高技术纤维.
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重量轻3/4、而强度提高4倍。
纤维性能比较
蜘蛛丝与其他纤维的性能比较
第一节 碳纤维
• 20世纪50年代末，对粘胶纤维进行高温分解制 得强度较低的碳纤维； • 60年代初，美国联合碳化公司首次采用在张力 下进行石墨化，制得高强度粘胶基碳纤维； • 在同一时期，英国皇家航空研究所以腈纶纤维 为原料，首次生产出强度大、模量高的碳纤维， 日本碳化公司使其商品化。以后又陆续开发出 沥青基等碳纤维。
远红外、负离子、高吸水等）；
（5）传导功能纤维（主要有光导纤维、导电纤维、超导纤维等） （6）智能纤维及其他功能纤维（仿生、超高吸水纤维等）。
高感性纤维
• 所谓高感性纤维，就是应用高分子改性、截面
特殊异型化、超细纤维化、混纤技术、纤维表面处 理及染整后整理等技术，生产出的超天然纤维的高 感性功能纤维，也有人称之为新合纤。
续
(2)纺丝一般采用湿法纺丝或干湿法纺丝方法，不用 干法纺丝。
干法生产的纤维中溶剂不容易洗净。 干湿法：可以提高纺丝液浓度，在空气层中增加有效拉伸 作用，不仅提高了纺丝速度，而且纤维的取向度很高，结 构均匀致密，可得到高质量的PAN原丝。
(3)制造碳纤维原丝时，要求所使用的单体、水、溶 剂等原料纯度高，车间内无尘，容器设备耐腐蚀。 (4)原丝细特化和规模化。原丝质量的变异系数要小，这
分类
• 按性能分，碳纤维分为高性能型和低性能 型两种。高性能的碳纤维分高强度、高模量和中等模量三类，用于高
强高模的场合；低性能碳纤维常用于耐火焰、做碳质等用途。
• 按功能分类，碳纤维可分为受力结构材料、 耐火焰材料、活性炭（用于净化水）、导 电材料、润滑材料、以及耐磨材料。 • 按原料分类，碳纤维分丙烯腈碳纤维、粘 胶碳纤维、沥青碳纤维、木质素碳纤维、 其他碳纤维等。
• 高感性纤维一般要求纤维在保留原有的良好性
能外，还要求纺织品具有仿天然和超天然性能。包 括仿麂皮、超柔软、仿毛感、仿蚕丝感、超悬垂性 等向超天然方向发展，集天然纤维的穿着舒适性和 合成纤维的功能性于一身。
高性能纤维
• 高性能纤维是指对外部作用不易发生反 应,在各种恶劣条件下能保持纤维本身性 能的纤维。其定义无统一标准，一般认 为强度大于1.4GPa(200Ksi)，模量大于70 Gpa(10Msi)的纤维均可看作为高性能纤维。 除聚乙烯外，这些纤维的有用工作温度 基本都高于200℃。 • 目前主要分为有机纤维和无机纤维两种。
高功能纤维
• 功能纤维是指具有特种功能的纤维，主要品种是： （1）防护功能纤维（主要有阻燃、防紫外线、抗静电、抗辐射等）； （2）物质分离功能纤维（主要有中空纤维分离膜、离子交换纤维、吸
附纤维等）；
（3）生物医学功能纤维（主要有甲壳素、中空纤维膜等）； （4）卫生保健功能纤维（主要有抗菌、防臭、消臭、香味、保温蓄热、
要求PAN原丝强度高， 热转化性能好，杂质 含量少，原丝的结构 缺陷少，线密度均匀
1．聚丙烯腈原丝的制备
(1)聚合时加入少量共聚单体，使原丝预氧 化时有利于链状大分子的环化作用，又 能缓和热化学反应的激烈程度，使预氧 化反应容易控制。加入的共聚单体有甲基丙
烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等不饱和接 酸类单体，含量大约在0.5~3％之间。
样有利于原丝的结构均匀，在预氧化和碳化热处理时反应 完全，质量稳定。
PAN基碳纤维工艺流程
2 聚丙烯腈原丝的预氧化
• PAN原丝在200~300℃的空气介质中，通过预氧化 炉，PAN大分子链转化为环形梯状结构，使其在 高温碳化时不熔不燃，保持纤维的形态。 • 预氧化时加以一定的张力于PAN原丝上。 • 预氧化反应所需的时间，是纤维直径的函数，直 径越大所需时间就越长。 • 预氧化过程中，产生一系列复杂的化学反应，纤 维颜色由白经黄、棕色，再转变为黑色。
石墨化处理
• 高模量的碳纤维，需将碳纤维再经过接近 3000℃高温热处理，也称石墨化处理。使纤 维的含碳量增加至99％以上，改进纤维的结 晶高大分子轴向的有序和定向排列。 • 石墨化工艺要绝对隔断氧气，炉子中气体 只能选择氩或氦气。（不用氮气？）
• 有Βιβλιοθήκη Baidu纤维主要有对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二
胺,芳纶1414)(商品名Kevlar)、间位芳纶(聚间苯二 甲酰间苯二胺，芳纶1313)(商品名NomeX)、超高 分子量的高强高模量聚乙烯(UHMW-PE)(商品名 Dyneema)、PBO纤维(聚对苯撑苯并双恶唑)、高 强高模PVA等。
• 无机纤维主要是碳纤维、碳化硅纤维、硼纤 维、玻璃纤维等。 • 高性能：如碳纤维纺织结构复合材料与钢材相比，
碳纤维的规格及性能
聚丙烯腈基碳纤维
• 结构：有高度取向，优先平行于纤维轴 的两向乱层石墨结构结晶所构成。碳纤 维的密度和结晶密度分别为1.74~1.86 g/cm3和2.03~2.21g/cm3。 • 力学性能：分为通用型（拉伸强度低于 1.4GPa，拉伸模量小于140GPa），高强 型（HS，拉伸强度3~7GPa）和高模型 （HM，拉伸模量300~900GPa）
3、预氧丝的碳化工艺
预氧化丝在氮气保护下，进入碳化炉，炉内温度 800~1500 ℃。 纤维产生碳化反应，梯形大分子发生交联，转变 为稠环状结构，纤维中碳的含量从60％左右提高 至92％以上，形成梯形六元环连接的乱层状石墨 片结构。 热解产物的瞬间排除是碳化工艺的技术关键。
大分子结构中的氢，以H20、NH3、HCN 和CH4的形式分离出来，氮主要以HCN、 NH3的形式分离。在高温时，另外，还以 分子态氢和氮的形式分离，同时氧也以 H2O、CO2和CO的形式分离出来。
第八章 高技术纤维
• 所谓高技术纤维就是依靠高技术和纤维材料科学最 新的基础理论，研制成功的具有高性能、高功能和 高感性等的一系列新纤维材料。 • 一般可分为3类，即高性能纤维、高功能纤维和高感 性纤维。 • 高技术纺织品是21世纪纺织行业最具有发展前景的 产品之一。英国David Rigby纺织咨询公司预计高技 术纺织品对纺织业的贡献将大大超过天然纤维和其 他纤维。
纤维性能比较
蜘蛛丝与其他纤维的性能比较
第一节 碳纤维
• 20世纪50年代末，对粘胶纤维进行高温分解制 得强度较低的碳纤维； • 60年代初，美国联合碳化公司首次采用在张力 下进行石墨化，制得高强度粘胶基碳纤维； • 在同一时期，英国皇家航空研究所以腈纶纤维 为原料，首次生产出强度大、模量高的碳纤维， 日本碳化公司使其商品化。以后又陆续开发出 沥青基等碳纤维。
远红外、负离子、高吸水等）；
（5）传导功能纤维（主要有光导纤维、导电纤维、超导纤维等） （6）智能纤维及其他功能纤维（仿生、超高吸水纤维等）。
高感性纤维
• 所谓高感性纤维，就是应用高分子改性、截面
特殊异型化、超细纤维化、混纤技术、纤维表面处 理及染整后整理等技术，生产出的超天然纤维的高 感性功能纤维，也有人称之为新合纤。
续
(2)纺丝一般采用湿法纺丝或干湿法纺丝方法，不用 干法纺丝。
干法生产的纤维中溶剂不容易洗净。 干湿法：可以提高纺丝液浓度，在空气层中增加有效拉伸 作用，不仅提高了纺丝速度，而且纤维的取向度很高，结 构均匀致密，可得到高质量的PAN原丝。
(3)制造碳纤维原丝时，要求所使用的单体、水、溶 剂等原料纯度高，车间内无尘，容器设备耐腐蚀。 (4)原丝细特化和规模化。原丝质量的变异系数要小，这
分类
• 按性能分，碳纤维分为高性能型和低性能 型两种。高性能的碳纤维分高强度、高模量和中等模量三类，用于高
强高模的场合；低性能碳纤维常用于耐火焰、做碳质等用途。
• 按功能分类，碳纤维可分为受力结构材料、 耐火焰材料、活性炭（用于净化水）、导 电材料、润滑材料、以及耐磨材料。 • 按原料分类，碳纤维分丙烯腈碳纤维、粘 胶碳纤维、沥青碳纤维、木质素碳纤维、 其他碳纤维等。
• 高感性纤维一般要求纤维在保留原有的良好性
能外，还要求纺织品具有仿天然和超天然性能。包 括仿麂皮、超柔软、仿毛感、仿蚕丝感、超悬垂性 等向超天然方向发展，集天然纤维的穿着舒适性和 合成纤维的功能性于一身。
高性能纤维
• 高性能纤维是指对外部作用不易发生反 应,在各种恶劣条件下能保持纤维本身性 能的纤维。其定义无统一标准，一般认 为强度大于1.4GPa(200Ksi)，模量大于70 Gpa(10Msi)的纤维均可看作为高性能纤维。 除聚乙烯外，这些纤维的有用工作温度 基本都高于200℃。 • 目前主要分为有机纤维和无机纤维两种。
高功能纤维
• 功能纤维是指具有特种功能的纤维，主要品种是： （1）防护功能纤维（主要有阻燃、防紫外线、抗静电、抗辐射等）； （2）物质分离功能纤维（主要有中空纤维分离膜、离子交换纤维、吸
附纤维等）；
（3）生物医学功能纤维（主要有甲壳素、中空纤维膜等）； （4）卫生保健功能纤维（主要有抗菌、防臭、消臭、香味、保温蓄热、
要求PAN原丝强度高， 热转化性能好，杂质 含量少，原丝的结构 缺陷少，线密度均匀
1．聚丙烯腈原丝的制备
(1)聚合时加入少量共聚单体，使原丝预氧 化时有利于链状大分子的环化作用，又 能缓和热化学反应的激烈程度，使预氧 化反应容易控制。加入的共聚单体有甲基丙
烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等不饱和接 酸类单体，含量大约在0.5~3％之间。
样有利于原丝的结构均匀，在预氧化和碳化热处理时反应 完全，质量稳定。
PAN基碳纤维工艺流程
2 聚丙烯腈原丝的预氧化
• PAN原丝在200~300℃的空气介质中，通过预氧化 炉，PAN大分子链转化为环形梯状结构，使其在 高温碳化时不熔不燃，保持纤维的形态。 • 预氧化时加以一定的张力于PAN原丝上。 • 预氧化反应所需的时间，是纤维直径的函数，直 径越大所需时间就越长。 • 预氧化过程中，产生一系列复杂的化学反应，纤 维颜色由白经黄、棕色，再转变为黑色。
石墨化处理
• 高模量的碳纤维，需将碳纤维再经过接近 3000℃高温热处理，也称石墨化处理。使纤 维的含碳量增加至99％以上，改进纤维的结 晶高大分子轴向的有序和定向排列。 • 石墨化工艺要绝对隔断氧气，炉子中气体 只能选择氩或氦气。（不用氮气？）
• 有Βιβλιοθήκη Baidu纤维主要有对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二
胺,芳纶1414)(商品名Kevlar)、间位芳纶(聚间苯二 甲酰间苯二胺，芳纶1313)(商品名NomeX)、超高 分子量的高强高模量聚乙烯(UHMW-PE)(商品名 Dyneema)、PBO纤维(聚对苯撑苯并双恶唑)、高 强高模PVA等。
• 无机纤维主要是碳纤维、碳化硅纤维、硼纤 维、玻璃纤维等。 • 高性能：如碳纤维纺织结构复合材料与钢材相比，
碳纤维的规格及性能
聚丙烯腈基碳纤维
• 结构：有高度取向，优先平行于纤维轴 的两向乱层石墨结构结晶所构成。碳纤 维的密度和结晶密度分别为1.74~1.86 g/cm3和2.03~2.21g/cm3。 • 力学性能：分为通用型（拉伸强度低于 1.4GPa，拉伸模量小于140GPa），高强 型（HS，拉伸强度3~7GPa）和高模型 （HM，拉伸模量300~900GPa）
3、预氧丝的碳化工艺
预氧化丝在氮气保护下，进入碳化炉，炉内温度 800~1500 ℃。 纤维产生碳化反应，梯形大分子发生交联，转变 为稠环状结构，纤维中碳的含量从60％左右提高 至92％以上，形成梯形六元环连接的乱层状石墨 片结构。 热解产物的瞬间排除是碳化工艺的技术关键。
大分子结构中的氢，以H20、NH3、HCN 和CH4的形式分离出来，氮主要以HCN、 NH3的形式分离。在高温时，另外，还以 分子态氢和氮的形式分离，同时氧也以 H2O、CO2和CO的形式分离出来。
第八章 高技术纤维
• 所谓高技术纤维就是依靠高技术和纤维材料科学最 新的基础理论，研制成功的具有高性能、高功能和 高感性等的一系列新纤维材料。 • 一般可分为3类，即高性能纤维、高功能纤维和高感 性纤维。 • 高技术纺织品是21世纪纺织行业最具有发展前景的 产品之一。英国David Rigby纺织咨询公司预计高技 术纺织品对纺织业的贡献将大大超过天然纤维和其 他纤维。