芳綸纖維的分類與形態和在工業領域中的應用
趙春保（上海化工研究院技術開發中心）
一、前言 目前，國際市場上一些公司依舊熱衷於Nomex纖維項目的投資和擴建工作，如美國杜邦公司宣布擴大高性能對位Nomex的產能，該公司計劃投入5億美元，在位於南卡羅萊納州庫珀河的該公司設施內新建工廠，擴大其高性能對位Nomex(Para-aramid)纖維品牌“KEVLAR”的產能。Para-aramid主要被應用於產業及軍事領域還有如中國大的間位Nomex纖維製造和供應商—煙台氨綸股份有限公司用於防護服及過濾等高耐熱性、年產1500噸間位Nomex生產線擴能項目已經在2008年下半年勝利竣工，並已投入生產。此次擴能改造使該公司的間位Nomex總產能提升到4300噸/年。何謂Nomex纖維呢？Nomex纖維通稱為芳香族聚酰胺纖維，為區別脂肪族聚酰胺（通稱為尼龍），美國將芳香族聚酰胺稱為Aramid，將它製造的纖維稱為Nomex纖維。Nomex纖維主要品種有：聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，稱為Nomex1313，又稱為間位Nomex；聚對苯二甲酰對苯二胺纖維，稱為Nomex1414。Nomex纖維廣泛應用於信息工業、土木建築、密封填料、大型客機的結構材料及抗燃、耐熱的防護服等。據統計，目前Nomex產品用於防彈衣、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%，高強繩索等約占13%。而作為增強材料，Nomex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，Nomex以其卓越的耐熱防火性、電絕緣性和力學性能，兼有超高強度、高模量優異品種，成為先進防護材料和結構材料的重要基礎原材料，不僅在航空、航天、國防、電子等尖端領域大顯身手，而且開發出更加廣闊的民用空間，已成為當今世界用途廣、產量大、有進展前途的高科技特種纖維。
二、Nomex纖維的進展曆史 Nomex纖維誕生於20世紀60年代末，初作為宇宙開發材料和重要的戰略物資而秘不示人，平添了許多奇妙色彩。冷戰結束後，Nomex作為高技術含量的纖維材料大量用於民生領域，才逐漸露出廬山真顏。Nomex早由美國杜邦公司研製成功並實現工業化生產，其間位Nomex注冊為Nomex（諾美克斯），對位Nomex注冊為Kevlar（凱芙拉），二者分別在世界間位、對位Nomex領域占據著主導地位。例如防火纖維Nomex1313早由美國杜邦公司研製成功，並於1967年實現了工業化生產，產品注冊為Nomex（諾美克斯）。這是一種柔軟雪白、纖細鬆散、富有完澤的纖維，外觀和一般化學纖維並無二致，卻集眾長於一身，擁有超乎平常的“特異功能”。幾乎和防火纖維Nomex1313的製造同步，美國杜邦公司在20世紀60年代末研製出另一種高性能合成纖維-防彈纖維Nomex1414，其商品於1972年首次問世，定名為Kevlar（凱芙拉）。Nomex1414外觀呈金黃色，貌似閃亮的金屬絲線，實際上是由剛性長分子構成的液晶態聚合物。由於其分子鏈沿長度方向高度取向，並且具有極強的鏈間結合力，從而給予纖維空前的高強度、高模量和耐高溫特性。Nomex1414的發覺被認為是材料界進展的一個的重要進程碑。Nomex1414有極高的強度，大於28克/旦，是優質鋼材的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。（Nomex1414的的強韌性也使其裁切和後整理異樣困難，需要昂貴的專用工具）。長期以來，由於投資成本高、技術難度大，世界上僅美國、日本和前蘇聯有能力進行生產，工藝技術屬於絕密，產品被視為戰略物資而嚴加管製。目前，全球Nomex市場主要由美國杜邦公司、日本帝人公司以及煙台氨綸股份有限公司三大Nomex供應商來瓜分。
三、Nomex纖維的分類和形態和性能 1.Nomex纖維的分類 Nomex纖維根據其化學結構的不同，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Nomex，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Nomex1313；一類是以高強度、高彈性模量、耐熱性為特征的對位Nomex，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Nomex1414。 Nomex纖維是一種耐高溫的高強度高彈模特種纖維，兼有無機纖維的機械性能和有機纖維的後整理性能，密度和滌綸相當。同時還具有極好的耐化學腐蝕性，耐輻射性，耐勞累性，尺寸穩定性等優良性能以及和橡膠樹脂肯定的粘合性能。目前產品有漿粕和纖維兩種形態。成為航空航天、橡膠、樹脂工業、電子電器設備、運輸工具、體育器材及土木建築等各種領域的新型材料。非常以Nomex纖維製備的高性能Nomex紙貼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材料等而備受矚目。 2.Nomex纖維的形態 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。長絲主要用於布料、橡膠等領域，造紙行業中使用短纖維和漿粕纖維。 3.Nomex的應用特性 3.1不導電性 在現代的工程中，如地鐵、隧道、電氣化鐵路以及工業廠房等等，都對絕緣性要求很高，在這些工程的加固補強中，Nomex纖維有著絕對優勢，也給這些領域提供了一個佳的選擇機會。 3.2耐腐蝕性好 特別是耐強堿腐蝕，是其他FRP貼合材料不能相比的，由於在海水對混凝土結構有很強的腐蝕性，主要是因為裏麵含氯離子較多的原因，導致混凝土碳化，鋼筋鏽蝕膨脹，所以在一些海港碼頭工程的加固及防護中，Nomex纖維是佳的選擇。 3.3抗衝擊性好 由於Nomex纖維的彈模是118Gpa，延性特別好，它的延伸率為1.8％，所以剛開始時它在國外是用作軍工產品，如防彈衣等。用它加固一些對衝擊性要求很嚴的結構中，如主航道的橋墩等。 3.4抗動載抗勞累性能好 雖然碳纖維的抗拉強度非常高，但由於它是一種脆性材料，隻能承受長期的靜荷載，如果長期承受動載，就不能保證它的強度了，Nomex纖維則不受這個限製，早期主要用於軍工產品，而且是防彈衣的主要材料，由於其韌性比較好，所以相應的其抗勞累能力就非常好，其它，Nomex纖維的抗剪切能力也是全部FRP材料中強的。 3.5施工方便 主要是以下幾個步驟，表麵處理--塗刷底膠--底層浸漬樹脂--粘貼Nomex布--外層浸漬樹脂--表麵防護，而且操作非常簡單。不需要大型的吊裝機械設備，一般不需要做倒角，方形柱子的倒角隻要做10ram就可以了，因為Nomex是一種有機材料，和樹脂的浸潤性很好，且養護時間很短一般為幾個小時，而類似其它纖維則需要一至二周。
四、Nomex布在結構加固工程中應用的領域 1.梁 主要是橋梁和民用建築或工業產房，加固的方式包含抗彎和抗剪，在進行抗彎加固時，Nomex布的纖維方向和梁的軸向一致，一般貼在梁的受拉側，以提高梁的承載能力。據有關試驗得出，隻要該梁不是超筋梁，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；在進行抗剪加固時，Nomex布的纖維方向和梁的軸向垂直。 2.柱子 Nomex布是一種理想的柱子加固材料，首先，因為Nomex的彈模是118Gpa，相對於碳纖維(彈模230Gpa)，所以它的延性較好；其次，在進行棱角打磨時一般隻需要l0mm左右，一般不需打磨，而碳纖維則需要30rnm左右。Nomex就可以節約很多工時。後，由於Nomex布是一種柔軟的布，所以追隨性很好，特別是對於形狀不規則的承台，Nomex布是一種理想的加固材料。 3.砌體、板 一般對於板的加固淨空要求比較高，而且加固後要不影響其外觀，所以用厚度很薄且柔軟的FRP貼合材料進行加固是一種理想的選擇。 4.煙囪、水塔 由於象煙囪水塔這樣向高空進展的結構，加固維修特別困難，傳統方法基本上很難解決這樣的問題，而輕質高強、耐腐蝕、耐久性能都很好的Nomex纖維就是一種很好的選擇。 5.地鐵隧道 由於地鐵和隧道是一種在地下工作的結構，所以它的受力和地麵結構是不一樣的，在洞頂和洞測都有土的力的作用，而且它也有淨空的要求，所以進行裂縫修補時，傳統的加固方法可能性很小，用Nomex布進行加固維修就可以滿足它的各方麵要求，因為在地鐵或隧道的拱定或側壁的裂縫一般是多向且不規則的，這就要求它的修複材料必須具有良好的抗剪性能才行，而且Nomex還是一種不導電的FRP材料，所以Nomex布在隧道地鐵工程中是一種佳的選擇。
五、結束語 進展具有差別化、功能化、非常意義的高性能纖維和特種纖維是21世紀的主要研究課題，芳香族聚酰胺纖維作為典型的高性能纖維必將得到全方位的進展。現代國防、消防、化工、冶金、水電、地礦、核工業等行業對具有隔熱、透氣、防火、耐溫、耐腐蝕的特種材料的需求也將造就一個潛在的龐大市場。通過改性、新型成型技術和差別化研究，進一步改善其壓縮強度、耐勞累強度、彎曲模量、耐水耐完性能和表麵粘合力，提高其使用性能，改善後整理條件，降低生產成本，可以估量隨著Nomex纖維生產技術和應用技術的革新，和Nomex纖維相關的功能織物品將會得到更廣泛的應用。特別是隨著我國國民經濟的飛速進展，現在及今後相當長的一段時期，各類橋梁及房屋建築結構的維修、加固、改造將成為建設工程的側重點。目前國內常用的加固方法主要有以下幾種：纖維布層壓材料加固、粘鋼板、體外預應力擴大截麵等方法。Nomex纖維貼合材料具有鮮亮的特點，並且由於其性價比有明顯優勢，信任會越來越被廣泛地應用，成為舊危橋加固應用廣的新技術。其它，軍用以及國防領域對該產品需求也出現了增長趨勢，從而使國際市場上的公司對新型Nomex纖維的研發工作也得到了進一步拓展，如2008年獲得的消息稱，美國杜邦公司發表新型Nomex纖維KelarXP。KelarXP通過新的織物技術及新的PUPU塗層技術，提高了防彈能力，作為防護布料其舒適性極佳。在杜邦及其獨站機構的試驗中，由11層KelarXP構成的防彈背心，在第三層就能擋住子彈，剩下的各層用來緩衝子彈的衝擊力，可減輕著用者的外傷。著用44口徑手槍用防彈服時，KelarXP能分散15%的子彈衝擊力，而且背心重量至少減輕10%。據杜邦公司介紹，目前市場上的輕質材料，通常是指20-40層的背心，其低需要9層才能擋住子彈。
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