关于芳纶流传着一个故事:某仓库突发大火,仓库中的货物几乎完全焚为灰烬。而就在这一堆废墟中,人们惊讶地发现,大量芳纶纱线虽然被熏黑,但却依然完好无损。这个故事增添了芳纶的传奇色彩。由于芳纶最初属于航空航天和军事战略材料而秘不示人,人们日常接触的机会不多,对其了解可能也比较少。那么,芳纶到底是一种什么样的纤维材料呢?
芳纶是一种高性能的合成纤维,学名为芳香族聚酰胺纤维,于20世纪60年代由美国杜邦公司研发成功并商业化,在碳纤维出现之前,芳纶一直占据着高性能纤维市场。芳纶主要分为间位芳纶(芳纶1313)、对位芳纶(芳纶1414、芳纶Ⅱ)和杂环芳纶(芳纶Ⅲ)三大类,其化学结构有相似之处,但性能差异较大。其中,间位芳纶有“防火纤维”的美称,对位芳纶有“防弹纤维”的美称,杂环芳纶比前面两种芳纶的性能更优。
间位芳纶最突出的特点是耐高温,阻燃性和电绝缘性较好。其可在220℃高温下长期使用而不老化,电气性能与力学性能的有效性可保持10年之久,而且尺寸稳定性极佳。用间位芳纶制作的特种防护服,遇火时不燃烧、不滴熔、不发烟,具有优异的防火效果,可有效避免烧伤、烫伤等火灾危险造成的伤害,可为人员迅速撤离险境争取宝贵时间。尤其在突遇900~1500℃的高温时,布面会迅速碳化及增厚,形成特有的绝热屏障,保护穿着者逃生。若加入少量抗静电纤维或对位芳纶,还可有效防止布料爆裂,避免雷弧、电弧、静电、烈焰等危害。
用间位芳纶可制作飞行服、防化作战服、消防战斗服及炉前工作服、电焊工作服、均压服、防辐射工作服、化学防护服、高压屏蔽服等各种特殊防护服装,用于航空航天、军服、消防、石化、电气、燃气、冶金、赛车等诸多领域。除此之外,在发达国家,芳纶织物还普遍用作宾馆纺织品、救生通道、家用防火装饰品、熨衣板覆面、厨房手套以及保护老人儿童的难燃睡衣等。
对位芳纶问世稍晚,外观与聚酰亚胺纤维相似,呈金黄色,貌似闪亮的金属丝线。其分子链沿长度方向高度取向,并且具有极强的链间结合力,从而赋予其高强度、高模量和耐高温特性。对位芳纶强度是优质钢材的5~6倍,模量是钢材或玻璃纤维的2~3倍,韧性是钢材的2倍,而密度仅为钢材的1/5。其连续使用温度范围极宽,耐热性更胜间位芳纶一筹,且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性,生命周期很长。对位芳纶的发现被认为是材料界发展的一个重要里程碑。
对位芳纶首先被应用于国防军工等尖端领域。为适应现代战争及反恐的需要,许多发达国家军警的防弹衣、防弹头盔、防刺防割服、排爆服以及高强度降落伞、防弹车体、装甲板等均大量采用了对位芳纶。除军事领域外,对位芳纶还被广泛应用于航天航空、机电、通信、建筑、汽车、海洋水产、体育用品等国民经济各个方面。
与众多国外巨头企业相比,我国芳纶产业发展起步较晚,而且多数国家把芳纶作为战略物资在技术等方面进行严格的管制,以致我国芳纶产业的发展经过了漫长的技术突破期。由于技术、资源等原因,直到21世纪初,我国生产的间位芳纶才达到世界水平,而对位芳纶的性能与美国等国家还有差距。至于杂环芳纶,到2003年我国才研发成功。杂环芳纶的力学性能和与树脂的复合性能都比间位芳纶和对位芳纶高;同时具有良好的耐热性和尺寸稳定性,使用温度可达到300℃,且在350~400℃几乎不会发生收缩;其阻燃性能优异,极限氧指数可达39%~42%,比对位芳纶约高10%。
由于杂环芳纶具有多种独特的优异性能,近年来国内外对杂环芳纶及其复合材料进行了广泛的研究,杂环芳纶制备与应用技术的难题不断被攻克,其复合材料的应用也越来越广泛。杂环芳纶及其复合材料已成为各国航空航天、国防军工的关键战略物资。目前,我国的杂环芳纶已应用于固体火箭发动机壳体,可减轻发动机质量。杂环芳纶有优异的高抗冲击性及轻量化等特点,其抗弹能力更强,在防弹衣、防弹头盔、坦克、方舱和防弹装甲车等领域有着更广阔的应用前景。如杂环芳纶层压板应用在方舱上,能使方舱承受更大的压力和防洞穿,可承受核爆炸产生的压力波和热辐射高温。
近年来,技术迅猛发展为芳纶及其复合材料开辟了更多的民用空间,在通信、建筑、汽车、体育用品等民用方面的应用市场也已形成规模化。如用其制作的轮胎帘子线特别适合载重汽车和飞机的轮胎;制成的防护服装、防护手套等安全防护装备,能有效抵御高温、火焰、电弧等作业伤害,最大限度保护劳动者安全;应用于高铁、动车、地铁等高速轨道交通工具的动力牵引、摩擦制动、车体结构、阻燃内饰等系统的关键部件,可有效提高车辆的安全性、舒适性及使用寿命;还可应用于光纤光缆、新型手机电池等信息及通信产品的增强或绝缘。