高性能纤维的性能及应用

孙晓婷，郭 亚

(青岛大学纺织服装学院,山东青岛 266071)



高性能纤维的性能及应用

孙晓婷，郭 亚

(青岛大学纺织服装学院,山东青岛 266071)

高性能纤维是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维。简述了高性能纤维的基本分类，并介绍了芳纶纤维、PBO纤维、碳纤维、玻璃纤维四种高性能纤维的性能及应用，并分析了高性能纤维今后的发展趋势。

芳纶 PBO纤维 碳纤维 玻璃纤维

0 引言

高性能纤维是指具有高承载力、高耐久性的化学纤维，它们具有特殊的物理、化学结构以及功能性，如高强、高模、高弹性、耐高温、耐高压、耐腐蚀、耐辐射、抗燃、耐磨损、导电等功能。一般指强度大于17.6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex以上的纤维[1]。这类纤维采用高新技术制成，大多应用于工业、国防、医疗、环境保护和尖端科学等领域。

高性能纤维分为两大类：有机纤维和无机纤维。目前，比较常见的有机纤维主要包括间位芳纶(芳纶1313)、对位芳纶(芳纶1414)、PBO纤维等；无机纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维等。其主要性能对比如表1所示[2]：

表1 几种高性能纤维性能对比

1 几种主要的高性能纤维

1.1 芳纶纤维

芳纶(Aramid fiber)，又称芳香族聚酰胺纤维，是一种新型高科技合成纤维，主要包括全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维两种，可分为间位(PMTA)、对位(PPTA)和邻位三种[3]，目前常用的主要有间位芳纶和对位芳纶两种。其中PMTA与PPTA的主要区别在于酰胺键与苯环上的连接位置不同，其分子结构见图1。

图1 间位和对位芳纶的分子结构

1.1.1 间位芳纶

间位芳纶，即聚间苯二甲酰间苯二胺(PMTA)纤维，商品名为Nomex，是由酰胺基团相互连接间位苯基构成的排列规整的锯齿型大分子。间位芳纶具有良好的力学特性，属难燃纤维，极限氧指数LOI≥29%，在空气中不会自燃，离火后自熄，阻燃性好；玻璃化温度为270℃，高温环境中仍可保持较高的强度和较好的稳定性，当温度超过400℃时，纤维逐渐开始发脆、炭化形成隔热层，起到保护作用；间位芳纶介电常数很低、绝缘性好，并具有优良的抗辐射性能。[4]

间位芳纶具有优异的耐热性、化学稳定性，可在高温环境中长期工作，将其加工成过滤袋，可用于空气污染较重领域的高温烟尘过滤。利用间位芳纶的阻燃性，将其制成消防服、军需作战服、抢险救援服等防护服装，无需任何处理，即具有高效、永久的阻燃功能。由于间位芳纶具有电绝缘性，可加工成芳纶纸用作导线、电缆的绝缘材料，电动机、发电机及变压器中的线圈绕阻。[5]

1.1.2 对位芳纶

对位芳纶，即聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维，商品名为Kevlar，是世界上首例采用高分子液晶纺丝制得的纤维，开创了高性能合成纤维的新时代。对位芳纶最突出的特点是：高强、高模、耐高温和耐冲击。其拉伸强度为3.0Gpa～5.5Gpa，约为玻璃纤维的1.5倍，钢丝的3倍。纤维热稳定性好，在高温下仍能保持较高的强度；极限氧指数(LOI)较高，阻燃性好。但由于对位芳纶纤维表面缺少活性基团，导致其与树脂界面的黏结性较差，因此，可对其进行改性处理，以提高界面的黏结性。[6-7]

对位芳纶主要应用于汽车工业、防护材料、光缆、加固材料、密封材料、橡胶增强材料等领域。芳纶树脂基增强复合材料用于飞机、火箭等飞行器的结构材料，密度小、质量轻，节省动力燃料；将多层对位芳纶布经树脂粘合、高温高压成型制成的防弹衣、防弹头盔等具有高强、质轻、防护面积增加等特点，样式美观、成型性好；使用对位芳纶帘子线生产超轻、超薄、低阻力的轮胎，可延长轮胎的使用寿命，改善转向性和舒适性，节油效果明显。[8]

1.2 PBO纤维

PBO纤维是聚-P-亚苯丙二噁唑纤维的简称，是在对位芳香族聚酰胺纤维的基础上形成的，被誉为21世纪的“超级纤维”[9]。其分子结构如图2所示：

图2 PBO纤维的分子结构

通过表1中几种高性能纤维的性能对比结果可以看出，PBO纤维具有质轻、高强、高模、耐高温等优异性能；纤维极限氧指数高达68%，极好的热稳定性和阻燃性，即使在600℃的高温条件下也不会分解；有非常好的抗蠕变、耐磨和耐化学性能，可保持较好的柔软性；其性能完全凌驾于碳纤维之上，应用领域十分宽广。[10]

PBO纤维可以制成长丝、短纤、超短纤维浆粕等，主要用于要求既耐热又具有高强、高模的领域中。PBO纤维可代替钢丝作为轮胎增强材料，使轮胎轻质化；利用PBO纤维高强、高模的特性制作需要承受高拉力的绳索、缆绳以及赛艇帆布等；同时利用PBO纤维的阻燃性，可开发出耐高温阻燃飞行服、消防服、高温传送带、防护手套等。[11]

1.3 碳纤维

碳纤维是指含碳量大于90%，具有高强度、高模量的无机高分子纤维状碳材料，按原料来源可分为聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维三大类[12-14]，其主要力学性能如表2。[15]

表2 碳纤维种类及性能

碳纤维具有高强、高模、导电、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等多种优异性能[12-14]，热膨胀系数近似为0。纤维“外柔内刚”，质量比铝轻，但强度却远高于钢铁，不仅具有碳的固有本征，又兼具纺织纤维柔软可加工的特性。[16]

目前，绝大部分碳纤维是以复合材料的形式出现，如碳纤维增强纸、碳纤维增强塑料、碳纤维增强橡胶、碳纤维增强混凝土、碳纤维增强陶瓷等，广泛应用于航空航天、纺织机械、建筑材料、汽车工业、体育用品等领域[12-14]。采用碳纤维复合材料制造的飞机、火箭、卫星等高速飞行器，质量轻、速度快、动力消耗少，可以节约大量燃料。利用碳纤维的质轻、高强、耐腐蚀等优点，将其制成混凝土复合材料已大量应用于桥梁、房屋等需要结构加固的场合。采用碳纤维复合材料制成的车身零部件，极大地减轻了车身重量，提高了燃料的利用效率。用碳纤维做成的方向盘，具有更高的机械强度和抗冲性。[17]

1.4 玻璃纤维

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料[18-19]，是以硅酸盐类物质为原料经高温熔融纺丝制成，单丝直径一般为3μm～10μm。其最大特点是抗拉强度高，但伸长小、耐扭曲性差，容易发生脆断。纤维导热系数小、耐热性好，介电常数低，导电性差。

玻璃纤维是人工制备最早的纺织纤维材料，目前已应用到很多领域中。利用玻璃纤维不吸湿、耐高温、高电阻率等特性，将其制成层状绝缘材料，用作电缆绝缘防护管套；以高聚物为基体、玻璃纤维织物作为增强体制成的“玻璃钢”复合材料广泛应用于航空、交通、机械、电子、化工等领域[18-19]；利用玻璃纤维较低的光导损耗，可制成光缆等通讯传输材料；玻璃纤维的各种毡材还可用作汽车的顶篷、车门垫层等装饰材料。

2 高性能纤维的发展方向

高性能纤维是先进复合材料的理想增强体，它的开发和应用对材料科学领域的发展起到了极大的推动作用，受到了人们的青睐，应用范围也在不断扩大，可以体现出一个国家的科技水平和综合实力。但是，我国高性能纤维的发展起步较晚，目前还主要依赖进口，因此，需要加大对高性能纤维的研发力度，以提高我国的科技水平。未来高性能纤维产业发展的重点目标主要体现在以下几方面：

2.1 高性能纤维低成本化

改进高性能纤维的纺丝技术和设备，实现高性能纤维的低成本规模化生产。通过降低纤维制造成本，来提高产品的市场竞争力，并扩大其纤维制品的应用范围。

2.2 实现高性能纤维产业链一体化

实现“原料—纤维—制品”产业链的一体化生产，完善和系列化生产各种型号规格的高端产品，进一步突破新品种开发技术，同时还要重视自主知识产权的保护和维权，全面提升市场竞争力。

2.3 制定相关产业标准，加强技术创新合作

制定高性能纤维相关的行业标准和国家标准，严格控制高性能纤维的检测规范；企业应加强与高等院校、科研院校等的合作开发，加强相关企业之间的合作研发，实现合作共赢。

3 结语

高性能纤维的发展对未来尖端科技的发展、太空资源以及武器装备的研发有着不可替代的作用，是一类具有战略意义的高新技术材料。我国应紧抓高性能纤维产业未来的发展机遇，加大开发与扶持力度，促进高性能纤维为国家综合实力做出贡献。

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Properties and Applications of High Performance Fiber

SUNXiao-ting,GUOYa

(College of Textile & Clothing,Qingdao University,Qingdao 266071)

High performance fibers are fibers with special physical and chemical structures,properties,applications or special functions. The basic classification of high performance fibers was briefly described,the properties and applications of four kinds of fibers including aramid fiber,PBO fiber,carbon fiber and glass fiber were introduced and the development trend of high performance fiber in the future was analyzed.

aramid fiber PBO fiber carbon fiber glass fiber

2016-12-20

孙晓婷(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织材料与纺织品设计。

TS102

A

1008-5580(2017)02-0216-04