防弹纤维—芳纶1414

芳纶1414，其化学名称为聚对苯二甲酰对苯二胺(英文名称简称PPTA)。美国杜邦公司商品名为Kevlar。它是第一个有价值并且现在仍然在大量生产和使用的高性能纤维。

芳纶1414 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，而重量仅为钢材的1/5。（芳纶1414的强韧性也使其裁切与加工异常困难，需要昂贵的专用工具）。芳纶1414的连续使用温度范围极宽，在-196℃至204℃范围内可长期正常运行。在150℃下的收缩率为0，在560℃的高温下不分解不熔化，耐热性更胜芳纶1313 一筹，且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期很长，因而赢得“合成钢丝”的美誉。

从芳纶1414的分子结构式可以看出，它的分子结构排列非常的规整，整个分子主链为苯环和酰胺键交替结构，并且形成了π共轭效应，分子内旋转位能相当高,分子链节呈平面刚性伸直链，使其具有极高的拉伸强度(仅次于玻璃纤维、石墨纤维和聚苯并咪唑纤维) 和优异的耐热性和韧性，同时它还有良好的耐强碱性、耐有机溶剂和耐漂白性能以及抗虫蛀和霉变。

合成


一般的研究者采用如下的合成途径来得到芳纶1414的聚合物（PPTA）：

这个反应一般是在低温下溶液中进行。也有使用对苯二甲酸来替代上面的对苯二甲酰氯，然后在催化剂和加热的情况下进行反应，但是这种方法在操作上不如前者容易。要得到高强度的聚合物长丝，一般要结构单元的聚合度要达到80，相应的分子量为18000左右。

纺丝

芳纶1414的聚合物（PPTA） 不溶于大多数的有机和无机溶剂，其熔点高于降解温度（500℃左右），因此不可能进行熔体纺丝。然而，PPTA 可溶于某些强酸中。人们发现无水硫酸是用于PPTA 湿纺的一种较为廉价的纺丝溶剂。

只要PPTA 聚合物的浓度低(大约10% 以下) ， 那么聚合物中的棒形链状分子则呈无规任意取向并且聚合物溶液内的分子结构呈各向同性。然而在较高的浓度下, 聚合物分子链在小区域内呈有序排列并在该区域内发生分子取向, 各区域彼此之间仍呈无规取向。但此时聚合物的分子结构不再是各向同性而是各向异性了。这样的聚合物溶液具有液晶性质, 而且是溶致性液晶溶液(向列型晶体结构) , 我们可以利用溶液由各向同性向各向异性转变时的粘度剧降来获得可纺性良好的溶致性液晶纺丝液。当这样的聚合物溶液经由喷丝板的细孔(直径约50 Lm) 喷出纺丝且在凝固浴内形成微小气隙时, 聚合物中的分子链则大部分沿纤维轴向平行排列。毛细管内的剪切形变和微小气隙是长丝内的分子近乎完全排序的主要原因。得到纤维的这种所谓的次晶结构不具有任何非晶态区域, 它所形成的是一种单相半结晶系统。相比之下, 像聚酰胺和聚酯这样的各向同性半结晶性聚合物则是由晶区和非晶区所组成, 而且形成的是一种双相的结晶系统。

纤维的结构与性能

芳纶1414纤维的性能，特别是其强度主要取决于聚合物的分子量和分子量分布及其结晶程度。影响上述这些性质的参数有许多。通过提高纺丝原液中的聚合物浓度，就可以在湿纺加工过程中提高纤维中链状分子的取向度，从而使纤维获得较高的强度。原则上，较高的分子量也可以提高纤维的强度值。目前标准长丝的聚合度为75～80，其相应的分子量为18 000～ 19 000。

阿克苏·诺贝尔公司的科学家van A art sen和No rtho lt 于1973 年公布了他们对他们的PPTA纤维（Twaron）结晶结构的基础研究成果。下图为他们的PPTA纤维（Twaron）的 晶体结构(晶格)。分子与纤维的轴向平行取向，苯环之间的立体位阻现象是造成PPTA 链形分子呈棒状形态的主要原因。次晶结构是一种单相晶体结构，其局部的结晶近乎完全，但是在较长的距离内存在着某些晶体缺陷。Twaron 纤维在纤维轴向上的强度很大(强共价链) 而横向上的强度较小。模型显示分子链是由相对较弱的氢链合力将它们共同保持在一个方向上， 而在另一方向上分子链则是由更弱的范德瓦尔斯键合力来保持。因磨蚀所产生的纤维原纤化倾向是因缺少强有力的横向键合力所造成的。

表1 为Tw aron 纤维与其他增强纤维材料的主要性能的比较结果。

用途

用于航空航天领域芳纶纤维树脂基增强复合材料用作宇航、火箭和飞机的结构材料，可减轻重量，增加有效负荷，节省大量动力燃料。如波音飞机的壳体、内部装饰件和座椅等成功地运用了芳纶1414 材料，重量减轻了30%。

用于高强轮胎帘子线芳纶1414比重小，强度高，耐热性好，并且对橡胶有良好的粘附性，所以成为最理想的帘子线纤维。目前世界几大轮胎巨头米其林、固特异、倍耐力等公司都已采用芳纶1414作轮胎帘子线，大量用于高级轿车领域。.

用于土木结构工程由于芳纶1414具有轻质高强、高弹模、耐腐蚀、不导电和抗冲击等性能，可用于对桥梁、柱体、地铁、烟囱、水塔、隧道及电气化铁路、海港码头进行维修、补强，特别适合对混凝土结构的加固与修复。

在众多领域大显身手芳纶1414还可在充气胶皮制品（如充气救生筏、充气舟桥等）、耐腐蚀容器、轻型油罐及大口径原油排吸管中作骨架材料；用于制作耐高温、耐切割防护手套；利用其自润滑性、耐热性和韧性，可代替有致癌物质的石棉制造隔热防护屏、防护衣及密封材料；还可替代石棉和玻璃纤维来补强树脂，用作耐摩擦、绝热和电绝缘材料；制作舰船绳缆，海底电缆、雷达浮标系统和光导纤维增强绳缆；制造高强度低重量的运动器材，如滑雪板、划艇和皮艇等等。总之，凡要求高强度、耐拉伸、抗撕裂、防穿刺及耐高温的场合，都是芳纶1414大显身手的领域，具有不可替代的优越性。