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1、第五屠功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集2 0 0 5 - 5 耐切割化学纤维研究进展1 赵义平陈莉詹京涛 ( 天津工业大学材料化工学院天津3 0 0 1 6 0 ) ( 改性与功能纤维天津市重点实验室天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要：分析了耐切割织物的耐切割机理，指出了提高纤维强度和模量对提高耐切割性的重要| 生 并综述了高强高模纤维的研究状况。 关奠词：化学纤维耐切割性高强高模 1 前言 在日常工农业生产生活中，经常会有一些纺织品需应用于与利刃接触的部位，如手套、防护衣 物、书包等。对这类纺织品通常要求其具有良好的耐切割性能，如戴手套操作刀锯时，要求手套纤 维耐切割以防伤及手部；防护衣
2、物要求其耐切割和冲击而起到防弹、防刃等作用；箱包纤维要求其 耐切割以防被盗贼用刀割破行窃。诸如此类用途，对开发耐切割纺织品提出了很高的要求，要做到 这一点，开发耐切割纤维具有非常重要的意义。 2 酎切割纤维织物的醐削机理 耐切割纤维的耐割作用过程实际上是织物对刀刃冲击的响应过程。通过分析织物上着力点处纤 维的破坏情况和观察织物背部的变形，根据织物对刀刃冲击响应的不同特点，可以将此响应过程划 分为以下五个阶段： 高速压缩阶段。高速运动的刀刃或弹片与织物接触时，由于后部织物和背材的支撑作用，瞬 问将织物压缩至最小厚度。如图1 所示。 剪切破坏阶段。刀刃作用在织物上，产生了 剪切破坏，这一破坏过程是
3、一种双边剪切过程，在 这个阶段，使得刀刃有开始变粗糙的趋势，同时伴 有后层纤维的拉伸变形。 拉伸破坏阶段。随着刀刃速度的降低，纤维 开始受到拉伸作用而变形，刀刃的动能向纤维的弹 垩：鎏 薰善星量织物三三兰E 性势能转化，当纤维的弹性势能超过其断裂功后，纤维被拉伸破坏这一阶段刀刃继续变粗糙。 “背凸”形成阶段。由于刀刃的变粗糙和减速作用，纤维的拉伸变形受到了织物后部纤维的 限制，阻止刀刃的前进，在织物上开始形成“背凸”，刀刃的动能进一步被纤维的拉伸变形所消耗。 通常刀刃在完成对织物的穿透以后会嵌在后一层织物上，观察该层织物的背面可发现明显的与球冠 或半球类似的变形，之后织物的变形会越来越大，形成
4、“背凸”。此阶段，通过纤维的拉伸变形最终 吸收刀刃的全部能量。 织物的回弹阶段。在“背凸”形成过程中，纤维由于承受拉伸变形而储存的弹性势能在刀刃 的侵入停止后需要释放出来，在宏观上表现为织物的回弹。 可见，在以上五个过程中，纤维织物在承受冲击的区域内，通过变形而吸收冲击能，吸收冲击 能的多少决定了其耐切性能的好坏。 研究发现，纤维的纵向拉伸断裂强度、断裂伸长率、弹性模量、耐热性和长丝粗细是影响纤维 1 天津工业大学校级项目 1 7 2 第五届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集2 0 0 5 5 抗冲击性以及耐切割性等的几大主要内在因素。织物所用纤维的强度越高、模量越大、弹性延伸率 越小，则其在
5、冲击区域内所形成的受力面积越大，吸收冲击能越多，耐剪切等防护性能越好；纤维 的伸长率越低、受力纤维的根数越多，所吸收的冲击能也越高，使冲击物速度下降得越快，对织物 造成的伤害也就越小。1 。因此，提高纤维的强度和模量，制各高强高模纤维是提高纤维耐切割性的 重要前提。 3 高强高模纤维的制各 制备具有良好耐切割性的高强高模纤维主要有三种基本途经：化学方法。即通过分子设计和 特殊的聚合方法，合成并制备出具有特定结构的高强高模纤维；物理方法。即对常规化学纤维进 行改性处理，提高其强度和模量，从而达到耐切割效果。如采用共混和填充技术制备具有良好的耐 割效果的纤维：制各皮一芯结构纤维。即通过特殊纺丝工艺
6、，制备具有皮一芯结构的高强高模纤 维。 3 1 化学方法 近年来，通过聚合反应已合成出了一些具有良好耐切割效果的化学纤维。如超高分子量聚乙烯 ( U H M W P E ) 纤维、P A N 基碳纤维、聚苯并双嚼唑( P B O ) 超级纤维、对位芳纶纤维( P P T A ) 等芳香族 聚酰胺纤维以及其它一些特殊的高性能纤维。此类纤维较常规化学纤维具有较高的强度、模量以及 比强度和比模量。通常强度大于1 7 6 c N d t e x ，模量高于4 4 0 c N d t e x ，具有先天的耐切割性能。“3 。 通过化学方法合成的高强高模纤维分子结构上一般多具有如下特点：其一，聚台物属刚性
7、链， 长链分子很少折叠；另一类是纤维聚合物分子以柔性高分子链为主，只是在纤维成形和拉伸过程中， 尽可能地利用线状高分子链的共价键力，使分子链充分伸展。利用该类型聚合物制备纤维过程中， 聚合物品种的挑选、纤维成形的过程、牵伸加工过程、热处理加工过程等非常重要。尤其在聚合物 品种选择中，又以具有较高的结晶模量，线型的分子链，占有较小的断面积，刚性，较高分子量及 可能达到较大的结晶度等为大致的基本条件E 7 8 1 o 通过化学方法合成的耐切割纤维尽管具有良好的耐切割性，但是聚合条件和纺丝工艺比较苛刻， 导致纤维制品成本居高不下。因此，这类纤维大多用于一些具有特殊要求的纺织品的生产，很难推 广于民用
8、产品。 3 2 物嘲 方接 鉴于化学合成的耐切割纤维成本高的缺点，采用物理方法对常规纤维进行改性就显得尤为重要。 目前常用的主要有共混和填充两种方法。 3 2 1 共混改性 共混改性是将性质不同的两种或两种以上的聚合物按适当比例在一定温度和剪切应力作用下进 行掺混，形成具有新性能的材料。共混过程中，一般来说，两相体系中连续相主要影响共混材料的 模量、弹性；而分散相则主要对改善冲击性能等起作用。通过调整两相体系的含量可得到不同性能 要求的制品。 共混改性是化学纤维改性较为简便且卓有成效的方法之一。将常规纤维聚合物与高强高模纤维 聚合物共混，一方面提高常规纤维聚台物强度和模量，另一方面降低高强高模
9、纤维聚合物的成本， 从而制得耐切割性能显著提高、价格合理的纤维制品。 化学纤维共混物两相之间的界面情况直接影响共混物的性能，大多数高聚物共混，由于都不具 有热力学混容性，其界面层的情况只可能是大分子链段相互扩散能力很差或有一定程度韵扩散。相 互扩散的程度主要取决于两种高聚物之间的相容性，正是这种扩散的程度决定了共混物两相之间的 粘台强度，也决定了共混物的宏观物理机械性能。因此，只有解决好这一问题，才能在一定程度上 提高纤维的强度和模量。Y u y uS u n 等研究了含9 1 7 丙烯腈的丙烯酸酯共聚物与丝绸中的蚕丝蛋白 共混问题。研究过程中首先将丙烯腈接枝到蚕丝蛋白上，以此接枝共聚物作为相
10、容剂进行共混。研 究发现在相容剂作用下，一定的蚕丝蛋白添加量内，共混纤维的拉伸强度和模量较丙烯酸酯共聚物 第五属功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集 2 0 0 5 - 5 得到明显提高，也较未添加相容剂的体系有较大提高o 1 0 。 3 2 2 填充改性 填充改性是化学纤维改性较为简便且卓有成效的另一种方法，即在纤维成形加工过程中添加与 基体树脂在组成和结构上不同的固体添加物( 无机填料或有机填料) ，进而改善纤维某些性能“。 对于化学纤维填充改性，大量研究表明，在相同的填充条件下，超细填充体系的力学性能高于 普通填料填充体系，即改性效果更好。如填料粒子直径d 大于l O O n m ，在受力
11、状态下将会在粒子周 围引起应力集中；若d 小于l O n m ，则接近于固溶体，这样只由基体承受外载应力。所以在树脂基复 合材料中采用细微粒子可使其高度弥散分布于基体中，因此它可阻碍基体产生塑性变形，而引起分 子链运动，从而起强化基体的作用“。 一般认为，纳米填料所表现出的特殊效能，主要是因为当填料尺寸达到纳米级( 1 0 0 n m ) 以下时， 其粒子表面积大，表面层原子数量大，表面原子处于高度活化状态，使之与本体材料产生显著差异， 出现所谓“纳米效应”“。在复合纤维中，纳米填料相与基体相之间的界面面积大、作用力大，界 面粘接良好，可消除无机物与聚合物基体两物质热膨胀系数不匹配问题，因而具
12、有更好的力学性能 和耐热性。 在常规纤维聚合物中掺入纳米颗粒，由于纳米粒子表面有大量缺陷，所以不仅具有蓄能作用， 而且与大分子链之间有较强的范德华力作用，此外纳米粒子填充进火聚合物的缺陷内部，使体系的 应力集中状态发生了改变，产生增韧增强效果。其基本机理如下：无机纳米粒子的存在产生应力 集中效应，易引发周围树脂产生微开裂，吸收一定的变形功：无机纳米粒子的存在使基体树脂裂 纹扩展受阻和钝化，最终终止裂纹，不致发展为破坏性开裂；随着纳米粒子粒径的减小，粒子的 比表面积增大，填料与基体接触面积增大，材料受冲击时产生更多的微裂纹，吸收更多的冲击能“ 1 舶 近年来，利用纳米粒子提高纤维强度和模量的研究
13、较多“”“1 。但需注意的是，若填料用量过多， 微裂纹易发展成宏观开裂，反而造成复合纤维性能的下降。 3 3 皮一芯结构纺丝 利用皮一芯纤维纺丝工艺研制耐切割的皮一芯结构 纤维是近年来提高纤维耐切割性的重要技术进步，如图2 所示“”1 。该纤维断面结构由两层甚至多层复合而成，一 般外层成纤高聚物是一种强度、模量较高的聚合物，耐切 割性能好，而内层聚合物则保持纤维具有良好的韧性及其 它性能。通过控制皮芯结构的配比和界面的相容性可取得 良好的耐割效果“”。 美国专利发明了一种耐割的皮一芯纤维，该纤维由一 种成纤高聚物及一种莫氏强度大于3 的硬质填充剂组成。 填充剂的填加量为0 0 5 w t 2
14、0 W t 。为了取得更好的耐 切割效果，成纤高聚物一般选择P E T 或液晶聚酯。其中液 图2 - 皮一芯结构纺丝示意图 晶聚酯的单体多是6 一羟基一2 一荼酸或4 一羟基苯酸组成。比 较合适的填加剂有钨和氧化铝等“。日本研制出一种耐切、耐磨皮一芯纤维，这种耐磨皮一芯纤维 包括以金属茂引发的聚乙烯为芯，以特性粘度0 7 5 o 9 9 的P E T 为皮。皮的熔点、模量和强度比芯 高，进而提高了复合体系的强度和模量”“。 4 小结 提高纤维的耐切割性关键在于提高其强度和模量，这在一定的受力情况下可以节约原材料，使 得制品轻量化。因此，其应用在日用品、文娱、体育、工业材料、车辆、船舶、汽车、飞
15、机、火箭 甚至宇宙飞船和车站设施等广阔的应用领域中都可以无止境的扩展。另一方面，一般说来，在提高 1 7 4 第五属功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集 2 0 0 5 - 5 纤维强度和模量的同时，耐热性、耐化学性、耐放射性以及耐光性等也会随之提高，因此更加可以 扩大纤维的应用范围。 参考文献： 1 梁子青，周庆等1 i O d W P E 纤维L D P E 复合材料防弹性能及机理研究纤维复合材料，2 0 0 2 ，6 ( 4 ) ：6 9 2 姚穆，周锦芳等纺织材料学，北京：纺织工业出版社，1 9 9 3 ，第二版 3 郭晓玲，李龙高强高模纤维在高科技产业领域中的应用，产业用纺织品，2 0
16、 0 2 ，2 0 ( 4 ) ：2 6 2 9 4 罗益锋世界超高相对分子质量聚乙烯纤维发展概况与对策建议高科技纤维与应用，1 9 9 9 。2 4 ( 5 ) ：1 3 1 9 5 王同英，陈振宝等轮胎用芳纶帘线的性能研究轮胎工业，2 0 0 2 ，2 2 ( 8 ) ：4 7 8 4 8 0 6 叶春葆国外高强度高模量纤维的新进展原材料，1 9 9 6 ，3 ；8 1 3 7 功刀利夫著张文俊，吴清基译自纤维和工业，1 9 8 8 ，4 4 ( 9 ) ：3 2 7 8 罗益锋高强纤维结构优化初探合成纤维工业，2 0 0 3 ，2 6 ( 1 ) ：l 5 9 Y u y uS u n ，Z h e n g z h o n gS h a n ，e ta 1 C o m p a l i b i l i z a t i o no f A c r y l i cP o l y m e r - - S i l k F i
