高性能纖維纜繩是指由高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、難燃燒、化學穩(wěn)定性突出的纖維編織而成的纜繩。
而在眾多高性能纖維纜繩中，世界上達萬噸以上規(guī)模生產的只有碳纖維纜繩、芳綸纜繩和超高分子量聚乙烯纖維纜繩等少數(shù)品種。
其中芳綸纜繩以其優(yōu)異的綜合性能和多樣的存在形式，使其成為目前應用比較廣、產量比較大的高性能纖維纜繩，在國防、航天、航空、汽車等領域，以及新能源開發(fā)等方面都具有不可替代的作用。
芳綸纜繩的用途包括：衛(wèi)星、防彈車，火箭發(fā)動機、輪胎骨架、剎車片和石油井平臺。
芳綸纖維纜繩具有優(yōu)異的力學性能和穩(wěn)定的化學性能，大分子鏈上至少有85％的酰胺鏈(—CONH—)直接與兩個苯環(huán)相連接。全球芳綸纖維產能已超過8萬噸/年，需求量超過10萬噸/年。目前只有美、日、俄和中國等少數(shù)國家實現(xiàn)工業(yè)化生產。
一、芳綸簡介
全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，芳綸纖維的品種主要有芳綸1313（間位芳綸）、芳綸1414（對位芳綸，也稱芳綸Ⅱ），芳綸Ⅲ（對位雜環(huán)芳綸）。
1、間位芳綸——芳綸1313
芳綸1313是一種間位芳綸，最早由美國杜邦公司研制成功，并于1967年實現(xiàn)了工業(yè)化生產，產品注冊為Nomex(諾美克斯)。
它具有長久的熱穩(wěn)定性，這是其非常重要的特性，可在200 ℃高溫下長期使用不老化，具有非常好的尺寸穩(wěn)定性。間位芳綸具有本質阻燃性，其極限氧指數(shù)值(LOI)＞28 %，在空氣中不會自燃、融化，也不會產生熔滴，離焰自熄。
間位芳綸的電絕緣性優(yōu)良，以其制成的絕緣紙耐擊穿電壓可達20kV/mm；間位芳綸耐腐蝕性能非常優(yōu)越，耐輻射的性能也十分優(yōu)異。此外，間位芳綸還具有低剛性、高延長性，能用常規(guī)紡織機械進行加工。
2、對位芳綸——芳綸1414、芳綸III
對位芳綸的品種主要有芳綸1414（如美國杜邦Kevlar、日本帝人Twaron等）和芳綸III（俄羅斯Armos、中藍晨光STARAMID F－3）。
對位芳綸非常突出的性能是其高強度、高模量、質量輕和突出的耐熱性。對位芳綸的綜合性能比間位芳綸1313更好。
對位芳綸的耐熱性能高于間位芳綸，在200℃高溫下經歷上百個小時，仍能保持原強度，在560℃高溫下不分解、不熔化。此外，對位芳綸還具有良好的抗沖擊、耐腐蝕和抗疲勞性能。
由于對位芳綸具有以上種種優(yōu)點，被喻為“防彈纖維”，廣泛應用于航空航天、國防軍工、個體防護及體育休閑等領域。
1）對位芳綸——芳綸1414（芳綸II）
芳綸1414是一種全對位芳綸，俗稱芳綸II。由杜邦公司在上世紀六十年代末研制成功，其商品于1972年首次問世，定名為Kevlar(凱芙拉)。芳綸1414的發(fā)現(xiàn)被認為是材料界發(fā)展的一個的重要里程碑。
芳綸1414有非常高的強度，大于28克/旦，是優(yōu)質鋼材的五～六倍，模量是鋼材或玻璃纖維的二～三倍，韌性是鋼材的兩倍，而重量僅為鋼材的五分之一。（芳綸1414的強韌性也使其裁切與加工異常困難，需要昂貴的專用工具）。
目前芳綸1414已作為一種高技術含量的纖維材料被廣泛應用于軍事、航天航空、機電、建筑、汽車、海洋水產、體育用品等國民經濟各個方面。
2）對位芳綸——芳綸III
芳綸Ⅲ是對位芳綸的一種，是一種三元共聚芳香族聚酰胺纖維，也是一種性能優(yōu)異的高技術特種纖維.因其含有雜環(huán)結構，也稱雜環(huán)芳綸。最早由俄羅斯于上世紀1978年代由全蘇合成纖維研究院開發(fā)成功，產品注冊為Armos。
芳綸Ⅲ位于芳綸家庭中的塔尖，其綜合性能更勝芳綸1414一籌。是國內批產綜合性能最優(yōu)的有機纖維。
芳綸Ⅲ具有增強、減重、拒腐蝕、抗降解、耐高溫等卓越功能特性，是支撐當代航天航空、軍事工業(yè)、生命保護等尖端產業(yè)的核心基礎材料和直接影響國家安全利益的戰(zhàn)略物資，具有廣闊的市場前景和迫切的現(xiàn)實需求。
二、芳綸生產工藝
以帝人芳綸Twaron（芳綸1414）為例：
Twaron的生產需要三種工藝：聚合、長絲紡絲和絲束紡紗。
1、聚合
在第一階段，先將單體紡成密實的細粒聚合物粉末。該物料具有對位芳綸的主要熱性能和化學特性。然而，其不具備紗線或紙漿的強化特性。這種細粉末可用于增強塑料組分的特性。
2、紡絲
第二階段將聚合物溶在硫酸中，生成一種液晶溶液。隨后該溶液紡入細長絲中，每根絲的直徑為12μm。絲的結構為100%亞晶狀，分子鏈與纖維軸平行。正式這種高趨向性分布使Twaron長絲具有各種優(yōu)異的特性。
3、短纖
為生產人造短纖維或短切纖維，現(xiàn)將紗線進行起皺處理，然后再利用整理劑進行處理。干燥后，將纖維切割成目標長度，然后包裝。
4、紡成漿粕
為生產紙漿，首先切割紗線，然后使紗線懸浮在水中進行纖維化處理。然后直接包裝并作為濕紙漿出售，或經過脫水干燥并作為干紙漿待售。
三、芳綸纖維發(fā)展概況
1. 芳綸家族各產品特點
芳綸最具實用價值的品種有3個：芳綸1313是開發(fā)最早、產量最大、應用最廣，也是最有發(fā)展前途的有機耐高溫纖維，到目前為止，全球年生產能力已達3.1萬t左右；芳綸1414具有高強度、高模量的特點，素有高分子材料中的“百變金剛”之譽，是當今世界高性能纖維材料的代表；芳綸III具有更優(yōu)異的綜合性能，已用于國家戰(zhàn)略戰(zhàn)術武器上，目前僅中國和俄羅斯能批量穩(wěn)定生產，但產量較小，約為3000～4000t/a。
高性能芳綸由于具有良好的應用性能，目前已進入快速發(fā)展期，其中芳綸III功能最佳。因具有超高的強度、模量和耐高溫性能，以及良好的絕緣性和抗腐蝕性，芳綸III在高性能纖維中占據(jù)了領導地位，并被人們稱為“芳綸纖維中的戰(zhàn)斗機”。
在軍事裝備現(xiàn)代化、民用產品高性能化、生產過程標準化、技術進步高速化發(fā)展的今天，芳綸纖維及其增強復合材料作為戰(zhàn)略物質之一，在各領域發(fā)揮著極其重要的作用。芳綸纖維的產業(yè)化不僅可以帶動原材料，可以使下游的產品得到更大的發(fā)揮，帶來更大的經濟效益，但是需要研究的時間很長，涉及的學科很多，是國家綜合實力的充分體現(xiàn)。目前世界上做的最好的芳綸纖維是美國、日本，性能指標上是俄羅斯芳綸III纖維做的最好，用量最大的是美國和日本。芳綸纖維應用最廣泛是對位芳綸纖維，其中芳綸纖維1414（芳綸II），美國杜邦公司、日本帝人公司生產的為主；芳綸III（雜環(huán)芳綸），主要以俄羅斯的雜環(huán)纖維、國內以中藍晨光生產的STARAMID F－3為主。
2.發(fā)展現(xiàn)狀
芳綸1313
全球來看，芳綸1313的主要供應商依次為美國杜邦、煙臺泰和新材、日本帝人。芳綸1313主要用于制防輻射衣料、航天衣料，也用于制耐高溫衣料、蜂窩制件、高溫線管、飛機油箱、防火墻、反滲透膜或中空纖維等。
芳綸1414
1966年，杜邦公司生產出了對位芳綸即Kevlar纖維；1972年日本帝人公司生產出對位芳綸Conex纖維；1986年荷蘭Akzo公司生產出Twaron纖維；1987年日本帝人公司生產出Technora纖維。而我國于1972年開始進行芳綸的研制工作，1985年通過芳綸1414的鑒定，纖維性能已達到美國杜邦公司 Kevlar 49水平。
芳綸III
芳綸Ⅲ最早由俄羅斯于上世紀70年代開發(fā)成功并實現(xiàn)商業(yè)化。最早開發(fā)的品種為SVM，屬于二元雜環(huán)芳綸，后又開發(fā)成功三元雜環(huán)芳綸Armos。俄羅斯芳綸III纖維，拉伸強度可達6.0GPa以上，性能優(yōu)于碳纖維T800的性能。其芳綸III纖維已成功用在最先進的導彈布拉瓦導彈和發(fā)動機上。
鑒于芳綸Ⅲ纖維的綜合性能優(yōu)異，國內于上世紀九十年代也開始研發(fā)，經過技術攻關和工程化開發(fā)，國內由中藍晨光化工研究設計院有限公司于2006年率先開發(fā)成功，商品名為STARAMID F-3。目前STARAMID F-3已開發(fā)出多種產品類型，產品拉伸強度達到5.0GPa以上，拉伸彈性模量150-180GPa。中藍晨光芳綸III纖維性能居國內批產有機纖維之首，達到俄羅斯Rusa產品水平。
國產芳綸III的研發(fā)成功，使我國成為除俄羅斯以外第二個擁有該技術的國家，解決了這一關鍵軍用材料長期依賴于國外進口的現(xiàn)狀，具有很好的軍事與社會效益，是我國高性能纖維國產化的重要里程碑。
3. 發(fā)展前景
今后，我國在防護服領域的芳綸1313纖維用量將以每年30%以上的速度遞增，作為生產防護服以及其他室內裝飾用品的芳綸有色纖維用量也隨之增加，輕量汽車子午胎用簾子布和剎車片的需求正在興起，預計今后對位芳綸年需求量將以超過10%的速度增長。隨著我國能源工業(yè)的發(fā)展，用對位芳綸增強橡膠及熱塑性樹脂作為石油及液化天然氣的耐高壓輸送管線將有所發(fā)展。
目前芳綸III主要用于火箭發(fā)動機及飛機構件領域，但因其具有輕質高強、抗沖擊、耐高溫、柔韌性好、耐磨等優(yōu)異性能，使其在防彈、裝甲、輪胎、電子等領域有大量應用。未來隨著芳綸Ⅲ產品和其應用的不斷開發(fā)，其市場也將不斷擴大。
