比碳纤维更神秘的“有机纤维之王”——芳纶F-12
马氏体
2022-11-13 15:19
芳纶F-12纤维可用于导弹壳体、飞机构件、防弹材料、降落伞绳等，是军工所用的战略材料，性能远远优于美国凯夫拉纤维，但生产技术曾经只掌握在俄罗斯手中（Armos纤维）。
从上世纪90年代起，在某型战略导弹的发动机对高性能芳纶纤维的需求牵引下，我国开始芳纶F-12（又称“芳纶III”）的研制。
航天科工六院46所即内蒙古合成化工研究所（从事固体火箭推进剂与特种材料研究）于1995年实现实验室研制的突破，2013年在其下属的内蒙古航天新材料有限公司建成50吨/年生产线。此外，中化中蓝晨光化工研究设计院也突破了芳纶F-12生产技术，并在广东彩艳股份有限公司、四川辉腾科技有限公司等合作企业生产。
由于芳纶F-12的生产难度大、用途特殊，全国的年产能不过数百吨，远小于碳纤维上万吨的年产能，但在军工领域有不可替代的作用。
芳纶F-12的抗拉强度达4.3~5.4 GPa，比建造悬索桥的超高强度钢丝还要高2倍以上，与T700高强度碳纤维相当，而密度只有1.44g/cm3，小于碳纤维的1.8g/cm3，因此具有更高的比强度（单位质量纤维的强度，下图中比强度单位的“gf/d”表示”克力/旦”，“旦”数代表9000米长的纤维的重量）。另外，芳纶F-12具有更好的韧性和抗冲击能力，且能够透过雷达波（碳纤维有导电性，雷达波无法穿透）。所以，这两种高性能纤维是既竞争、又互补的关系。
与著名的美国“凯夫拉”（Kevlar）芳纶纤维相比，芳纶F-12的强度要高出30%以上，是强度最高的有机纤维之一，并具有高模量、耐热、耐紫外线等优异性能，常与PBO（聚对苯撑苯并二恶唑）纤维共同被誉为“有机纤维之王”。
固体火箭发动机是芳纶F-12的重要应用场合。芳纶F-12丝束浸渍树脂后，缠绕、固化制成固体火箭发动机壳体，用轻薄的躯体承受火箭发动机内的高温高压，让导弹飞得更远。
芳纶F-12的丝束和织物还可以应用于航空、航天、防护等军工和高端民用领域。
在《军工巡礼 非凡十年》纪录片中，展示了航天六院46所生产芳纶F-12纤维的大致流程。
聚合而成芳纶F-12大分子分散于溶剂中（如二甲基乙酰胺DMAc，并加入氯化锂作为助溶剂），通过喷丝板的小孔喷射到凝固浴中，洗涤脱除溶剂，凝固为固态的纤维。每根纤维直径14微米，100根纤维合并成一束。
纤维经干燥和初步拉伸，得到芳纶F-12原丝。
此时的纤维强度最高只有1.5 GPa，模量不到100 GPa，后续还要经过热处理和热拉伸，让分子全部沿着纤维轴向有序排列，才能获得高强度、高模量的芳纶F-12纤维。
上述单体合成-聚合-纺丝-拉伸/热处理的生产过程与常规的芳纶类似，但芳纶F-12的生产工艺有更高的要求。
国外于1967年开始芳纶的工业化生产，而我国的芳纶产业起步于上世纪80年代，但长期以来在工艺技术、产品质量、批次稳定性、应用技术等方面与国外有着明显的差距。经过艰苦攻关，终于追赶到芳纶F-12纤维的世界先进水平。
那么，芳纶F-12的特殊之处体现在哪里呢？
一般我们所说的“芳纶”，是以美国凯夫拉纤维为代表的芳纶1414（又称“芳纶II”）,化学名为“聚对苯二甲酰对苯二胺”（PPTA），由两种单体——对苯二甲酰氯和对苯二胺缩聚而成。
芳纶F-12是用第三单体5(6)-氨基-2-对氨基苯基苯并咪唑代替一部分对苯二胺，共同与对苯二甲酰氯聚合，增大了高分子链的刚性，抑制分子链的结晶，使分子链能够更加有序地沿纤维方向排列，从而赋予芳纶F-12更高的强度和模量。
基于公开文献和基本的有机化学知识，可知第三单体的合成路线如下，并不需要特别昂贵的原料，也不涉及非常复杂的反应。但是要真正生产出高纯度的第三单体产品，需要无数次试验以确定最佳工艺参数。
只有一个工业大国，才能突破每一种关键精细化工产品的生产技术；只有一个追求独立自主的国家，才会投入大量人力物力，研制这种需求量不过每年数百吨、仅服务于极少数特殊领域的材料。但也只有掌握了这种关键材料，才能打造出所向披靡的大国长剑。
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参考资料和素材来源：
中央电视台. 《军工巡礼 非凡十年》 第2集 强国之力（8:30开始）.
冯艳丽,赵海泉,胡淑芳,张占权. 国产化高性能F-12芳纶纤维研究进展.复合材料：创新与可持续发展(下册).2010:540-548.
冯艳丽.自主研发高性能杂环芳纶,保家卫国,服务民生.纺织导报,2018(S1):40-43.
赵勇.在非水介质中用电位滴定法测定5(6)-氨基-2-对氨基苯基苯并咪唑及其脱水前产物2,4,4’-三氨基苯酰替苯胺的纯度.化学推进剂与高分子材料,2001(01):31-33.
潘育英,刘向阳,彭涛,王凤德. 一种芳纶Ⅲ原丝束的后处理工艺. 中国专利：CN1293240C,2007-01-03.
罗锡林. 国产F-12蒙皮材料性能表征及充压囊体全场形变测试方法.哈尔滨工业大学,2018.
王红红. 芳纶Ⅲ纤维的结构与性能研究.西安工程大学,2015.
