第八章高技术纤维

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。

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、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。 • 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。

有机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。有机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，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以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。

分类 • 按性能分，碳纤维分为通用型和低性能两种。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。

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）

PAN基碳纤维工艺流程

二沥青基碳纤维 • 沥青基碳纤维是一种以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92％的特种纤维。 • 因其具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变导电与导热等优良性能，是一种属于军民两用的高技术纤维。

制造工艺流程 • 各向同性沥青→沥青纤维→不熔化→碳化→通用型碳纤维 • 液晶沥青→沥青纤维→不熔化→碳化、石墨化→高性能碳纤维

三粘胶基碳纤维 • 性能：密度在1.52~1.53g/cm3；石墨层间距大，取向低，耐烧蚀；热稳定性好，石墨化程度低，热传导率低，是隔热及防热的好材料；生物相容性好。 • 用途：柔性电热制品、高温的保温和绝热材料，活性碳纤维和医疗卫生材料。

制造工艺流程 粘胶原丝→加捻→稳定化浸渍→干燥、预氧化→低温碳化→卷绕→高温碳化→表面处理→络筒→碳纤维制品

粘胶基碳纤维的成型机理 • 化学反应主要发生在600℃之前,脱水和热裂过程主要可粗略地划为四个阶段: (1)第一阶段(25~150℃)主要脱掉物理吸附的水分。粘胶纤维物理吸附的水分大约在10%~14%之间,低温脱除掉这些水分有利于高温脱除结构水。 (2)第二阶段(150~240℃)主要是分子结构内脱水,生成含有羰基、酮基、烯醇基或羧基的链段(片)。 (3)第三阶段(240~400℃)为激烈反应区,主要有两个竞争反应。一是1,4-苷键热裂生成脱水环,1,6-脱水生成左旋葡萄糖,并在较高温下转化为焦油;二是脱水纤维素环进一步深层次地脱水生成脱水纤维素,环内热稳定性差的C-C键和C-O键热裂生成碳四残链。 (4)第四阶段(400~700℃)进行碳四残键的芳构化,缩聚为六碳原子的石墨层片。当温度高于700℃，缩聚层面迅速增大，排布逐渐有序化，转化为乱层石墨结构。

第二节芳香族聚酰胺纤维 • 美国杜邦生产的Kevlar，Nomex • 日本帝人公司的Technora,Connex • 荷兰阿克苏生产的Twara • 我国的芳纶纤维。

一芳香族聚酰胺纤维的结构式

二、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA) PPTA合成：工业生产使用低温溶液缩聚和界面缩聚的方法，由芳香族二胺与芳香族酰氯，在聚酰胺型溶剂体系中合成。 • 如：低温溶液缩聚法制备PPTA时，以对苯二甲酰氯(TCL)和对苯二胺（PPD)为单体，N-甲基吡咯烷酮(NMP)-CaCl2体系为缩聚溶剂。

低温溶液缩聚工艺示意图

PPTA纤维成型工艺 • 以PPTA硫酸纺丝溶液（溶致性液晶溶液）采用干喷湿纺的液晶纺丝方法。

工艺条件 • PPTA质量分数在18~22%之间，溶液温度90~120℃；低温凝固浴温度0~5℃，纺丝速度200~800 m/min。

三聚间苯二甲酰间苯二胺（MPIA纤维） • 我国称为芳纶1313、美国称为诺曼克斯（Nomex) ； • 性能：优良的耐高温性和难燃性；加工性能与棉花相似。

（一）MPIA的合成 • 采用界面缩聚法和低温溶液缩聚法，由间苯二胺(MPD)和间苯二酰氯(ICL)缩合反应而得。 • 界面缩聚：将ICL溶于四氢呋喃(THF) 中，然后把溶有ICL溶液加入溶有MPD的碳酸钠水溶液中去，在水和有机相界面立即发生缩聚反应，生成白色的MPIA。 • 低温溶液缩聚：MPD溶解在DMAc中再搅拌下加入间苯二酰氯，先在低温下反应，并逐步升温到50~70℃聚合。

（二）纺丝成型工艺 • MPIA纤维可采用干法纺丝和湿法纺丝两种方法制备。也可采用干湿法纺丝。 • 干法和干湿法一般适合纺制长丝，喷丝孔数少，纺速高，纤维质量好，但设备复杂，成本高；湿法纺丝喷丝孔数30000以上，设备简单，产量高，适宜MPIA短纤生产。

用途诺梅克斯也是一种芳纶纤维，用于制作防火衣、太空衣、烘干机用毯、输送带等。

第三节芳香族杂环类纤维

一聚对苯亚基苯并双恶唑纤维(PBO) • PBO的商品名定为Zylon； • PBO纤维的模量比Kevlar-149高一倍以上，纤维的结晶弹性模量已达到理论值的70%；耐热性能好，强度、模量高。

（一）PBO的合成工艺

PBO纤维成型工艺 • 15%(wt)PBO的多聚磷酸（PPA）溶液，采用干湿法液晶纺丝装置，空气层为20mm，稍有喷丝头拉伸。

二聚苯并咪唑(PBI)纤维 • 性能：耐高温性、阻燃性、尺寸稳定性和耐化学腐蚀性，穿着舒适性等；耐腐蚀性能突出。 • 用途：可加工成机织物、针织物及非织造布等，如宇航服、飞行服、飞船中的密封垫；石棉替代材料。

（一）合成方法 • 在多聚磷酸中溶液缩聚； • 在熔融的二苯砜中反应缩聚； • 用固相缩聚法生产PBI，可直接溶解成纺丝原液纺丝。

（二）PBI纤维的成型工艺

第四节超高分子量聚乙烯纤维 • 性能：比强度最高的纤维；熔点低，耐冲击性能特别好，在防弹纺刺产品上用途广泛；常与其它高性能纤维作复合材料。但存在熔点低、不耐高温、无极性基团、不易粘接的缺点。 • 生产厂商：目前除荷兰、美国、日本能生产UHMWPE纤维外，国内已经有十余家企业能够工业化生产。 • 用途：除用作军、警用防弹背心、头盔、防弹插板外，还用于防切割手套、绳索、鱼网、钓鱼线和其它休闲用具。

一纺丝成型工艺 聚乙烯凝胶纺丝超拉伸法工艺流程

凝胶纺丝成型工艺 • 把超分子量的聚乙烯溶于特定的溶剂中（如十氢化萘为溶剂时，溶解温度是150℃），制成的半稀溶液（2~10%）作为纺丝原液，从喷丝孔喷出，经过空气层，在低温凝固浴里成型出凝胶状的丝条。初生丝条在冷凝过程中与凝固浴只有能量交换，凝胶丝经萃取处理后进行超倍热拉伸。

第八章 高技术纤维