高性能纖維的性能及應用

孫曉婷，郭 亞

(青島大學紡織服裝學院,山東青島 266071)

?

高性能纖維的性能及應用

孫曉婷，郭 亞

(青島大學紡織服裝學院,山東青島 266071)

高性能纖維是具有特殊的物理化學結(jié)構(gòu)、性能和用途，或具有特殊功能的化學纖維。簡述了高性能纖維的基本分類，并介紹了芳綸纖維、PBO纖維、碳纖維、玻璃纖維四種高性能纖維的性能及應用，并分析了高性能纖維今后的發(fā)展趨勢。

芳綸 PBO纖維 碳纖維 玻璃纖維

0 引言

高性能纖維是指具有高承載力、高耐久性的化學纖維，它們具有特殊的物理、化學結(jié)構(gòu)以及功能性，如高強、高模、高彈性、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、耐輻射、抗燃、耐磨損、導電等功能。一般指強度大于17.6cN/dtex，彈性模量在440cN/dtex以上的纖維[1]。這類纖維采用高新技術(shù)制成，大多應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、環(huán)境保護和尖端科學等領(lǐng)域。

高性能纖維分為兩大類：有機纖維和無機纖維。目前，比較常見的有機纖維主要包括間位芳綸(芳綸1313)、對位芳綸(芳綸1414)、PBO纖維等；無機纖維主要包括碳纖維、玻璃纖維等。其主要性能對比如表1所示[2]：

表1 幾種高性能纖維性能對比

1 幾種主要的高性能纖維

1.1 芳綸纖維

芳綸(Aramid fiber)，又稱芳香族聚酰胺纖維，是一種新型高科技合成纖維，主要包括全芳香族聚酰胺纖維和雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維兩種，可分為間位(PMTA)、對位(PPTA)和鄰位三種[3]，目前常用的主要有間位芳綸和對位芳綸兩種。其中PMTA與PPTA的主要區(qū)別在于酰胺鍵與苯環(huán)上的連接位置不同，其分子結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 間位和對位芳綸的分子結(jié)構(gòu)

1.1.1 間位芳綸

間位芳綸，即聚間苯二甲酰間苯二胺(PMTA)纖維，商品名為Nomex，是由酰胺基團相互連接間位苯基構(gòu)成的排列規(guī)整的鋸齒型大分子。間位芳綸具有良好的力學特性，屬難燃纖維，極限氧指數(shù)LOI≥29%，在空氣中不會自燃，離火后自熄，阻燃性好；玻璃化溫度為270℃，高溫環(huán)境中仍可保持較高的強度和較好的穩(wěn)定性，當溫度超過400℃時，纖維逐漸開始發(fā)脆、炭化形成隔熱層，起到保護作用；間位芳綸介電常數(shù)很低、絕緣性好，并具有優(yōu)良的抗輻射性能。[4]

間位芳綸具有優(yōu)異的耐熱性、化學穩(wěn)定性，可在高溫環(huán)境中長期工作，將其加工成過濾袋，可用于空氣污染較重領(lǐng)域的高溫煙塵過濾。利用間位芳綸的阻燃性，將其制成消防服、軍需作戰(zhàn)服、搶險救援服等防護服裝，無需任何處理，即具有高效、永久的阻燃功能。由于間位芳綸具有電絕緣性，可加工成芳綸紙用作導線、電纜的絕緣材料，電動機、發(fā)電機及變壓器中的線圈繞阻。[5]

1.1.2 對位芳綸

對位芳綸，即聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)纖維，商品名為Kevlar，是世界上首例采用高分子液晶紡絲制得的纖維，開創(chuàng)了高性能合成纖維的新時代。對位芳綸最突出的特點是：高強、高模、耐高溫和耐沖擊。其拉伸強度為3.0Gpa～5.5Gpa，約為玻璃纖維的1.5倍，鋼絲的3倍。纖維熱穩(wěn)定性好，在高溫下仍能保持較高的強度；極限氧指數(shù)(LOI)較高，阻燃性好。但由于對位芳綸纖維表面缺少活性基團，導致其與樹脂界面的黏結(jié)性較差，因此，可對其進行改性處理，以提高界面的黏結(jié)性。[6-7]

對位芳綸主要應用于汽車工業(yè)、防護材料、光纜、加固材料、密封材料、橡膠增強材料等領(lǐng)域。芳綸樹脂基增強復合材料用于飛機、火箭等飛行器的結(jié)構(gòu)材料，密度小、質(zhì)量輕，節(jié)省動力燃料；將多層對位芳綸布經(jīng)樹脂粘合、高溫高壓成型制成的防彈衣、防彈頭盔等具有高強、質(zhì)輕、防護面積增加等特點，樣式美觀、成型性好；使用對位芳綸簾子線生產(chǎn)超輕、超薄、低阻力的輪胎，可延長輪胎的使用壽命，改善轉(zhuǎn)向性和舒適性，節(jié)油效果明顯。[8]

1.2 PBO纖維

PBO纖維是聚-P-亞苯丙二噁唑纖維的簡稱，是在對位芳香族聚酰胺纖維的基礎(chǔ)上形成的，被譽為21世紀的“超級纖維”[9]。其分子結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 PBO纖維的分子結(jié)構(gòu)

通過表1中幾種高性能纖維的性能對比結(jié)果可以看出，PBO纖維具有質(zhì)輕、高強、高模、耐高溫等優(yōu)異性能；纖維極限氧指數(shù)高達68%，極好的熱穩(wěn)定性和阻燃性，即使在600℃的高溫條件下也不會分解；有非常好的抗蠕變、耐磨和耐化學性能，可保持較好的柔軟性；其性能完全凌駕于碳纖維之上，應用領(lǐng)域十分寬廣。[10]

PBO纖維可以制成長絲、短纖、超短纖維漿粕等，主要用于要求既耐熱又具有高強、高模的領(lǐng)域中。PBO纖維可代替鋼絲作為輪胎增強材料，使輪胎輕質(zhì)化；利用PBO纖維高強、高模的特性制作需要承受高拉力的繩索、纜繩以及賽艇帆布等；同時利用PBO纖維的阻燃性，可開發(fā)出耐高溫阻燃飛行服、消防服、高溫傳送帶、防護手套等。[11]

1.3 碳纖維

碳纖維是指含碳量大于90%，具有高強度、高模量的無機高分子纖維狀碳材料，按原料來源可分為聚丙烯腈基(PAN)碳纖維、粘膠基碳纖維、瀝青基碳纖維三大類[12-14]，其主要力學性能如表2。[15]

表2 碳纖維種類及性能

碳纖維具有高強、高模、導電、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等多種優(yōu)異性能[12-14]，熱膨脹系數(shù)近似為0。纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比鋁輕，但強度卻遠高于鋼鐵，不僅具有碳的固有本征，又兼具紡織纖維柔軟可加工的特性。[16]

目前，絕大部分碳纖維是以復合材料的形式出現(xiàn)，如碳纖維增強紙、碳纖維增強塑料、碳纖維增強橡膠、碳纖維增強混凝土、碳纖維增強陶瓷等，廣泛應用于航空航天、紡織機械、建筑材料、汽車工業(yè)、體育用品等領(lǐng)域[12-14]。采用碳纖維復合材料制造的飛機、火箭、衛(wèi)星等高速飛行器，質(zhì)量輕、速度快、動力消耗少，可以節(jié)約大量燃料。利用碳纖維的質(zhì)輕、高強、耐腐蝕等優(yōu)點，將其制成混凝土復合材料已大量應用于橋梁、房屋等需要結(jié)構(gòu)加固的場合。采用碳纖維復合材料制成的車身零部件，極大地減輕了車身重量，提高了燃料的利用效率。用碳纖維做成的方向盤，具有更高的機械強度和抗沖性。[17]

1.4 玻璃纖維

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料[18-19]，是以硅酸鹽類物質(zhì)為原料經(jīng)高溫熔融紡絲制成，單絲直徑一般為3μm～10μm。其最大特點是抗拉強度高，但伸長小、耐扭曲性差，容易發(fā)生脆斷。纖維導熱系數(shù)小、耐熱性好，介電常數(shù)低，導電性差。

玻璃纖維是人工制備最早的紡織纖維材料，目前已應用到很多領(lǐng)域中。利用玻璃纖維不吸濕、耐高溫、高電阻率等特性，將其制成層狀絕緣材料，用作電纜絕緣防護管套；以高聚物為基體、玻璃纖維織物作為增強體制成的“玻璃鋼”復合材料廣泛應用于航空、交通、機械、電子、化工等領(lǐng)域[18-19]；利用玻璃纖維較低的光導損耗，可制成光纜等通訊傳輸材料；玻璃纖維的各種氈材還可用作汽車的頂篷、車門墊層等裝飾材料。

2 高性能纖維的發(fā)展方向

高性能纖維是先進復合材料的理想增強體，它的開發(fā)和應用對材料科學領(lǐng)域的發(fā)展起到了極大的推動作用，受到了人們的青睞，應用范圍也在不斷擴大，可以體現(xiàn)出一個國家的科技水平和綜合實力。但是，我國高性能纖維的發(fā)展起步較晚，目前還主要依賴進口，因此，需要加大對高性能纖維的研發(fā)力度，以提高我國的科技水平。未來高性能纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點目標主要體現(xiàn)在以下幾方面：

2.1 高性能纖維低成本化

改進高性能纖維的紡絲技術(shù)和設(shè)備，實現(xiàn)高性能纖維的低成本規(guī)?；a(chǎn)。通過降低纖維制造成本，來提高產(chǎn)品的市場競爭力，并擴大其纖維制品的應用范圍。

2.2 實現(xiàn)高性能纖維產(chǎn)業(yè)鏈一體化

實現(xiàn)“原料—纖維—制品”產(chǎn)業(yè)鏈的一體化生產(chǎn)，完善和系列化生產(chǎn)各種型號規(guī)格的高端產(chǎn)品，進一步突破新品種開發(fā)技術(shù)，同時還要重視自主知識產(chǎn)權(quán)的保護和維權(quán)，全面提升市場競爭力。

2.3 制定相關(guān)產(chǎn)業(yè)標準，加強技術(shù)創(chuàng)新合作

制定高性能纖維相關(guān)的行業(yè)標準和國家標準，嚴格控制高性能纖維的檢測規(guī)范；企業(yè)應加強與高等院校、科研院校等的合作開發(fā)，加強相關(guān)企業(yè)之間的合作研發(fā)，實現(xiàn)合作共贏。

3 結(jié)語

高性能纖維的發(fā)展對未來尖端科技的發(fā)展、太空資源以及武器裝備的研發(fā)有著不可替代的作用，是一類具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)材料。我國應緊抓高性能纖維產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展機遇，加大開發(fā)與扶持力度，促進高性能纖維為國家綜合實力做出貢獻。

[1] 鄭玉嬰，傅明連，王燦耀，等.芳綸纖維及其復合材料的研究進展[C].//第十三屆全國復合材料學術(shù)會議論文集，2004：1514-1518.

[2] 金俊弘，楊勝林，李光，等.高性能PBO纖維的成型、性能改善及其應用研究[J].高分子通報，2013(10)：60-70.

[3] 孫曉婷，郭亞.芳綸纖維的研究現(xiàn)狀及應用[J].成都紡織高等專科學校學報，2016(3)：164-168.

[4] 李岱霖，陳家旺，劉洋，等.間位芳綸耐酸腐蝕性能及表面改性研究[J].上海紡織科技，2012，40(12)：26-28.

[5] 宋翠艷，宋西全，鄧召良，等.間位芳綸的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].紡織學報，2012，33(6)：125-128，135.

[6] 江明，陸趙情，張美云，等.對位芳綸纖維結(jié)構(gòu)、性能及其應用[J].黑龍江造紙，2013，41(3)：3-6，12.

[7] 王鳳德，彭濤，陳超峰，等.對位芳綸及其復合材料綜述并產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思考[J].化工新型材料，2010，38(z1)：205.

[8] 李曄.對位芳綸的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)分析及展望[J].合成纖維，2009，38(9)：1-5，10.

[9] 董曉寧，尉霞，郭昌盛.PBO纖維的性能及應用[J].成都紡織高等?？茖W校學報，2016(2)：182-185.

[10]譚家茂，賈麗霞.PBO與T700纖維及其復合材料的性能研究[J].纖維復合材料，2004(4)：3-5.

[11]于偉東.紡織材料學[M].北京：中國紡織出版社，2006.

[12]趙曉明，劉元軍，拓曉.碳纖維及其應用發(fā)展[J].成都紡織高等?？茖W校學報，2015(3)：1-5.

[13]郭昌盛，田亞紅，楊建忠.碳纖維性能及表面改性方法研究[J].成都紡織高等專科學校學報，2016(1)：168-171.

[14]李建利，張新元，張元，等.碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)應用[J].成都紡織高等?？茖W校學報，2016(2)：158-164.

[15]裘愉發(fā).主要高性能纖維的特性和應用[J].現(xiàn)代絲綢科學與技術(shù)，2010，25(1)：17-19，24.

[16]胡興軍.碳纖維：一種重要的建筑材料[J].玻璃纖維，2004(3)：41-45.

[17]陳麗瑤.碳纖維制備方法及應用[J].科學導報，2015(5)：213-213.

[18]趙家琪，趙曉明，李錦芳，等.玻璃纖維的應用與發(fā)展[J].成都紡織高等專科學校學報，2015(3)：41-46.

[19]韋鑫，沈蘭萍.玻璃纖維的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].成都紡織高等?？茖W校學報，2016(4)：178-181.

Properties and Applications of High Performance Fiber

SUNXiao-ting,GUOYa

(College of Textile & Clothing,Qingdao University,Qingdao 266071)

High performance fibers are fibers with special physical and chemical structures,properties,applications or special functions. The basic classification of high performance fibers was briefly described,the properties and applications of four kinds of fibers including aramid fiber,PBO fiber,carbon fiber and glass fiber were introduced and the development trend of high performance fiber in the future was analyzed.

aramid fiber PBO fiber carbon fiber glass fiber

2016-12-20

孫曉婷(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計。

TS102

A

1008-5580(2017)02-0216-04