主要高性能纤维的特性和应用

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1、主要高性能纤维的特性和应用裘愉发( 上海市纺织工程学会, 上海 200060)摘 要:简介了列入/ 十一五0科技攻关的 PAN 基碳纤维、 芳砜纶、 玄武岩纤维及其复合材料、 聚苯硫醚纤维、 高强高模聚乙烯纤维等高性能纤维及 PBO 纤维、 聚酰亚胺纤维和聚四氟乙烯纤维的性能及其可开发的纺织产品, 并指出了这些高性能纤维的开发前景。关键词:高性能纤维; 产品开发;发展前景上世纪初世界上就研究开发出再生纤维中的粘胶纤维, 1930 年代又开发出合成纤维中的尼龙, 并在以后相继研发出聚酯、 聚丙烯等纤维, 但它们的强度和模量一直维持在一个低的水平。直到 1970 年代初刚性链聚芳酯芳纶和 1970

2、 年代末柔性链聚乙烯、 高强高模聚乙烯纤维的出现, 纤维的强度和模量才发生了根本性的突破, 从而使高性能纤维如雨后春笋般地发展。高性能纤维是指与传统的棉、 毛、 丝、 麻等天然纤维及涤纶、 锦纶、 丙纶、 腈纶等合成纤维相比, 具有高弹性系数、 高强度、 耐热性、 耐摩擦性、 耐化学药品性、 电绝缘性的新型化学纤维, 并对外部的作用不易产生反应, 它属于高科技纤维, 可分有机纤维和无机纤维两大类。1 主要的高性能纤维列入我国5/ 十一五0科技攻关和产业化项目指南6的高性能纤维是: 碳纤维、 芳纶、 玄武岩纤维及其复合材料、 聚苯硫醚纤维和高强高模聚乙烯纤维等。1. 1 PAN 基碳纤维碳纤维(

3、 ACF) 的生产原料有粘胶纤维( Ray2on)、 聚丙烯腈纤维(PAN)、 酚醛纤维、 沥青纤维等,各种碳纤维的性能如表 1 所示, 而 PAN 基碳纤维因其具有的高强度、 高刚度、 重量轻、 耐高温、 耐腐蚀、 优异的电性能等特点, 在与其他纤维的竞争中具有较大发展优势。表1 常用碳纤维品种的物理性能碳纤维品种碳含量 / %拉伸强度 / MPa杨氏模量 / GPa体积质量 /(g/ cm3)电阻率 / 8. cm单丝直径 / Lm聚丙烯腈基碳纤维953 9002301. 80100157沥青基碳纤维 90 34541. 6-0100420100710215粘胶基碳纤维 901800751

4、. 7-6. 5聚丙烯腈(PAN)基碳纤维有两大类, 即大丝束碳纤维( LT)和小丝束碳纤维(CT)。1990 年代中期以前世界上生产的都是 CT 型碳纤维。1996 年美国在 LT 型碳纤维技术上取得重大突破并进行了工 业化生产, 生产出位伸强度可以与 CT 型碳纤维相媲美的 LT 型碳纤维, 逐渐取代了原来由 CT 型碳纤维独占的军事国防、 航空航天、 体育休闲等应用领域, 进而广泛地向其他领域渗透和发展。 世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、 东邦人造丝、 三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克(Zoltek)、 阿克苏(Akzo)、 阿尔迪拉( Aldil1)和德国 的 SGL 公司等。现

5、在 PAN 基碳纤维在国外获得应用的主要领域有: 航空航天工业, 地面交通工具, 如汽车、 快速列车等, 造船工业、 码头和海上设施, 体育用品与休闲用 品、 电子产品, 基础设施以及造纸、 纺织、 医疗器械、 化工、 冶金、 石油、 机械工业等领域, 要求零部件在高强度、 高刚度、 重量轻、 耐高温、 耐腐蚀等环境下工作。1. 2 芳砜纶 商品名 Tanlon 的芳砜纶是上海纺织科学研究院和上海合成纤维研究所历经多年研制开发的拥有独立知识产权的有机耐高温纤维, 可广泛用于防护织品、 过滤材料、 电绝缘材料、 摩擦材料等领域。芳 砜纶耐高温, 长期使用温度为250 e , 瞬时使用温度1720

6、10 年第 1 期 现代丝绸科学与技术可达 300 e ; 热收缩稳定, 沸水中的热收缩率为 0. 5% 1. 0%, 在 300 e 空气里热收缩率为 2% ; 还具有难燃的特点。属于对位芳纶系列, 学名为聚苯砜对苯二甲酰胺纤维, 系由 4, 4 二氨基二苯砜, 3, 3 二 氨基二苯砜和对苯二甲酰氯的缩聚物制成的纤维。纤维强度为 2. 65 3. 97 cN/ dtex; 伸长率 20% 25% ; 初始模量为 7 448 N/ mm2; 比重为 1. 416。由于芳砜纶既有对位又有间位的结构, 大分子链上又 有砜基存在, 所以具有突出的耐热、 耐燃性能, 在300 e 热空气中加热 10

7、0 h 强力损失小于 5% 。此外, 还有较好的电绝缘性和抗辐射性能。它的用途 主要有: 防护制品, 如宇航服、 飞行通风服、 特种军服、 军用蓬布、 消防服、 消防战斗服、 炉前工作服、 电焊工作服、 森林工作服、 均压服、 防辐射工作服、 化学防护服、 高压屏蔽服、 宾馆用纺织品及救生通道、 防 火帘、 防火手套等; 过滤材料, 如烟道气除尘过滤袋、 稀有金属回收袋、 热气体过滤软管以及作为耐酸、 碱及一般有机溶剂的过滤材料和耐腐蚀材料; 电绝缘材料: 电机绝缘材料、 变压器绝缘材料、 防电 晕绝缘板、 绝缘无纺布、 絮片和毡、 印刷电路板等; 蜂窝结构材料: 飞机夹层材料、 赛艇、 轮船

8、夹层材料、隔音隔热和自熄材料、 护墙材料、 复合材料等。 1 13 玄武岩纤维又称玄武纤维, 是用火山爆发出的玄武岩矿石破碎后经 1 450 1 500 e 的高温熔融后拉丝而成。玄武岩纤维有极高的使用温度, 高的断裂强度, 高模 量, 优异的力学、 物理、 化学性能, 极低的热传导系数, 高的吸音系数, 极低的吸湿性, 高的比体积电阻,抗紫外线, 吸波功能, 防辐射, 防电磁, 燃烧无熔滴, 燃烧烟密度低, 环保无污染等特性。用玄武纤维织成布、 制成板就是玄武岩纤维布、 玄武岩纤维板, 用玄武纤维布或板可制成任意形状的产品, 都具有下列功能: 良好的阻燃性, 极限氧指数( LOI) 70;

9、特 高软化温度 1 200 e ; 极高的使用温度 800 e ;极低的使用温度 -260 e ; 高的断裂强度, 为3 200 MPa; 低的断裂伸长率, 为 3. 1% ; 高的弹性模 量, 为 89 GPa; 体积质量为 2. 6 3. 05 g/ cm3; 低的热传导系数为 0. 035 W/ m # K; 吸音系数为 0. 95;吸湿性为 0. 1%; 电阻为 110128 # m; 防辐射铅当量为 010073 mmPb。此外玄武纤维还具有较好的 化学和物理稳定性、 抗紫外线性能和吸波、 透波功能、 无毒性、 燃烧无熔滴、 燃烧烟密度低、 环保无污染等特性。玄武纤维可广泛用于航天、

10、 航空、 高速列车、 汽车、 船舶、 国防、 军工、 安防、 建筑工程、 防火工程、 海 洋工程、 土木工程、 公路工程、 桥梁工程、 电力工程、石油工程、 加固工程等行业, 作为耐高温隔热保温材料、 复合增强纤维材料、 高性能摩擦和过滤材料。 1 1 4 聚苯硫醚(PPS)纤维聚苯硫醚( PPS) 纤维是一种新型高性能纤维,具有良好的机械性能及优良的电绝缘性能: 耐高温,熔点约 285 e , 结晶温度约 125 e , 在 200 220 e 空气气氛中可长期使用, 700 e 时将完全降解, 其制品在 200 e 时的强度保持率为 60% ; 它的阻燃性能是: 极限氧指数 34 35,

11、在正常的大气条件下不会 燃烧, 自动着火温度590 e , 有较低的延燃性和烟密度, 发烟率低于卤化聚合物; 突出的耐化学稳定性仅次于聚四氟乙烯纤维, 在极其恶劣的条件下仍能保持其原有的性能, 在200 e 下不溶于任何化学溶剂, 只有浓硝酸、 浓硫酸和铬酸等强氧化剂才能使纤维发生剧烈的降解, 制成的非织造布过滤织物在 93e的 50%硫酸中具有良好的耐蚀性, 强度保持率无显著影响。它主要用于特种功能过滤材料, 如燃煤锅 炉过滤袋用布, 造纸机用布、 电子工业专用纸、 电绝缘体、 电解隔膜、 气液过滤材料、 特种垫圈和包装材料的高性能组分, 以及防雾材料, 耐辐射材料等。 1 1 5 超高强高

12、模聚乙烯(UHMWPE)纤维UHMWPE 是继碳纤维、 芳纶之后, 发展起来的第三代高性能纤维。它是分子量为(1 6) 106的聚乙烯(PE)产品, 通常用 Zieglar Natta 方法由乙 烯或乙烯与 A 2烯烃聚合而成, 属热塑性工程塑料。UHMWPE 纤维是由平均分子量在 100 万以上的聚乙烯所纺制的纤维, 其结构规整, 易结晶。其晶体 强度理论值为 31G Pa, 结晶模量理论值为 316GPa, 晶格中分子链呈平面锯齿形。它的热性能是:熔点 130 131 e ; 最高使用温度为 80 100 e , 在稍高温度短时间下仍能保持原有性能, 这一点对用 于复合材料加工时非常重要。

13、而纤维的拉伸强度为3. 5 GPa, 模量为 116 GPa, 伸长率为 3% 左右。它有优良的力学性能, 相对于碳纤维、 玻璃纤维和芳纶 来说, 其接伸断袭强度最大; 有优良的耐冲击性能,抗冲击能力比碳纤维、 芳纶及一般玻璃纤维复合材料高。UHMW- PE 纤维复合材料的比冲击总吸收能量分别是碳、 芳纶和 E 玻璃纤维的 1. 8, 2. 6 和 3 倍, 因而是制作防弹材料的理想纤维; 有极好的弯曲性能; 有优良的耐化学腐蚀性, 不含易受活性试剂攻击的化学基团, 结晶度又高, 因此在各种苛性环境中强度均保持在 90% 以上, 水中浸泡 2 年, 仍保留18现代丝绸科学与技术 2010 年第

14、 1 期原有强度, 还可防生物腐蚀; 有优越的耐磨性能, 该 纤维的摩擦系数低, 耐磨性和弯曲疲劳比芳纶高; 良好的电绝缘性, 反射雷达波很少, 对雷达波的透射率高于玻璃纤维复合材料, 适用于制造各种雷达罩; 有 良好的耐光性能, 耐日晒性是纤维中最好的, 经1 500 h的光照, 强度保持率仍为 75% 左右, 而其他纤维均在 50%以下, 并是有机纤维中耐光性最优异的纤维, 即使经 1 500 h 的光照, 纤维的强度保持率 仍在 60%以上超高分子量聚乙烯纤维主要应用在绳索类, 由于其破裂强度大大高于其他高强度纤维, 因而可制 作各种加捻线编制的耐海水、 耐紫外线、 不会沉浸而浮于水面的

15、工具, 广泛应用于拖、 渡船和海船的系泊, 油船和货船的绳缆; 在网类中可织成高强网, 用于建筑安全网、 拖渔网、 围网、 货物吊网等; 在防弹领 域应用于防弹衣、 防弹装甲和防弹头盔, 特别是防弹衣具有防水、 对化学介质不起反应、 能抵御连发枪弹, 而防弹头盔具有寿命长、 质量小、 佩戴舒适, 而防弹装甲可克服重心、 速度和机动性等问题; 并可制作 学生穿的/ 防刀衣0; 在休闲运动材料中可制作弓弦、钓鱼线、 降落伞、 风筝线、 击剑套服; 在医用材料上可制成手术用缝纫线、 导管等医疗元件; 可用编织、 机 织等加工各类防护服; 而无纺织物可制成重量最轻,柔韧性、 穿着舒适性强, 防弹、 防

16、钝伤效果较好的防弹背心。2 其它高性能纤维2 11 PBO纤维PBO 纤维是聚对苯撑苯并双噁唑纤维的简称,是 20 世纪 80年代美国为发展航天航空事业而开发 的复合材料用增强材料, 是含有杂环芳香族的聚酰胺家族中最有发展前途的, 它被为 21 世纪超级纤维, 日本东洋纺有限公司商品名为柴隆(Zylon)的产品, 现已正式上市, 正在开发单纤维和复合材料的用 途。PBO 作为 21 世纪超性能纤维, 具有十分优异的物理机械性能和化学性能, 其强力、 模量为 Kev2 lar 纤维的两倍并兼有间位芳纶耐热阻燃的性能, 而且物理化学性能完全超过迄今在高性能纤维领域处于领先地位的 Kevlar 纤维。PBO 纤维的强度、 模量、 耐热性和抗燃性, 不仅超过钢纤维, 而且可凌驾 于碳纤维之上。此外, PBO 纤维的耐冲击性、 耐摩擦性和尺寸稳定性均很优异, 并且质轻而柔软, 是极 其理想的纺织原料, 应用领域十分广阔。2 1 2 聚酰亚胺纤维聚酰亚胺纤维与 Kevlar 纤维比较有更高的