高性能纤维研究进展

（College of Chemical Engineering and Environment, Qingdao University, Qingdao 266071, China）
Abstract: The mechanical properties of high-performance fibers are both with the strength of 18cN/dtex and
参考文献 ［１］ 闫福安． 双组分水性聚氨酯涂料的研制［Ｊ］．涂料工业，２００３，５
（ ３３）： ３７ － ３９ ［２］ 闫福安． 水性聚酯树脂的合成研究［Ｊ］． 涂料工业 ，２００２ ，３３（３３）：
９ －１２． ［３］ 岳慧艳． 水性聚酯树脂的研制［Ｊ］． 涂料工业，２００３，３３（７）：
１０－１１． ［４］ 欧阳鎏，王炼石，张安强，等．自乳化聚酯树脂汽车中涂漆的合
［Ｐ］．ＵＳ：５５９７８６１． １９９７－０１－２８．
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（上接第 ４９ 页） 纤维还可以用来制备体育用品，如高尔夫球棒等。
4 展望
科技的创新和技术的进步推动着高性能纤维 不断发展。科学研究不仅使已有的高性能纤维不断 改善其自身不足，而且还以其为基础合成了综合性 能更好的新型材料。合成高性能纤维的技术不断成 熟也降低了其生产成本，拓宽了应用领域。相信随 着科学研究的不断进步，高性能纤维将会以更优异 的性能服务于社会。
般此种纤维具有特殊的物理结构或者化学结构，并具有一定的优异性能，因此，在实际生活中有重要的用途。
本文主要综述了几种高性能纤维的应用与现状。
关键词：高性能纤维；种类；性能；应用
中图分类号：ＴＱ３４２
文献标识码：Ａ
Research status of high-performance fibers
WU Qian，WANG Dong，SUN Jin*
1.3 聚酰亚胺
聚酰亚胺是二酐和二胺的缩聚物，主链中有芳 杂环形结构，近似半梯形，刚性大，熔点高，耐热性 好，可在 ３００℃以上长期使用。同时聚酰亚胺具有高 抗蠕变性，低热膨胀系数、高电绝缘、低介电常数与 损耗、耐辐射、耐腐蚀等优点。可加工成聚酰亚胺薄 膜、耐高温工程塑料、复合材料用基体树脂、耐高温 粘结剂、纤维和泡沫等多种材料形式，在航天航空、 微电子、精密机械、医疗器械等许多高新技术领域 具有巨大的商业价值。此外，中国科学院化学研究 所研究了以聚酰亚胺为基础的性能更优异的材料 例如，耐高温聚酰亚胺基体树脂及其复台材料，耐 高温聚酰亚胺超级工程塑料，耐高温聚酰亚胺结构 粘结剂等［ ６ ］。
with the initial modulus of 441cN/dtex. High-performance fibers, with special physical or chemical structures，has
excellent properties and important applications in reality. This article mainly embraces the applications and present
1 芳香族高性能纤维
芳香族高性能纤维的种类比较丰富，主要包括 以 ＰＰＴＡ 纤维为代表的芳纶和以 ＰＢＯ 和聚酰亚胺 为代表的芳香族杂环类纤维。
1.1 PPTA 纤维
ＰＰＴＡ 是一种对位型芳香族聚酰胺，又称芳纶 １４１４ 或对位芳纶，国外商品名叫 Ｋｅｖｌａｒ 纤维。聚对苯二 甲酰对苯二胺的结构式见图 １。
Ｓｕｍ ２１６ Ｎｏ．９
化学工程师 Chemical Engineer
２０１３ 年第 ９ 期
文章编号：1002-1124（2013）09-0048-02
综
高性能纤维研究进展
述 吴 谦，王 栋，孙 瑾 ＊
（青岛大学 化学化工与环境学院，山东 青岛 ２６６０７１）
摘 要：高性能纤维是指力学性能同时具有 １８ｃＮ／ｄｔｅｘ 的强度和初始模量为 ４４１ｃＮ／ｄｔｅｘ 的特种纤维。一
它与芳纶相比，具有密度小、硬度强、相对分子 质量极高，主链结合好的特点。相同体积的头盔，用 ＵＨＭＷＰＥ 纤维制作头盔可以使质量减轻 ３００￣４００ ｇ，实践证明该头盔的防弹效果好［ ８ ］。在军事领域还
可以制备防弹衣、作战坦克防弹板以及雷达的防护 外壳等。此外，该纤维在民用领域主要应用在渔业 的绳、索、网等方面，也应用在体育器材方面，例如 滑雪板、安全帽等，并且在医疗方面，可用于制备手 术缝合线，人造关节等。总之，ＵＨＭＷＰＥ 纤维在安 全防护、航空航天、航海造船、电子机械、兵器、建 材、医疗等诸多领域发挥着举足轻重的作用。
2 烯烃类高性能纤维
烯烃类的高性能纤维主要包括超高分子量聚 乙烯纤维和高强高模聚乙烯醇纤维。
2.1 超高分子量聚乙烯
超高分子量聚乙烯纤维（ＵＨＭＷＰＥ 纤维）具有 很强的化学惰性，耐强酸、强碱溶液和有机溶剂的 腐蚀，所以纤维强度基本上不受化学环境影响，同 时还具有良好的耐低温性，一般使用温度可以低至 －１５０℃。耐候性良好，即使日晒 １５００ｈ 后，纤维强度 保持率不低于 ８０％，而且耐紫外性也能非常优越［７］。
高强高模 ＰＰＴＡ 纤维在军事领域中可以用来制 作防弹服，头盔，降落伞等军事用品。同时 ＰＰＴＡ 纤 维还可以用于航空航天领域。此外，ＰＰＴＡ 还可以用 于制备纤维增强复合材料，如将 ＰＰＴＡ 纤维添加在 混凝土中来延长建筑物的寿命。
1.2 PBO 纤维
聚对苯撑苯并双口恶唑（ＰＢＯ）是由苯杂环组成 的刚性共轭体系，是含芳香杂环的苯氮聚合物中性 能最优异的一种化合物。ＰＢＯ 纤维的纤维强度为 ５８ＧＰａ，理论模量是 ４６０ＧＰａ ，它的强度和模量是聚 对苯二甲酰对苯二胺强度和模量的 ２ 倍［ ３ ］。ＰＢＯ 分 解温度大于 ６５０℃，极限氧指数（ＬＯＩ）为 ６８，在火焰 中不燃烧，不收缩，在受冲击时纤维可大量原纤化 而吸收大量的冲击能，被誉为“二十 一 世 纪 的 超 级纤维”［ ４］ ＰＢＯ 结构式如图 ２。
此外，ＰＶＡ 纤维在军事应用领域也有很好的前 景。研究表明，在常规的纯芳纶靶板中用 ５０％的 ＰＶＡ 纤维以适当的结构搭配方式取代芳纶，可保持 原有的防弹性能不变。高强高模量的 ＰＶＡ 纤维其断 裂比功优于芳纶，冲击总损耗功接近芳纶。而价格 约为芳纶的一半，且易于粘接［ １０］。
3 碳纤维
碳纤维是含碳量高于 ９０％的无机高分子纤维［ ２ ］。 碳纤维全是由碳元素构成，密度低，不燃烧，化学性 质稳定，耐腐蚀性好。并且碳纤维的轴向强度和模 量高，无蠕变，耐疲劳性好。同时碳纤维具有一定的 导电性可以反射电磁波。
但是其断裂延伸较低（高模碳纤维为 ０．５，高强 碳纤维 １．４）不到 ＵＨＭＷＰＥ 纤维的五分之一，因此， 碳纤维耐冲击性低，吸收子弹或碎片的冲击能也较 低［ ２］。所以碳纤维主要是用于补强作用，一般与树脂 等聚合物共混形成增强材料。在航空航天和工业领 域，将碳纤维与其他物质共混，在提高复合材料的 力学性质的同时减少重量，这样有利于减少能源的 消耗。例如制造飞机机翼，风力发电站的机翼，汽车 车体等。在医学领域，碳纤维可以用来制备假肢，人 造骨骼、韧带、关节等，并且具有对人体适合性强、 耐磨、耐久、轻量，还有高强度等优点。在生活中碳
成及性能研究［Ｊ］． 热固性树脂，２００８，２３（４）：２５－２９． ［５］ 王纲，严业菘，张军，等． 聚酯水分散体的合成研究［Ｊ］． 中国涂
料，２００４（１０）：２０－２３． ［６］ Ｙａｓｕｈｉｋｏ Ｎ，Ｓｈｉｇｅｒｕ Ｉ，Ｓｈｏｉｃｈｉ Ｍ，et al．Ｗａｔｅｒｂｏｒｎｅ ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ ｐａｉｎｔ
２０１３ 年第 ９ 期
吴 谦等：高性能纤维研究进展
４９
n
图 2 PBO 的结构式 Fig.2 Structure of PBC
ＰＢＯ 纤维柔软性良好，织成的织物柔软性近似 于涤纶纤维织物，利于纺织加工。ＰＢＯ 纤维的抗老 化性能、耐热性和耐燃烧性都比芳纶好，而且它的 耐冲击性比芳纶、碳纤维都要高很多［ ２ ］，因此，在军 事领域，ＰＢＯ 纤维可以用来制备防弹服和头盔等。 在金属冶炼和化工等行业，可以将其利用在制造温 度超过 ３５０℃以上的耐热垫材。由于 ＰＢＯ 纤维的阻 燃性能好，所以可用于制备阻燃材料。但是，ＰＢＯ 纤 维的弱点是耐光性较差，纯 ＰＢＯ 纤维易受紫外线影 响而使纤维的强度下降，使用时应采取遮光措施［ ５］。
situations of several kinds of high-performance fibers.
Key words: high-performance fiber；variety；property；application
现代科技的进步促进了各种高性能纤维的发 展，特殊的物理机构或者化学结构使高性能纤维体 现出传统纤维所不具备的优良特性，例如高强高模 的力学性质，耐高温性，耐腐蚀性，阻燃性等其他性 质。高性能纤维主要包括 ３ 大类，芳香族高性能纤 维，烯烃类高性能纤维以及碳纤维等。
2.2 高强高模聚乙烯醇纤维
高强高模的聚乙烯醇纤维（ＰＶＡ 纤维）与尼龙 等纤维相比较具有强度高、模量大、延伸度低、耐冲 击强度高、耐候性好、吸水性好、耐酸、耐碱等优点， 具有很高的应用价值。在建筑领域，ＰＶＡ 纤维可以 增强水泥，ＰＶＡ 纤维的分子中的羟基能够与水泥中 水化物的羟基形成氢键，使 ＰＶＡ 纤维在水泥中能够 很好的分散提高了它和水泥有一定的相容性。高强 高模量的 ＰＶＡ 纤维与混凝土混合后，建筑材料的挠 曲强度可提高约 ２００％，弯曲强度可从 １９５ｋｇ·ｃｍ－２ 提 高到 ２２５ｋｇ·ｃｍ－２，抗弹性疲劳也有一定的提高，且可 防止龟裂［ ９ ］。
（下转第 ６６ 页）
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莫贯田等：水性聚酯树脂的制备及耐水解稳定性
２０１３ 年第 ９ 期
甲基丙酸提供，在实验测试期间（８０℃，７ｄ），表征水 解程度的 ｐＨ 值仅由 ８ 下降了 ２；而羧基全部由偏 苯酸甲酸酐提供的水性聚酯 Ｅ，在实验测试期间 （８０℃，７ｄ），表征水解程度的 ｐＨ 值确由 ８ 下降到了 ３．８，并出现严重分层。总体来看，当二羟甲基丙酸提 供的羧基小于 ５０％的聚酯树脂，７ｄ 的实验时间后， 不但 ｐＨ 下降明显，外观也出现了明显的变化，上层 出现清液，下层有絮状沉淀生成，表明该试样聚酯 水解稳定性较差，不适宜长时间的储存。