用作防弹衣的高分子—对位芳纶

一、背景介绍

在世界高分子纤维的发展史中，聚对苯二甲酰对苯二胺（对位芳纶）的发现被认为是其中非常重要的历史进程[1]。其重要意义在于：

1）技术上它是第一个采用新型高分子液晶纺丝技术制得的纤维，对之后纤维的开发具有指导意义；

2）由于其优异的力学性能和耐高温的特点，极大的丰富了人造纤维的应用领域。本文主要介绍它的发展历程和广泛应用。

 图1. 对位芳纶布（图源自网络）

二、对位芳纶

2.1 对位芳纶概况

芳纶是一种人工合成的芳香族聚酰胺[2]。美国联邦贸易委员会采用了一个简单的芳纶定义，即芳纶中至少85%的酰胺键直接连接到两个芳香环。对位芳纶就是芳纶的一种，因在其结构式中酰胺基团在苯环的对位而得名。对位芳纶的主链由于共轭苯环存在，分子链段不易发生内旋转，从而呈现线性刚性结构，这也使得它具有一般纤维没有的高强度、高模量、热稳定性等特征，最终开拓了它的应用领域。

表1.芳纶与其它工业纤维性能对比（源自网络）

图2.对位芳纶结构式（图源自网络）

2.2 对位芳纶的研发过程

对位芳纶的发现和后续的应用开发都与美国杜邦公司密不可分[2]。早在1945年，随着尼龙纤维的商业化和聚酯纤维的发展，杜邦公司的领导层就制定了长远发展规划，希望在之后的生产中，开发出一种兼具超高强度、耐高温的纤维。到了20世纪60年代，杜邦公司对低温溶液聚合方法的完善和无机盐溶液促进难溶聚合物溶解过程的研究为芳纶的诞生奠定了基础，随后在1972年，杜邦公司解决了对位芳纶纺丝问题，从而推出了商业化的对位芳纶并命名为Kelvar。

图3.对位芳纶Kelvar（图源自网络）

各国的对位芳纶研发也不甘落后，相继推出类似产品。日本帝人公司于1972年开始生产自己的对位芳纶并命名为Technora，荷兰阿克苏诺贝尔公司在1986年推出的对位芳纶商品名为Twaron，韩国科龙公司于1979年开始研发，2005年实现工业级生产。俄罗斯早在1985年就建成了生产线，商品名为Terlon，后来却转向杂环芳纶，其主要型号有Armos、SVM和Rusar。

我国对位芳纶的研究始于1972年，在之后的20年间，先后经历了实验室研究、小试和中试等几个阶段，并被列为国家重大科技攻关项目和国家“863”计划,取得了一系列科研成果，但由于诸多原因，并未能实现产业化。近年来泰和新材、中蓝晨光和平煤神马等公司在芳纶领域持续攻坚克难，向市场推出了许多工业化产品，但是对位芳纶的性能和产能对比国外领先水平仍然有些差距。另外国产对位芳纶也大多应用在低端市场，能够用于军事国防和航空航天上的少之又少。因此对位芳纶及其产品的研发生产在我国仍然是个技术难题，亟需解决。

三、对位芳纶的应用

3.1 安全防护

对位芳纶纤维最重要的应用莫过于安全防护领域了，它能有如此重要的应用，主要在于其强度为同等质量钢铁的五倍，而密度仅为钢铁的五分之一。由对位芳纶制成的防弹衣体积小、质量轻，可以抵御住9mm的手枪弹。除此之外，对位芳纶还可与其它材料如金属、陶瓷等形成复合材料，制备多式多样的安全防护装备，可以有效的吸收爆炸对人造成的伤害。 

图4. 军用防弹衣（图源自网络）

3.2 轮胎和橡胶增强

对位芳纶可作为汽车或飞机轮胎帘子线，加入对位芳纶制成的轮胎，重量轻、滚动摩擦阻力小并且承重更高。特别是应用到卡车轮胎时，轮胎寿命得到大幅延长。在世界许多橡胶轮胎公司如米其林、固特异等进行应用实验时，还意外的发现提高了汽车的舒适性和节油效果。

图5. 轮胎（图源自网络）

3.3 摩擦、密封材料

芳纶浆粕是芳纶纤维进行高度原纤化处理得到的，其独特的表面结构极大的提高了混合物的抓附力。采用浆粕作为增强材料分散在橡胶等基体中，可直接提高材料的耐摩擦性能。因此常被用于刹车片和在密封材料，可以起增强作用。

图7. 芳纶浆粕（图源自网络）

3.4 复合材料增强

对位芳纶因为其密度小、强度高常被用作复合材料增强体，可用于追求重量减轻和冲击损伤减弱的飞行器结构部件，既减轻飞机或火箭自重，节省大量的燃料消耗，又不会降低力学性能。波音777等商用飞机上的壳体、内部装饰和座椅上都有应用对位芳纶复合材料。

图8. 民用飞机（图源自网络）

3.5 建筑结构加固材料

对位芳纶抗碱腐蚀能力好、不导电、抗冲击和抗疲劳性能好，很适合作为混凝土加固材料，防止混凝土在梁之间开裂。上世纪80年代，日本由于地震多发和地铁的建设，将芳纶应用于混凝土结构的增强，不仅建筑物可延长使用寿命，而且节约了修理时间和费用。

四、总结

芳纶纤维作为一种工程材料，被广泛用于防弹衣、飞机、汽车等领域，其应用潜力让人们对它们越来越感兴趣。我国芳纶纤维的制造产业在虽然最近几年取得了长足发展，但是与国际领先水平还有一定差距，关键技术方面需要突破，产品应用的领域也亟需从低端市场向高端市场转移。相信随着我国科技和经济的不断发展，这一“卡脖子”问题一定会被解决。