主要高性能纤维的特性和应用

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。
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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
\ 90
1800
75
1. 7
-
6. 5
聚丙烯腈( P AN) 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。
U H MWP E 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( P E) 产品, 通常用 Zieglar Natt a 方法由乙 烯或乙烯与 A2烯烃聚合而成, 属热塑性工 程塑料。 U H MWP E 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 P a, 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 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。而纤维的拉伸强度为 3. 5 GPa, 模量为 116 GP a, 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。UH MW- P E 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
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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 P BO 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
商品名 T anlon 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
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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/ dt ex; 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 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
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 ( Zolt ek) 、阿克苏( A kzo) 、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
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( A CF ) 的生 产 原料 有粘 胶纤 维 ( Ray2 on) 、聚丙烯腈纤维( P AN) 、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。
2 其它高性能百度文库维
21 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。
聚苯硫醚( P PS) 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, 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 93 e 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。 11 5 超高强高模聚乙烯( U H MWPE) 纤维
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。 11 4 聚苯硫醚( P PS) 纤维
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 l ar 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
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; º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; ¼ 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。 11 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 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; 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 MP a; 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 @1012 8 # m; 防辐射铅当 量为 01 0073 mmP b。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
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、防钝伤效果较好的防 弹背心。
表 1 常用碳纤维品种的物理性能
碳纤维品种
聚丙烯腈基碳纤维 沥青基碳纤维 粘胶基碳纤维
碳含量 拉伸强度 杨氏模量 体积质量
/%
/ MPa
/ GPa /( g/ cm3)
电阻率 / 8 . cm
单丝直径 / Lm
95
3 900
230
1. 8
01 0015
7
\ 90 \ 345
41. 6
-
01 004201 007 10215