　主要是橋梁和民用建筑或工業(yè)產(chǎn)房，加固的方式包括抗彎和抗剪，在進(jìn)行抗彎加固時(shí)，芳綸布的纖維方向與梁的軸向一致，一般貼在梁的受拉側(cè)，以提高梁的承載能力。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)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(jìn)行抗剪加固時(shí)，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?yàn)榉季]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(jìn)行棱角打磨時(shí)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(jié)約很多工時(shí)。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(guī)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(fù)合材料進(jìn)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(fā)展的結(jié)構(gòu)，加固維修特別困難，傳統(tǒng)方法基本上很難解決這樣的問題，而輕質(zhì)高強(qiáng)、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(jié)構(gòu)，所以它的受力與地面結(jié)構(gòu)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(jìn)行裂縫修補(bǔ)時(shí)，傳統(tǒng)的加固方法可能性很小，用芳綸布進(jìn)行加固維修就可以滿足它的各方面要求，因?yàn)樵诘罔F或隧道的拱定或側(cè)壁的裂縫一般是多向且不規(guī)則的，這就要求它的修復(fù)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(dǎo)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(jié)束語
　　發(fā)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(jì)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(fā)展?，F(xiàn)代國防、消防、化工、冶金、水電、地礦、核工業(yè)等行業(yè)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(gè)潛在的巨大市場。通過改性、新型成型技術(shù)和差別化研究，進(jìn)一步改善其壓縮強(qiáng)度、耐疲勞強(qiáng)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(chǎn)成本，可以預(yù)計(jì)隨著芳綸纖維生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的革新，與芳綸纖維相關(guān)的功能紡織品將會得到更廣泛的應(yīng)用。特別是隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在及今后相當(dāng)長的一段時(shí)期，各類橋梁及房屋建筑結(jié)構(gòu)的維修、加固、改造將成為建設(shè)工程的側(cè)重點(diǎn)。目前國內(nèi)常用的加固方法主要有以下幾種：纖維布復(fù)合材料加固、粘鋼板、體外預(yù)應(yīng)力擴(kuò)大截面等方法。芳綸纖維復(fù)合材料具有鮮明的特點(diǎn)，并且由于其性價(jià)比有明顯優(yōu)勢，相信會越來越被廣泛地應(yīng)用，成為舊危橋加固應(yīng)用最廣的新技術(shù)。另外，軍用以及國防領(lǐng)域?qū)υ摦a(chǎn)品需求也出現(xiàn)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(fā)工作也得到了進(jìn)一步拓展，如2008年獲得的消息稱，美國杜邦公司發(fā)表新型芳綸纖維KelarXP。KelarXP通過新的織物技術(shù)及新的涂層技術(shù)，提高了防彈能力，作為防護(hù)面料其舒適性極佳。在杜邦及其獨(dú)立機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)中，由11層KelarXP構(gòu)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(shí)，KelarXP能分散15%的子彈沖擊力，而且背心重量至少減輕10%。據(jù)杜邦公司介紹，目前市場上的輕質(zhì)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。