高性能纖維包括有機(jī)和無機(jī)高性能纖維兩大類

高性能纖維【摘要】本文主要介紹了幾種高性能纖維的特性及應(yīng)用與發(fā)展，認(rèn)為高性能纖維的開發(fā)與應(yīng)用前景十分廣闊，加速高性能纖維工業(yè)化進(jìn)程具有重大意義，對(duì)整個(gè)社會(huì)將帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：高性能纖維，分類，應(yīng)用高性能纖維（High-PerformanceFibers）是從20世紀(jì)60年代開始研發(fā)并推廣的纖維材料，它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)紡織工業(yè)產(chǎn)生了巨大變革。所謂高性能纖維是指有高的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度、耐磨擦、高的耐破壞力、低比重（g/m3）等優(yōu)良物性的纖維材料，它是近年來纖維高分子材料領(lǐng)域中發(fā)展迅速的一類特種纖維。高性能纖維可用于防彈服、蹦床布等特種織物的加工及纖維復(fù)合材料中的加固材料，其發(fā)展涉及許多不同的領(lǐng)域。（一）高性能纖維的分類高性能纖維包括有機(jī)和無機(jī)高性能纖維兩大類。目前高性能纖維的代表品種主要有：有機(jī)纖維的對(duì)位芳綸（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺，也叫芳綸1414）、超高分子量聚乙烯、聚苯并雙囁唑纖維（PBO）；無機(jī)的碳纖維和高性能玻璃纖維等。本文主要分析和比較了玻璃纖維、碳纖維、超高強(qiáng)聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維、聚對(duì)苯撐苯并雙惡唑（PBO）纖維、M5纖維等高性能纖維的特性以及它們的應(yīng)用狀況。一、玻璃纖維玻璃纖維是復(fù)合材料中最主要的增強(qiáng)材料，它由氧化硅與氯化鋁等金屬氧化物組成的無機(jī)鹽類混合物經(jīng)熔融而成，冷卻固化可制得多種玻璃產(chǎn)品，熔融的玻璃經(jīng)過噴絲小孔，拉制成玻璃長(zhǎng)纖維，起始于30年代，用玻璃纖維增強(qiáng)塑料，當(dāng)時(shí)稱為玻璃鋼的復(fù)合材料，最早出現(xiàn)于40年代，并在航空工業(yè)上得到應(yīng)用。經(jīng)過近七十年的發(fā)展，現(xiàn)在的玻璃纖維工業(yè)已經(jīng)具有眾多類型和牌號(hào)的玻璃纖維產(chǎn)品。玻璃纖維的抗張強(qiáng)度較高，其直徑越細(xì)強(qiáng)度也就越高，但很細(xì)的玻璃纖維紡絲難度極大，隨之生產(chǎn)成本上升，所以目前高強(qiáng)度的玻璃纖維產(chǎn)量還比較低。今年來玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料得到很大的發(fā)展，世界總產(chǎn)量達(dá)到200多萬(wàn)噸，我國(guó)玻璃纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)能力已達(dá)到20萬(wàn)噸左右。一般玻璃纖維可用于以下三個(gè)只要領(lǐng)域，即絕緣、過濾和復(fù)合增強(qiáng)。增強(qiáng)材料目前已用于航天航空和產(chǎn)業(yè)用品，以取代笨重的金屬部件。玻璃纖維也可用于船艇，浴缸和淋浴裝置，風(fēng)輪機(jī)刀片，加固管道，汽車和器件組件，印刷電路板，防蟲紗門，產(chǎn)業(yè)用織物（包括房子覆蓋物和屋頂蓋板），密封墊片和貯油槽，過濾及絕緣器材。由于玻璃纖維強(qiáng)力高、耐熱性好、耐化學(xué)腐蝕，而價(jià)格相對(duì)便宜，所以作為纖維增強(qiáng)材料將會(huì)得到更大的發(fā)展。二、碳纖維碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維或?yàn)r青纖維為原絲，通過加熱除去碳以外的其他一切元素制得的一種高強(qiáng)度、高模量纖維，它有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能，是高性能增強(qiáng)復(fù)合材料中的優(yōu)良結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)炭化溫度的不同，碳纖維分為以下三種類型：普通型（A型）碳纖維普通型（A型）碳纖維是指在900?1200。C下炭化得到的碳纖維。這種碳纖維強(qiáng)度和彈性模量都較低，一般強(qiáng)度小于107.7cN/tex，模量小于13462cN/tex。高強(qiáng)度型（II型或C型）碳纖維高強(qiáng)度型（1I型或C型）碳纖維是指在130017000C下炭化得到的碳纖維。這種纖維強(qiáng)度很高，可達(dá)138.4?166.1cN/tex，模量約為13842?16610cN/tex。高模量型（I型或B型）碳纖維高模量型（I型或B型）碳纖維又稱石墨纖維，它是指在炭化后再經(jīng)25000C以上高溫石墨化處理得到的碳纖維。這類碳纖維具有較高的強(qiáng)度，約為97.8?122.2cN/tex,模量很高，一般可達(dá)17107cN/tex以上，有的甚至高達(dá)31786cN/tex。碳纖維并不單獨(dú)使用，它一般加入到樹脂、金屬或陶瓷等基體中，作為復(fù)合材料的骨架材料。這樣構(gòu)成的復(fù)合材料不僅質(zhì)輕、耐高溫而且有很高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，是制造宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈、高速飛機(jī)以及大型客機(jī)等不可缺少的組成原料。另外，其復(fù)合材料在原子能、機(jī)電、化工、冶金、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門以及容器和體育用品（例如網(wǎng)球拍、冰球拍、高爾夫球拍、滑雪板、賽船、帆船）等方面也有廣泛的用途。三、超高強(qiáng)聚乙烯纖維高強(qiáng)高模聚乙烯在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)，具有超高分子量，高取向度，且分子間距很近，使纖維具備高強(qiáng)高模的特征，其密度具有0.97g/cm3,是唯一能浮在水面上的高強(qiáng)高模纖維。除此之外，超高強(qiáng)聚乙烯纖維還具有很高的勾結(jié)強(qiáng)度和結(jié)節(jié)強(qiáng)度，所以具有很好的耐疲勞性和耐摩擦性，且均優(yōu)于芳綸和碳纖維，而與常規(guī)的尼龍纖維和聚酯纖維相仿。因此，該纖維可以用普通纖維常用的加捻、機(jī)織、針織等工藝進(jìn)行后加工。超高強(qiáng)聚乙烯纖維其他機(jī)械性能亦比較突出，如良好的韌性和耐疲勞性能，耐高速?zèng)_擊性等。四、芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酰胺是最為人所熟知的，通過液晶紡絲紡制的高性能纖維，如Kevlar（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維）、Twaron（聚對(duì)苯二甲酰間苯二胺纖維）、Technora（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維）等，芳香族聚酰胺具有高結(jié)晶和高取向分子結(jié)構(gòu)，這類纖維性能比較均衡，具有高強(qiáng)伸性能，高韌性、耐腐蝕、耐沖擊、較好的熱穩(wěn)定性，不導(dǎo)電，除了強(qiáng)酸和強(qiáng)堿外，具有較強(qiáng)的抗化學(xué)性能。芳香族聚酰胺纖維是指由酰胺基團(tuán)直接與兩個(gè)苯環(huán)基團(tuán)連接而成的線型高分子制造而成的纖維，在我國(guó)稱為芳綸。根據(jù)酰胺基與苯環(huán)上的碳原子相連接的位置不同，分為間位芳綸（芳綸1313）和對(duì)位芳綸（芳綸1414）。與普通聚酰胺纖維相比，芳綸的性質(zhì)與用途有很大的區(qū)別。芳綸1313耐高溫性好，不會(huì)熔融；芳綸1414強(qiáng)度高、模量高又耐高溫。芳綸主要在產(chǎn)業(yè)用紡織品上應(yīng)用，特別是產(chǎn)品要求輕量化、高性能化的場(chǎng)合，只能使用芳綸制品。五、聚對(duì)苯撐苯并雙惡唑（PBO）纖維1998年國(guó)際產(chǎn)業(yè)纖維展覽會(huì)上，日本東洋紡展出了商品名為Zylon的PBO纖維，其化學(xué)名為聚對(duì)苯撐苯并雙惡唑，化學(xué)結(jié)構(gòu)為：PBO纖維采用液晶紡絲法紡絲，由苯環(huán)和苯雜環(huán)組成的剛棒狀分子結(jié)構(gòu)以及分子鏈的高取向度，決定了它的優(yōu)良性能。PBO初紡普通絲（AS絲-標(biāo)準(zhǔn)型）就具有3.5N/tex以上的強(qiáng)度和10.84N/tex以上彈性模量，經(jīng)熱處理后可得到強(qiáng)度不變、模量達(dá)176.4N/tex的高模量絲（HM絲-高模量型）。PBO作為一種新型高性能纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、耐熱性、阻燃性4大特點(diǎn)，其強(qiáng)度與模量相當(dāng)于Kevlar（凱夫拉）的2倍，限氧指數(shù)（L01）為68,熱分解溫度高達(dá)650r，在有機(jī)纖維中為最高，被認(rèn)為是目前具有最高耐熱性能的有機(jī)材料之一。表1PBO纖維的性能性能PBO一ASPBO—HM密度(g/cm3)1.541.56抗拉強(qiáng)度（GPa）5.85.8拉伸模量（GPa）180280斷裂延伸率（%）3.52.5熱分解溫度（°C）650650L01(%)6868表2PBO纖維與其他纖維的主要性能比較

性能PBO-HMKevlar-49宇航級(jí)碳纖維密度(g/cm3)1.561.451.80纖維直徑(旦m)24126抗拉強(qiáng)度(Gpa)5.83.23.58拉伸模量(CPa)280115230斷裂延伸率(%)2.52.00.5熱分解溫度(°C)650550一六、M5纖維PBO纖維推出的幾年后，阿克卓?諾貝爾(AkzoNobel)公司開發(fā)了一種新型液晶芳族雜環(huán)聚合物:聚［2,5-二烴基-1,4-苯撐毗啶并二咪唑］，簡(jiǎn)稱"M5"或PlPD，化學(xué)結(jié)構(gòu)為：0H0HM5纖維的結(jié)構(gòu)與PBO分子相似一一剛棒結(jié)構(gòu)。在M5分子鏈的方向上存在大量的-OH和-NH基團(tuán)，容易形成強(qiáng)的氫鍵。如圖4所示，與芳香族聚酰胺晶體結(jié)構(gòu)不同，M5在分子內(nèi)與分子間都有氫鍵存在，形成了氫鍵結(jié)合網(wǎng)絡(luò)。圖1為M5纖維沿分子鏈軸方向的晶體結(jié)構(gòu)，虛線為氫鍵。圖1M5圖1M5晶體結(jié)構(gòu)從圖1可以清楚地看出，M5大分子所形成的雙向氫鍵結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，類似一個(gè)蜂窩。這種結(jié)構(gòu)加固了分子鏈間的橫向作用，使M5纖維具有良好的壓縮與剪切特性，壓縮和扭曲性能為目前所有聚合物纖維之最。(二)應(yīng)用與前景目前超高強(qiáng)聚乙烯纖維的應(yīng)用主要是加工防彈用特種織物、防彈板、漁業(yè)用繩網(wǎng)、極低溫絕緣材料、混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固用試驗(yàn)片材、光纜補(bǔ)強(qiáng)材料、降落傘繩帶、汽車保險(xiǎn)杠等。芳香族聚酰胺纖維常見的品種Kevlar、Twaron、Technora纖維等，主要應(yīng)用有作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體、漁業(yè)工業(yè)等用繩網(wǎng)、防彈服、防彈板、頭盔、混凝土補(bǔ)強(qiáng)材料等。碳纖維的優(yōu)良特性使其廣泛用于航空、航天、軍工、體育休閑等結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于宇宙機(jī)械、電波望遠(yuǎn)鏡和各種成型品，還有直升飛機(jī)的葉片、飛機(jī)剎車片和絕熱材料、密封填料和濾材、電磁波屏蔽材料、防靜電材料、醫(yī)學(xué)材料等°PBO纖維從問世以來就受到人們的關(guān)注，其應(yīng)用主要有防沖擊方面的加固補(bǔ)強(qiáng)材料、復(fù)合材料中的加固材料，用于防護(hù)的防彈服、防彈頭盔、消防服、高性能及耐高溫傳動(dòng)帶、輪胎簾子線、光纖電纜承載部分、架橋用纜繩、耐熱墊材等。與各種高性能纖維相比，M5纖維的綜合性能更優(yōu)越，這使得它的應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛。尤其是M5纖維的抗沖擊力和耐破壞性，使它在制造經(jīng)濟(jì)、高效的結(jié)構(gòu)材料方面有廣闊的應(yīng)用前景，如應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域，在高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中M5也具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)前M5纖維的研究比較活躍，隨著研究的深人，其性能和應(yīng)用將得到不斷的提高和拓展。高性能纖維的不斷創(chuàng)新是高性能產(chǎn)業(yè)用紡織品及復(fù)合材料用纖維領(lǐng)域的重要進(jìn)步，隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天、交通運(yùn)輸、民用建筑、生物醫(yī)用和體育器材等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不僅要求復(fù)合材料具有很高的損傷容限和可靠性，同時(shí)對(duì)其增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)完整性和適形性的要求也更加嚴(yán)格。針織結(jié)構(gòu)由于其彈性、靈活性和高能量吸收性，尤其是優(yōu)異的懸垂性及可成形性在生產(chǎn)復(fù)雜形狀的復(fù)合材料構(gòu)件中具有明顯優(yōu)勢(shì)，近年來在復(fù)合材料領(lǐng)域受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。隨著世界高新技術(shù)、纖維合成與紡絲工藝的發(fā)展，以及軍事、航空航天、海洋開發(fā)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的迫切需要，