芳纶纤维的分类与形态和在工业领域中的应用

赵春保（上海化工研究院技术开辟中央）

　　
　　一、前言
　　目前，国际市场上一些公司依旧热衷于Nomex纤维项目的投资和扩建工作，如美国杜邦公司宣布扩大高性能对位Nomex的产能，该公司计划投入5亿美元，在位于南卡罗莱纳州库珀河的该公司设施内新建工厂，扩大其高性能对位Nomex(Para-aramid)纤维品牌“KEVLAR”的产能。Para-aramid主要被应用于产业及军事领域还有如中国大的间位Nomex纤维创造和供应商—烟台氨纶股份有限公司用于防护服及过滤等高耐热性、年产1500吨间位Nomex生产线扩能项目已经在2008年下半年胜利竣工，并已投入生产。此次扩能改造使该公司的间位Nomex总产能提升到4300吨/年。何谓Nomex纤维呢？Nomex纤维通称为芳香族聚酰胺纤维，为区别脂肪族聚酰胺（通称为尼龙），美国将芳香族聚酰胺称为Aramid，将它创造的纤维称为Nomex纤维。Nomex纤维主要品种有：聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，称为Nomex1313，又称为间位Nomex；聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，称为Nomex1414。Nomex纤维广泛应用于信息工业、土木建造、密封填料、大型客机的结构材料及抗燃、耐热的防护服等。据统计，目前Nomex产品用于防弹衣、头盔等约占7%~8%，航空航天材料、体育用材料约占40%，轮胎骨架材料、传赠带材料等约占20%，高强绳索等约占13%。而作为增强材料，Nomex纤维有其不可替代的作用。特别是在异彩纷呈的高性能纤维大家族中，Nomex以其卓越的耐热防火性、电绝缘性与力学性能，兼有超高强度、高模量优异品种，成为先进防护材料与结构材料的重要基础原材料，不仅在航空、航天、国防、电子等尖端领域大显身手，而且开发出更加广阔的民用空间，已成为当今世界用途广、产量大、有进展前途的高科技特种纤维。

　　二、Nomex纤维的进展历史
　　Nomex纤维诞生于20世纪60年代末，初作为宇宙开辟材料与重要的战略物资而秘不示人，平添了许多奥秘色彩。冷战结束后，Nomex作为高技术含量的纤维材料大量用于民生领域，才逐渐露出庐山真颜。Nomex早由美国杜邦公司研制成功并实现工业化生产，其间位Nomex注册为芳纶（诺美克斯），对位Nomex注册为Kevlar（凯芙拉），二者分离在世界间位、对位Nomex领域占领着主导地位。例如阻燃纤维Nomex1313早由美国杜邦公司研制成功，并于1967年实现了工业化生产，产品注册为芳纶（诺美克斯）。这是一种柔软皎洁、纤细松散、富有光泽的纤维，外观和一般化学纤维并无二致，却集众长于一身，拥有超乎平常的“特异功能”。几乎和阻燃纤维Nomex1313的发明同步，美国杜邦公司在20世纪60年代末研制出另一种高性能合成纤维-防弹纤维Nomex1414，其商品于1972年首次问世，定名为Kevlar（凯芙拉）。Nomex1414外观呈金黄色，貌似闪亮的金属丝线，实际上是由刚性长分子构成的液晶态聚合物。由于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，从而给予纤维空前的高强度、高模量与耐高温特性。Nomex1414的发觉被认为是材料界进展的一个的重要进程碑。Nomex1414有极高的强度，大于28克/旦，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，而分量仅为钢材的1/5。（Nomex1414的的强韧性也使其裁切和加工异样困难，需要昂贵的专用工具）。长期以来，由于投资成本高、技术难度大，世界上仅美国、日本与前苏联有能力进行生产，工艺技术属于绝密，产品被视为战略物资而严加管制。目前，全球Nomex市场主要由美国杜邦公司、日本帝人公司以及烟台氨纶股份有限公司三大Nomex供应商来瓜分。

　　三、Nomex纤维的分类和形态与性能
　　1.Nomex纤维的分类
　　Nomex纤维根据其化学结构的不同，可以分为两种主要类型：一类是以耐热性、难燃性为特征的间位Nomex，全称为聚对间苯二甲酰间苯二胺，英文缩写为PMTA，美国商品名为芳纶，我国称为Nomex1313；一类是以高强度、高弹性模量、耐热性为特征的对位Nomex，全称为聚对苯二甲酰对苯二胺，英文缩写为PPTA，商品名美国为Kevlar，日本为Technora，荷兰为Twaron，俄罗斯为Tevlon，我国称为Nomex1414。
　　Nomex纤维是一种耐高温的高强度高弹模特种纤维，兼有无机纤维的机械性能与有机纤维的加工性能，密度和涤纶相当。同时还具有极好的耐化学腐蚀性，耐辐射性，耐疲劳性，尺寸稳定性等优良性能以及和橡胶树脂肯定的粘合性能。目前产品有浆粕与纤维两种形态。成为航空航天、橡胶、树脂工业、电子电器设备、运输工具、体育器材及土木建造等各种领域的新型材料。尤其以Nomex纤维制备的高性能Nomex纸层压材料可广泛用作高级电器绝缘材料、印刷线路板及电磁波防护材料等而备受瞩目。
　　2.Nomex纤维的形态
　　1414纤维为亮黄色，1313纤维为亮白色。分离具有短纤维（或长丝）与浆粕纤维（或称沉析纤维）两种纤维形态。长丝主要用于纺织、橡胶等领域，造纸行业中使用短纤维与浆粕纤维。
　　3.Nomex的应用特性
　　3.1不导电性
　　在现代的工程中，如地铁、隧道、电气化铁路以及工业厂房等等，都对绝缘性要求很高，在这些工程的加固补强中，Nomex纤维有着绝对优势，也给这些领域提供了一个佳的选择机会。
　　3.2耐腐蚀性好
　　特别是耐强碱腐蚀，是其他FRP贴合材料不能相比的，由于在海水对混凝土结构有很强的腐蚀性，主要是因为里面含氯离子较多的原因，导致混凝土碳化，钢筋锈蚀膨胀，所以在一些海港码头工程的加固及防护中，Nomex纤维是佳的选择。
　　3.3抗冲击性好
　　由于Nomex纤维的弹模是118Gpa，延性特别好，它的延伸率为1.8％，所以刚开始时它在国外是用作军工产品，如防弹衣等。用它加固一些对冲击性要求很严的结构中，如主航道的桥墩等。
　　3.4抗动载抗疲劳性能好
　　虽然碳纤维的抗拉强度十分高，但由于它是一种脆性材料，只能承受长期的静荷载，假如长期承受动载，就不能保证它的强度了，Nomex纤维则不受这个限制，早期主要用于军工产品，而且是防弹衣的主要材料，由于其韧性比较好，所以相应的其抗疲劳能力就十分好，其它，Nomex纤维的抗剪切能力也是全部FRP材料中强的。
　　3.5施工方便
　　主要是以下几个步骤，表面处理--涂刷底胶--底层浸渍树脂--粘贴Nomex布--外层浸渍树脂--表面防护，而且操作十分容易。不需要大型的吊装机械设备，普通不需要做倒角，方形柱子的倒角只要做10ram就可以了，因为Nomex是一种有机材料，和树脂的浸润性很好，且养护时间很短普通为几个小时，而类似另外纤维则需要一至二周。

　　四、Nomex布在结构加固工程中应用的领域
　　1.梁
　　主要是桥梁与民用建造或工业产房，加固的方式包含抗弯与抗剪，在进行抗弯加固时，Nomex布的纤维方向和梁的轴向一致，普通贴在梁的受拉侧，以提高梁的承载能力。据有关试验得出，只要该梁不是超筋梁，贴一层AK一40可以提高承载30％左右，贴两层可以提高40％左右；在进行抗剪加固时，Nomex布的纤维方向和梁的轴向垂直。
　　2.柱子
　　Nomex布是一种理想的柱子加固材料，首先，因为Nomex的弹模是118Gpa，相对于碳纤维(弹模230Gpa)，所以它的延性较好；其次，在进行棱角打磨时普通只需要l0mm左右，普通不需打磨，而碳纤维则需要30rnm左右。Nomex就可以节省很多工时。后，由于Nomex布是一种柔软的布，所以追随性很好，特别是对于形状不规则的承台，Nomex布是一种理想的加固材料。
　　3.砌体、板
　　普通对于板的加固净空要求比较高，而且加固后要不影响其外观，所以用厚度很薄且柔软的FRP贴合材料进行加固是一种理想的选择。
　　4.烟囱、水塔
　　由于象烟囱水塔这样向高空进展的结构，加固维修特别困难，传统办法基本上很难解决这样的问题，而轻质高强、耐腐蚀、耐久性能都很好的Nomex纤维就是一种很好的选择。
　　5.地铁隧道
　　由于地铁与隧道是一种在地下工作的结构，所以它的受力和地面结构是不一样的，在洞顶与洞测都有土的力的作用，而且它也有净空的要求，所以进行裂缝修补时，传统的加固办法可能性很小，用Nomex布进行加固维修就可以满足它的各方面要求，因为在地铁或隧道的拱定或侧壁的裂缝普通是多向且不规则的，这就要求它的修复材料必须具有良好的抗剪性能才行，而且Nomex还是一种不导电的FRP材料，所以Nomex布在隧道地铁工程中是一种佳的选择。

　　五、结束语
　　进展具有差别化、功能化、特殊意义的高性能纤维与特种纤维是21世纪的主要研究课题，芳香族聚酰胺纤维作为典型的高性能纤维必将得到全方位的进展。现代国防、消防、化工、冶金、水电、地矿、核工业等行业对具有隔热、透湿、防火、耐温、耐腐蚀的特种材料的需求也将造就一个潜在的庞大市场。通过改性、新型成型技术与差别化研究，进一步改善其压缩强度、耐疲劳强度、弯曲模量、耐水耐光性能与表面粘合力，提高其使用性能，改善加工条件，降低生产成本，可以预计随着Nomex纤维生产技术与应用技术的革新，和Nomex纤维相关的功能纺织品将会得到更广泛的应用。特别是随着我国国民经济的飞速进展，现在及今后相当长的一段时期，各类桥梁及房屋建造结构的维修、加固、改造将成为建设工程的侧重点。目前国内常用的加固办法主要有以下几种：纤维布贴合材料加固、粘钢板、体外预应力扩大截面等办法。Nomex纤维贴合材料具有鲜亮的特点，并且由于其性价比有明显优势，信任会越来越被广泛地应用，成为旧危桥加固应用广的新技术。其它，军用以及国防领域对该产品需求也浮现了增长趋势，从而使国际市场上的公司对新型Nomex纤维的研发工作也得到了进一步拓展，如2008年获得的消息称，美国杜邦公司发表新型Nomex纤维KelarXP。KelarXP通过新的布料技术及新的PU涂层技术，提高了防弹能力，作为防护布料其舒适性极佳。在杜邦及其自立机构的试验中，由11层KelarXP构成的防弹背心，在第三层就能挡住子弹，剩下的各层用来缓冲子弹的冲击力，可减轻着用者的外伤。着用44口径手枪用防弹服时，KelarXP能分散15%的子弹冲击力，而且背心分量至少减轻10%。据杜邦公司介绍，目前市场上的轻质材料，通常是指20-40层的背心，其低需要9层才干挡住子弹。