主要高性能纤维的特性和应用

主要高性能纤维的特性和应用
裘愉发
【摘要】简介了列入"十一五"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、聚酰哑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.
【期刊名称】《现代丝绸科学与技术》
【年(卷),期】2010(025)001
【总页数】4页(P17-19,24)
【关键词】高性能纤维;产品开发;发展前景
【作者】裘愉发
【作者单位】上海市纺织工程学会,上海,200060
【正文语种】中文
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《“十一五”科技攻关和产业化项目指南》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(ACF)的生产原料有粘胶纤维(Rayon)、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/Ω．cm单丝直径/μm聚丙烯腈基碳纤维9539002301．8000157沥青基碳纤维≥90≥34541．6-0004⁃000710⁃15粘胶基碳纤维≥901800751．7-6．5
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 ℃，瞬时使
用温度可达300 ℃；热收缩稳定，沸水中的热收缩率为0.5%～1.0%，在300 ℃
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 ℃热空气中加热100 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：①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；②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；③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；④蜂窝结构材料：飞机夹层材料、赛艇、轮船夹层材料、隔音隔热和自熄材料、护墙材料、复合材料等。

1.3 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 ℃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；特高软化温度>1 200 ℃；极高的使用温度>800 ℃；极低的使用温度<-260 ℃；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1×1012Ω·m；防辐射铅当量为0.0073 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、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。

1.4 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 ℃ ，结晶温度约125 ℃，在200～220 ℃空气气氛中可长期使用，700 ℃时将完全降解，其制品在200 ℃时的强度保持率为60%；它的阻燃性能是：极限氧指数34～35，在正常的大气条件下不会燃烧，自动着火温度590 ℃，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 ℃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93℃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。

1.5 超高强高模聚乙烯(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α-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316 GPa，晶格中分子链呈平面锯齿形。

它的热性能是：熔点130～131 ℃；最高使用温度为80～100 ℃，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。

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”；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、防钝伤效果较好的防弹背心。

2 其它高性能纤维
2.1 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Kevlar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。

2.2 聚酰亚胺纤维
聚酰亚胺纤维与Kevlar纤维比较有更高的热稳定性，更高的弹性模量，低的吸水性，可望在原子能工业、空间环境、救险需要、航空航天、国防建设、新型建筑、高速交通工具、海洋开发、体育器械、新能源、环境产业及防护用具等领域得到广
泛的应用。

如聚酰亚胺纤维可以编成绳索、织成织物或做成无纺布，用在高温、放射性或有机气体或液体的过滤、隔火毡、防火阻燃服装等。

高强高模的聚酰亚胺纤维(其断裂强度仅次于PBO纤维，初始模量与PBO纤维相当)属于先进复合材料的增强剂，用于航空、航天器以及火箭的制造，由于聚酰亚胺纤维增强复合材料的机械性能优异，因而在某些应用领域已取代了碳纤维复合材料。

聚酰亚胺纤维其他的开发领域，有聚酰亚胺微观复合材料和聚酰亚胺低聚物，它们可与尼龙进行共聚合，并使之具有功能改性。

2.3 聚四氟乙烯
聚四氟乙烯纤维是日本东丽比较具有代表性的高性能纤维，它从1965年开始生产，现在拥有3个著名品牌：“TOYOFLON○R”是东丽自有的一个商标；“TEFLON○R”是纤维领域的品牌；“TEFAIRE○R”是玻璃纤维与氟素纤维的混合，是用于垃圾焚烧炉用过滤毡的品牌。

聚四氟乙烯，从分子构造来看，碳-氟键的结合距离短且结合能力高，氟素原子完
全覆盖碳键，所以它兼备了耐热性、耐药品性、难燃性、电气特性、低摩擦系数；它的产品形态有：纤维、长丝、编织物、机织物等。

根据它的这些特性，被广泛应用于滑动材料，高温过滤袋等方面。

它具有以下几个显著优异性：耐热性为融点327 ℃、常用使用温度260 ℃；对碱、酸、有机溶剂等化学药品,基本上都是稳定的；在通常的氧气浓度下不会燃烧；在现有的高分子材料中,聚四氟乙烯纤维的摩
擦系数最低、感电性最低；在佛罗里达州15年的曝露试验中没有变化，即有优秀的耐紫外线性。

3 高性能纤维的发展方向
高性能纤维的开发，使纺织纤维领域发生了根本性的变化，使世界材料领域的结构形成了新的格局，它正在生命科学、航空航天、医疗卫生和电子行业、建筑工业发挥越来越大的作用，并成为纺织工业新的经济增长点，世界各国正在大力发展高性
能纤维，从世界范围看，高技术纤维进入快速发展阶段，耐高温纤维的需求量以年均5%的速度增长，而高强高模纤维以年均10%～16%的高速度增长，PAN基碳
纤维已经成为高技术纤维中产能最大、应用领域和前景最广的重要战略材料，需求量将以年均15%～16%的超高速增长，高强高模芳纶的需求量世界以每年10%的速度增长，我国需求量预计超过300t/年，是仅次于碳纤维的第二大战略材料，国内外高强高模聚乙烯纤维均步入高速发展，增速为15%，在欧美，聚苯硫醚纤维.1996年需求量高达1800t，并以每年10%的速度递增，我国每年需进口PPS
树脂1000t以上，纤维进口300t以上，因而我国纺织行业“十一五”规划特别提出：化纤行业应结合市场需求，研发有自主知识产权的高新技术纤维，特别是要把高性能纤维及材料作为发展的重中之重，加快原创技术研发，采取多种方式推进技术发展。

目前“十一五”进程过半，上述主要高性能纤维技术都已实现产业化。

中国化纤工业协会会长郑植艺最近说：高性能纤维成为一些企业投资的新热点，这种向高新技术、高附加值领域追求与发展，是符合国家关于纺织产业的发展方向的，主观意识是好的，从企业投资热情上看无可非议，随着我国经济和社会的发展，确实存在着对新型和特种纤维的需求市场；但是，我国经济与社会发展总体水平对高性能纤维的市场需求仍有限，我们仍是发展中国家，高性能纤维最大的市场需求(约占95%)是工业与民用领域，目前还没有形成必然的“商品市场”，相应的产品标准和技术规范也没有制定，其市场培育还需要比较漫长的过程。

他认为：应以科学发展观正确对待，只有极少数科研院所和科技实力较强的企业可以投资高性能纤维产业。