对位芳纶应用领域技术标准现状与发展

黄钧铭，于游江，王忠伟，冷向阳

（烟台泰和新材料股份有限公司 国家芳纶工程技术研究中心，山东 烟台 264006）

对位芳纶应用领域技术标准现状与发展

黄钧铭，于游江，王忠伟，冷向阳

（烟台泰和新材料股份有限公司 国家芳纶工程技术研究中心，山东 烟台 264006）

根据近年来对位芳纶应用领域不断扩展和深入的情况，对国内外对位芳纶应用领域技术标准体系进行了详细的分类和构建，同时也概述了国外先进对位芳纶应用技术标准的制定状况，通过比较得出我国对应标准的差距，并对我国对位芳纶应用技术标准的发展提出了意见和建议。

对位芳纶；应用；技术标准；现状；发展

0 引言

对位芳纶是芳香族聚酰胺纤维的一种，全称聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维，与碳纤维、高强高模聚乙烯纤维并称为当今世界3 大高性能纤维。对位芳纶具有高强、高模、耐高温、耐磨、阻燃、耐化学腐蚀、尺寸稳定性等优异性能，广泛用于橡胶、光缆、防护、摩擦密封、复合材料等领域。

对位芳纶最早由美国杜邦公司于1970年代开发成功并实现工业化生产，目前国外对位芳纶生产企业主要有美国杜邦、日本帝人、韩国科隆和韩国晓星。我国从1970年代开始研究对位芳纶，目前主要有烟台泰和新材、苏州兆达、中蓝晨光、平煤神马等企业在进行对位芳纶中试和产业化研究[1]。

随着国内对位芳纶应用领域的不断扩展和深入，国内众多涉及对位芳纶应用的技术标准陆续得到制订和修订，为对位芳纶等高性能纤维应用到橡胶、光缆、防护、摩擦密封、复合材料等领域提供了广阔空间，也提出了更高和更专业的要求。

1 国内外对位芳纶应用标准体系

对位芳纶应用标准按照应用领域分类，可以分为5 大类：防护类标准、摩擦密封类标准、光缆增强类标准、橡胶骨架材料类标准和通用织物复材类标准，各类国内外的国际、地区、国家及行业标准构成了对位芳纶应用的标准体系，具体见表1。

表1 国内外对位芳纶应用标准体系情况

(接前)

由表1中可以看出，国内对位芳纶应用技术标准体系已经初步形成，表明对位芳纶在防护、摩擦密封、光缆、橡胶等5 个主要领域的应用已经初具规模。

2 防护类标准

对位芳纶作为高强高模纤维，制成复合材料具有良好的防护性能，目前使用对位芳纶的防护产品标准共分4 类：防弹、防割刺、防爆和抗冲击磨损，基本上以个体防护标准为主。

2.1 防弹标准

个体防弹装备主要包括防弹衣（背心）和防弹头盔。防弹衣按使用人群主要分为警用型和军用型，按结构形式可分为软体、硬体和软硬复合体3 种。软体防弹衣的材料主要以高性能纤维无纬布为主；硬体防弹衣则是以金属材料或者硬质非金属材料插板形式为主；软硬复合式以软质材料为内衬，以硬质材料作为面板和增强材料。

随着3 维纺织技术的发展，芳纶3 维织物在防弹装备中的应用也越来越多。3 维织物增强材料具有较高的层间剪切强度和耐压强度，为减少复合层压材料的分层，提高其在多重打击下的防弹能力，3 维织物可充分发挥纤维本身的强度，纤维呈直线状态不屈曲，且不易分层，提高了防弹能力[2]。全国纺织品标委会产业用纺织品分会组织制定的国家标准《芳纶及其混编纤维的3 维织物》和《芳纶及其混编纤维的双轴向纬编织物》已经进入审稿阶段。

对位芳纶做防弹材料具有有效吸收能量和减轻质量的特点，因此3 种形式的防弹衣均有用到对位芳纶。防弹衣主要在防弹性能等级、弹坑凹陷深度、耐温性、防水性等方面对芳纶增强的防弹衣提出要求，具体如表2所示。

由表2可知，中国警用和军用防弹衣的防弹性能等级均分为6 级，但在枪弹初速度上，军用标准要高于警用标准，美国司法学会（NIJ）标准介于二者之间；在弹坑凹陷深度指标上，中国标准要高于国外标准，较小的弹坑凹陷深度可能更适应亚洲人的人体条件；在高温测试方面，美国标准的65 ℃介于国内标准的70 ℃和40 ℃之间，但应该值得注意的是，美标的射击试验是在试验箱中完成的，试验箱的温度和储存场所的温度一致，都是65 ℃，而中国标准的射击试验是靶板从烘箱中取出15 min之内完成试验的，这个试验条件的差别是未来的改进空间。

2.2 防割刺标准

防刺服具有防刀割、防刀砍、防刀刺、防带棱角物体刮划、耐磨损、防盗等功能。标准模拟了刀割和刀刺时不同力量的防护。防割手套即为警察防割手套，是用于保护手部防止刀具切伤或割伤的有效防护用品，采用芳纶和金属丝加工制成。表3展示了国内外防割刺标准的不同性能要求。

由表3可知，国内警用防刺服标准的测试刀具质量高于国外标准，但未分防护级别。

2.3 防爆标准

防爆毯是一种用芳纶等防弹纤维材料，经过特殊工艺加工制成的一种毯子形状的防爆器材，其外套耐磨和防水。防爆毯可替代原防爆罐笨重的沙包，可以阻挡易爆物爆炸时产生的冲击波和碎片。用于爆炸物的隔离和保护。标准试验方法模拟了爆炸场景。防爆罐和防爆球属于硬质的防爆器材。《GA 69-2007 防爆毯》标准的防爆性能要求为：以爆炸源为中心，围成半径3 000 mm，高度 1 700 mm的模拟标靶。当爆炸源82-2制式手榴弹引爆时，标靶上不应有穿透孔。

2.4 抗冲击磨损标准

表2 国内外防弹衣标准要求对比

表3 国内外防割刺标准要求对比

摩托车手服是摩托赛车高速行驶时保护车手不受伤害的防护服装，肩部、肘部、膝部、大腿外侧、臀部等区域（图1中的Ⅰ类、Ⅱ类区域）都是要求抗冲击磨损特别高的区域，一般采用对位芳纶等高强纤维制成。《GB/T 24278-2009 摩托车手防护服装》标准的防护性能要求模拟了碎石路面磨损，从特定高度落到以固定速度运动的磨损传送带的硬水平面上，试样完全磨损的时间。I和II类区域为7 s，III类区域为2.5 s，IV类区域为1.5 s。

3 摩擦密封类标准

使用对位芳纶增强的摩擦密封产品主要包括刹车片和垫片两大类，现已形成比较完善的标准要求。

3.1 刹车片标准

汽车刹车片在工作时通过承受外来压力，产生摩擦作用，从而使汽车达到减速目的。刹车片从摩擦材料的基本材质上可以分为石棉型、NAO型（即无石棉有机物型）和半金属型3 种。随着环保要求提高和技术发展，石棉型和半金属型已经不适应现代汽车工业要求。NAO型刹车片的摩擦材料由树脂基体、纤维增强材料以及填料的助剂组成[3]。对位芳纶作为增强材料可以大大提高刹车片摩擦材料的耐磨和耐高温性能。

《GB 5763-2008 汽车刹车片》标准中，规定了刹车片的摩擦性能主要为衬片摩擦系数及其允许偏差和磨损率。共分4 类：1类是驻车制动器用，2类是微、轻型车鼓式制动器用，3类是中、重型鼓式制动器用，4类是盘式制动器用。盘式制动器用汽车刹车片对高温下摩擦性能要求较高，为对位芳纶应用的重点产品，其性能要求如表4所示。

表4 GB 5763-2008标准盘式制动器用汽车刹车片摩擦性能要求

3.2 无石棉垫片标准

无石棉垫片是以芳纶浆粕替代石棉作增强材料，以橡胶为粘结剂，配合其它辅料制备的新型无石棉密封垫片板材。对位芳纶浆粕不仅保持芳纶高强、高模、耐高温等特性，同时由于纤维皮芯结构的存在，使浆粕高度原纤化，具有5～12 m2/g的较大比表面积，是最理想的石棉替代品。以芳纶浆粕作为增强材料，可以提高密封预混物的抓附力，增强密封制品的力学、密封、耐高温等性能[4]。

《GB/T 27793-2011 抄取法无石棉垫片材料》标准中，体现芳纶替代石棉的参数主要有横向拉伸强度、老化系数及蠕变松弛率。无石棉垫片共分4 类：普通型、耐油型、膨润型和耐热型，现以普通型和耐热型垫片性能对比为例，展示无石棉垫片的性能要求，具体见表5所示。

表5 GB/T 27793-2011标准普通型和耐热型垫片部分性能要求

4 光缆增强类标准

随着全球信息技术的快速发展，通讯光缆的敷设范围日益扩大，不同的使用环境和敷设条件对光缆的强度和环境适应性要求越来越高，因此对位芳纶作为高强质轻的新型材料，在光缆中的使用量也越来越多。目前光缆增强类标准既包括明确使用了芳纶材料的光缆用非金属加强件标准，也包括对强度和环境适应性要求更高的各类新型光缆标准。

4.1 光缆用非金属加强件标准

目前两个光缆用非金属加强件的标准为邮电行业标准，而且明确了芳纶纱和芳纶增强塑料杆的具体性能要求，说明通讯行业对光缆用芳纶加强件需求已经达到一定规模。《YD/T 1181.2-2008光缆用非金属加强件的特性 第2部分：芳纶纱》标准中对芳纶纱的各项力学性能进行规定，具体见表6。

表6 YD/T 1181.2-2008标准芳纶纱力学性能要求

4.2 蝶形光缆标准

蝶形光缆是一种新型用户接入光缆，因截面外形像蝴蝶而得名，具有很高的抗压扁力和抗张力，自承式结构能满足50 m以下飞跨拉设。对位芳纶纱束或AFRP（芳纶纤维增强塑料）可作为加强构件，AFRP杆可作为增强构件（吊线）为蝶形引入光缆提供强力支持。《YD/T 1997.1-2014 蝶形引入光缆》标准中，体现芳纶作用的性能参数主要为光缆允许拉伸力和压扁力等力学性能，具体见表7。

4.3 全介质自承式(ADSS)光缆标准

全介质自承式光缆是一种全介质的、光缆里面没有任何金属物质的室外光缆，主要依靠高压电线塔来敷设，光缆所需要的安装拉力全部由光缆自身里面包含的受力元件即芳纶纱（外置增强构件）和芳纶增强塑料杆（AFRP）（中心加强构件）提供拉力。

对位芳纶是ADSS光缆中重要的增强材料，主要以其高强度为光缆提供较高的拉伸强度，以其高模量为光缆提供较小的应变，以其本质阻燃性为光缆提供良好的无卤阻燃能力。使用对位芳纶的ADSS光缆利用输电线路同杆架设，不需新建杆路，不需新设吊线，具有轻便易敷设、施工成本低的特点[5]。由于ADSS光缆不含金属材质，可确保光缆在室外使用时对雷击和强电环境的安全要求。

《GB/T 18899-2002 ADSS光缆》标准中规定，AFRP作为ADSS指定的中心加强构件，要求拉伸杨氏模量应≮50 GPa，弯曲杨氏模量≮45 GPa，断裂伸长率≤4％；芳纶纱束作为外置增强构件，杨氏模量≮90 GPa。光缆运行张力与额定拉断力的关系和光纤应变及附加衰减的要求见表8。

表7 YD/T 1997.1-2014标准蝶形引入光缆力学性能要求

5 橡胶骨架材料类标准

5.1 橡胶骨架材料标准

常规的橡胶骨架材料一般为涤纶、锦纶等常规化纤，对位芳纶作为一种新型的橡胶骨架材料应用在橡胶制品中，可以大幅提升其抗拉、耐破及耐磨性能，能有效延长橡胶制品的使用寿命。全国橡胶与橡胶制品标准化技术委员会浸胶骨架材料分技术委员针对应用需求，制定了芳纶浸胶线绳和纱线的多个产品和试验方法标准，并将制定芳纶浸胶帘子布和芳纶浸胶帆布标准列入近期计划，推动和规范了对位芳纶作为橡胶骨架材料在橡胶制品中的应用。

《HG/T 4733-2014 橡胶软管用浸胶芳纶线》标准中，关键指标是断裂强力和伸长率以及浸胶后定长度质量，以1 670 dtex浸胶芳纶线为例，各项关键指标要求如表9所示。

5.2 橡胶制品标准

胶管、轮胎和输送带是对位芳纶应用在橡胶领域的3 大终端产品，这3 大产品的相关标准也是对位芳纶应用标准体系的重要组成部分。

表10是橡胶软管及软管组合件 织物增强液压型 第1部分 油基流体用

表8 GB/T 18899-2002标准ADSS光缆张力要求

表9 HG/T 4733-2014标准1 670 dtex浸胶芳纶线部分指标

对位芳纶增强的胶管产品在国外应用已相当成熟，表10是国外某知名公司的芳纶增强软管规范，最小爆破压力范围为56～225 MPa；表11是《GB/T 15329.1-2003 油基流体用织物增强液压型橡胶软管》标准的指标要求，未明确织物为对位芳纶织物，其最小爆破范围为15.8～58 MPa，可以看出与芳纶增强软管的性能差距还是很大的。

6 通用织物复材类标准

6.1 通用织物复材标准

此大类标准为前4 大类应用领域未涵盖的标准，由于对位芳纶在很多领域的不断发展，其中有一些小领域的应用标准也已形成系列，现以风筒系列标准（见表12）为例做个介绍。

表10 国外某公司芳纶增强软管规范

表11 GB/T 15329.1-2003标准增强橡胶软管性能指标

表12 风筒系列标准

风筒是用于煤矿、隧道、地铁工程、井下局部引导风流沿着一定方向流动的柔性管道，通常使用玻纤、玻棉织物或合成纤维作为骨架材料，涂覆以橡胶或塑料材料复合制成。对位芳纶为骨架材料制成的风筒具有强度高、掘进消耗极低、耐炮击崩坏性能优异的特点[6]。风筒涂覆布也可以制成矿用隔爆水袋。风筒涂覆布的性能指标要求见表13。

6.2 其他标准

除第1部分介绍的标准外，在国外标准的检索中，还查到SAE等多个国外标准化组织的涉及芳纶应用的标准451 个，具体情况见表14。

表13 GB/T 20105-2006标准风筒涂覆布性能指标

表14 国外通用织物复材类标准对位芳纶应用情况

7 结语

⑴ 对位芳纶应用标准已经形成体系，在防护、摩擦密封、光缆和橡胶 4 个产业领域发展较好，与对位芳纶在这些领域的应用快速增长情况相符。

⑵ 通过对各类标准解读，可以看出很多标准并未直接提及对位芳纶，但很多标准在检测项目设置、性能指标确定等方面已经充分考虑对位芳纶的应用情况，对产品和指标进行了分类分级，以确保对位芳纶在高端产品上的应用。

⑶ 在光缆增强和橡胶骨架材料标准方面，由于标委会的积极推进和应用企业的踊跃参与，已经形成了芳纶光缆增强件和芳纶浸胶骨架材料标准系统规划和快速发展的局面，对芳纶在光缆和橡胶终端产品上的应用起到有力推动作用。

⑷ 与国外标准相比，国内的通用织物复材标准、橡胶终端产品标准、防护类标准还存在种类少、指标低、实验条件不完善等差距，应尽快赶上。国外标准的翻译、解读和引进还有大量工作可做。

⑸ 对位芳纶应用技术标准体系的不断完善，必将推进我国对位芳纶等高性能纤维在汽车、国防、航空、通讯等产业的应用和发展。

[1] 邱召明, 唐凯, 杜玉春, 等. 泰普龙®对位芳纶在汽车胶管中的应用[J]. 高科技纤维与应用, 2012, 37(5): 41-44.

[2] 薛书凯. 新型高性能防弹复合材料技术研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2012, (增刊): 143-146.

[3] 潘健民, 徐菁利, 俞成丙. NAO刹车片树脂基体的研究进展[J]. 材料导报, 2007, 21(专辑Ⅳ): 371-375.

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[5] 陈斌. 基于ADSS光缆的矿区专用通讯网的构件[J].科技情报开发与经济, 2009, 19(3): 214-215.

[6] 梅国栋, 王云海. 矿用耐崩风筒在掘进迎头的性能研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2009, 5(2): 14-18.

Status and development of technical standards for the application of para-aramid f ber

HUANG Jun-ming, YU You-jiang, WANG Zhong-wei, LENG Xiang-yang
( Yantai Tayho Advanced Materials Co.,Ltd., National Aramid Engineering Technology Research Center, Shandong Yantai 264006 China )

According to the situation in recent years, para-aramid applications will continue to expand and deepen, the para-aramid applications technical standard system were detailed classification and construction, and also outlines the foreign advanced para-aramid applications technical standards formulate condition, by comparing the gap of the corresponding standard of our country, and puts forward some opinions and suggestions on China para-aramid application technology standards development.

para-aramid; applications; technical standards; status; development

TS07; TQ342.722

: A

: 1007-9815（2016）03-0038-08

定稿日期: 2016-05-30

黄钧铭（1977-），男，山东烟台人，高级工程师，主要从事氨纶和芳纶质量体系管理以及芳纶应用研究，(电子信箱)hjm11@163.com。