高性能高分子材料-纤维
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
几何特性：单丝直径变小，纤维比表面积增 大，表面的补偿效应增加；
物理机械特性：纤维弯曲阻力小，具有高的 可挠性和扭曲性；
光学特性：反射光泽柔和； 其它：高保温性、吸音性、透湿防水性。
纤维发展趋势
高性能纤维 强度在2.5GPa、模量在55GPa以上。如： 芳香族聚酰胺纤维 芳香聚酯纤维 高强度聚乙烯纤维
蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、蓖麻蛋白； 糖类
纤维素（达2.6×1010吨）、淀粉、甲壳 素（每年1010~1011吨）、木质素、海藻酸。
蛋白质与高聚物复合纤维
1. 玉米蛋白质纤维（Dupont公司） 将玉米蛋白溶解于碱液，加入甲醛或多聚
羧酸类交联剂，进行湿法纺丝制备玉米蛋白 纤维，纤维具有： 耐酸、碱、溶剂和防老化性，不蛀不霉； 棉的舒适性、羊毛的保暖性和蚕丝的手感。
H
C
N C
N
H
高强高模芳酰胺纤维
制备PPTA纤维的新工艺、新技术 聚合反应溶液直接纺丝制备PPTA共聚体纤
维；（强度达5.5GPa；模量达140GPa） 高强度、高模量纤维技术；（完善PPTA结
晶，提高结晶取向程度，减少缺陷） 功能化PPTA纤维技术： 具有粘合性能 细旦、中空PPTA纤维技术
高强高模芳酰胺纤维
生纤维有利于进行有效的高倍拉伸。 2.高取向度和高结晶度 3.高环化度和环化取向度 4.高致密度
UHMWPE纤维的结构和性能
结构 高结晶度、高取向度和“羊肉串”型的结
晶 结构 性能
低温下保持柔软，高强度、高模量； 耐化学性、耐辐射； 耐高温性差、表面粘结性能差、应力蠕变 大。
UHMWPE纤维的主要用途
第一单元 高性能高分子材料
纤维
纤维与人口
时间
1970
世界人口/亿
37
纤维需求总 量/亿吨
0.2
人均纤维消 耗量/kg
5.8
2000 60 0.5 8.1
2050 94
1~1.2 11~12
纤维发展趋势
基于仿生学 从剖析研究棉、毛、丝等天然纤维的形态
组织结构得到启发，研制……。例如： 从分析蜘蛛丝的分子结构着手，仿造试制
蚕丝直径15μm，由1000根原纤维的小纤维束 形成集合结构；
继承了丝绸独特的、丰富的染色性； 热分解温度较丝绸上升40℃； 生物分解性，吸水、吸湿，抗菌；
原料植物是短期再生型资源，对土壤和水有净 化作用。
糖类与高聚物复合纤维
1.纤维素纤维（Lyocell纤维） 直接将纤维素溶于有机溶剂N-甲基吗啉-N-
纤维直径：50~500nm，纤维表面积大；
强度高，韧性好，耐冲击，耐低温，可生 物降解。
生物转基因纤维（加拿大、美国）
将蜘蛛丝蛋白基因注入山羊体内，用山羊 奶做成柔滑可生物降解的蛋白质纤维，强 度比钢丝大10倍；
1只羊1个月产的奶可做一件防弹背心。
4.蚕丝蛋白质纤维 日本信州大学（丝蛋白与纤维素复合再生纤维）
氧化物中，经溶液纺丝法成型；
O O O
纤维二糖重复单元
柔软、吸湿、丝绸般美丽色泽和手感。
高吸水性棉纤维（京都工艺纤维大学） 棉纤维素和无水琥珀油酯化反应，生成一
氯乙酸后，用NaOH处理； 酯化反应时，用4-二氨基吡啶作促进剂，
将反应体系胶凝化； 部分一氯乙酸发生生成二酯类的交联反
应。 纯水中是自重的400倍，生理盐水中是自
2. 大豆蛋白质纤维 堪ຫໍສະໝຸດ Baidu斯州立大学
以亚甲基联苯二己氰酸为交联剂，将蛋白 质与聚己酸内酯交联复合，增强了二者的相 互作用，改善了相结构，增加了相容性，提 高了力学性能。 美国乔治亚大学
大豆蛋白与聚乙烯醇复合纤维 日本东洋纺公司
大豆蛋白与丙烯腈接枝纤维
3.蜘蛛丝蛋白质纤维 静电纺丝法制备纳米蛋白纤维（大阪大学）
细旦、超细旦聚丙烯纤维
传统聚丙烯纤维： 地毯底衬布、地毯面纱、低级装饰织物，
用即弃尿布和袋子。 细旦化聚丙烯纤维：
织物能够导湿排汗、透气滑爽、不粘身； 高性能运动服、牛仔裤、流行袜类、贴身 内衣，汽车用产品、非织造用过滤材料。
聚丙烯纤维染色改性 接枝改性
在聚丙烯纤维的分子上通过接枝共聚引入 可染基团，赋予纤维对染料的亲和力。
高强度纤维； 具有荷叶拒水功能的纤维及织物的制备； 具有仙人掌高保水、缓释作用的高分子材
料的制备。
纤维发展趋势
基于绿色资源和绿色生产工艺路线 ——可再生性资源纤维
天然蛋白质与高聚物复合纤维 糖类与高聚物复合纤维 优点： 可持续性、可降解性，对环境没有污染，有 利于人类健康。
纤维发展趋势
纤维细旦化 特点：
安全防护用品 绳类产品 渔网 休闲体育用品 布、带类 在复合材料中的应用
高性能薄壁高压容器、雷达透射和吸收材 料、航空航天结构材料、生物材料
UHMWPE纤维的改性
冷等离子体改性 紫外光处理 表面氧化和刻蚀 表面接枝 本体改性
生物大分子纤维
蛋白质 牛乳蛋白、蚕丝蛋白、胶原蛋白、蜘蛛丝
芳香族聚酰胺纤维（Aramid）
* NH
NH CO
CO *
n
Poly(p-phenylene terephthalamide) (PPTA)
* NH
NH CO
CO *
n
Poly(m-phenylene isophthalamide) (PMIA)
高强高模芳酰胺纤维
抗张强度：＞2GPa 模量：＞40GPa PPTA纤维：Kevlar、Twaron、Technora
缺点：接枝过程繁琐，对纤维有一定损 伤，目前主要停留在实验室阶段。 表面改性
通过光、辐射或化学处理，在聚合物的表 面接上活性基团。
PPTA纤维的用途 产业用纺织品； 防护服； 增强材料； 石棉替代品； 水泥补强材料。
耐高温芳酰胺纤维
能够在高于200以上温度下连续使用而不 出现热分解，同时保持一定的物理机械性能 的纤维。
超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）
实现纤维高强化的途径 1.高分子量 分子量提高，分子末端基数减少，同时初
重的100倍。
2.聚乳酸纤维（PLA）
CH3CHCOOH
OH
特点：
乳酸单体
原料来源丰富（淀粉经发酵而成）
良好的生物相容性和安全性，对人体无毒
无害；
在体内及自然环境中逐渐降解，最终成为
CO2和H2O。
应用： 手术植入材料； 缓释药物的包囊材料； 人工血管、止血剂及生物降解的外科粘合
剂； 可吸收型手术缝合线。
物理机械特性：纤维弯曲阻力小，具有高的 可挠性和扭曲性；
光学特性：反射光泽柔和； 其它：高保温性、吸音性、透湿防水性。
纤维发展趋势
高性能纤维 强度在2.5GPa、模量在55GPa以上。如： 芳香族聚酰胺纤维 芳香聚酯纤维 高强度聚乙烯纤维
蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、蓖麻蛋白； 糖类
纤维素（达2.6×1010吨）、淀粉、甲壳 素（每年1010~1011吨）、木质素、海藻酸。
蛋白质与高聚物复合纤维
1. 玉米蛋白质纤维（Dupont公司） 将玉米蛋白溶解于碱液，加入甲醛或多聚
羧酸类交联剂，进行湿法纺丝制备玉米蛋白 纤维，纤维具有： 耐酸、碱、溶剂和防老化性，不蛀不霉； 棉的舒适性、羊毛的保暖性和蚕丝的手感。
H
C
N C
N
H
高强高模芳酰胺纤维
制备PPTA纤维的新工艺、新技术 聚合反应溶液直接纺丝制备PPTA共聚体纤
维；（强度达5.5GPa；模量达140GPa） 高强度、高模量纤维技术；（完善PPTA结
晶，提高结晶取向程度，减少缺陷） 功能化PPTA纤维技术： 具有粘合性能 细旦、中空PPTA纤维技术
高强高模芳酰胺纤维
生纤维有利于进行有效的高倍拉伸。 2.高取向度和高结晶度 3.高环化度和环化取向度 4.高致密度
UHMWPE纤维的结构和性能
结构 高结晶度、高取向度和“羊肉串”型的结
晶 结构 性能
低温下保持柔软，高强度、高模量； 耐化学性、耐辐射； 耐高温性差、表面粘结性能差、应力蠕变 大。
UHMWPE纤维的主要用途
第一单元 高性能高分子材料
纤维
纤维与人口
时间
1970
世界人口/亿
37
纤维需求总 量/亿吨
0.2
人均纤维消 耗量/kg
5.8
2000 60 0.5 8.1
2050 94
1~1.2 11~12
纤维发展趋势
基于仿生学 从剖析研究棉、毛、丝等天然纤维的形态
组织结构得到启发，研制……。例如： 从分析蜘蛛丝的分子结构着手，仿造试制
蚕丝直径15μm，由1000根原纤维的小纤维束 形成集合结构；
继承了丝绸独特的、丰富的染色性； 热分解温度较丝绸上升40℃； 生物分解性，吸水、吸湿，抗菌；
原料植物是短期再生型资源，对土壤和水有净 化作用。
糖类与高聚物复合纤维
1.纤维素纤维（Lyocell纤维） 直接将纤维素溶于有机溶剂N-甲基吗啉-N-
纤维直径：50~500nm，纤维表面积大；
强度高，韧性好，耐冲击，耐低温，可生 物降解。
生物转基因纤维（加拿大、美国）
将蜘蛛丝蛋白基因注入山羊体内，用山羊 奶做成柔滑可生物降解的蛋白质纤维，强 度比钢丝大10倍；
1只羊1个月产的奶可做一件防弹背心。
4.蚕丝蛋白质纤维 日本信州大学（丝蛋白与纤维素复合再生纤维）
氧化物中，经溶液纺丝法成型；
O O O
纤维二糖重复单元
柔软、吸湿、丝绸般美丽色泽和手感。
高吸水性棉纤维（京都工艺纤维大学） 棉纤维素和无水琥珀油酯化反应，生成一
氯乙酸后，用NaOH处理； 酯化反应时，用4-二氨基吡啶作促进剂，
将反应体系胶凝化； 部分一氯乙酸发生生成二酯类的交联反
应。 纯水中是自重的400倍，生理盐水中是自
2. 大豆蛋白质纤维 堪ຫໍສະໝຸດ Baidu斯州立大学
以亚甲基联苯二己氰酸为交联剂，将蛋白 质与聚己酸内酯交联复合，增强了二者的相 互作用，改善了相结构，增加了相容性，提 高了力学性能。 美国乔治亚大学
大豆蛋白与聚乙烯醇复合纤维 日本东洋纺公司
大豆蛋白与丙烯腈接枝纤维
3.蜘蛛丝蛋白质纤维 静电纺丝法制备纳米蛋白纤维（大阪大学）
细旦、超细旦聚丙烯纤维
传统聚丙烯纤维： 地毯底衬布、地毯面纱、低级装饰织物，
用即弃尿布和袋子。 细旦化聚丙烯纤维：
织物能够导湿排汗、透气滑爽、不粘身； 高性能运动服、牛仔裤、流行袜类、贴身 内衣，汽车用产品、非织造用过滤材料。
聚丙烯纤维染色改性 接枝改性
在聚丙烯纤维的分子上通过接枝共聚引入 可染基团，赋予纤维对染料的亲和力。
高强度纤维； 具有荷叶拒水功能的纤维及织物的制备； 具有仙人掌高保水、缓释作用的高分子材
料的制备。
纤维发展趋势
基于绿色资源和绿色生产工艺路线 ——可再生性资源纤维
天然蛋白质与高聚物复合纤维 糖类与高聚物复合纤维 优点： 可持续性、可降解性，对环境没有污染，有 利于人类健康。
纤维发展趋势
纤维细旦化 特点：
安全防护用品 绳类产品 渔网 休闲体育用品 布、带类 在复合材料中的应用
高性能薄壁高压容器、雷达透射和吸收材 料、航空航天结构材料、生物材料
UHMWPE纤维的改性
冷等离子体改性 紫外光处理 表面氧化和刻蚀 表面接枝 本体改性
生物大分子纤维
蛋白质 牛乳蛋白、蚕丝蛋白、胶原蛋白、蜘蛛丝
芳香族聚酰胺纤维（Aramid）
* NH
NH CO
CO *
n
Poly(p-phenylene terephthalamide) (PPTA)
* NH
NH CO
CO *
n
Poly(m-phenylene isophthalamide) (PMIA)
高强高模芳酰胺纤维
抗张强度：＞2GPa 模量：＞40GPa PPTA纤维：Kevlar、Twaron、Technora
缺点：接枝过程繁琐，对纤维有一定损 伤，目前主要停留在实验室阶段。 表面改性
通过光、辐射或化学处理，在聚合物的表 面接上活性基团。
PPTA纤维的用途 产业用纺织品； 防护服； 增强材料； 石棉替代品； 水泥补强材料。
耐高温芳酰胺纤维
能够在高于200以上温度下连续使用而不 出现热分解，同时保持一定的物理机械性能 的纤维。
超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）
实现纤维高强化的途径 1.高分子量 分子量提高，分子末端基数减少，同时初
重的100倍。
2.聚乳酸纤维（PLA）
CH3CHCOOH
OH
特点：
乳酸单体
原料来源丰富（淀粉经发酵而成）
良好的生物相容性和安全性，对人体无毒
无害；
在体内及自然环境中逐渐降解，最终成为
CO2和H2O。
应用： 手术植入材料； 缓释药物的包囊材料； 人工血管、止血剂及生物降解的外科粘合
剂； 可吸收型手术缝合线。