高强高模有机纤维的概述与展望

汪 亮，董 晶，赵春会，张 彤，杨 静

（1.成都海蓉特种纺织品有限公司，四川成都 610000；2.四川省纺织科学研究院，四川成都 610000）

有机纤维是指纤维基材或材质为有机物的纤维，用于军事的有机纤维主要包括涤纶、腈纶、锦纶、丙纶，高性能有机纤维芳纶、UHMWPE纤维、PBI纤维、PI纤维、PBO纤维及M5纤维等[1]。用于航空航天、军事用途的高性能纤维必须具备质量轻、高强高模、耐高温、耐摩擦等特殊物理指标[2-5]；研究发现，如果战略导弹的固体火箭发动机质量减轻1 kg，射程可增加16 km[6-8]；航空航天、军事等特殊用途也决定了纺织材料必须具有极高的物理指标及耐高温等性能[3,9]。高性能纤维的发展与创新有助于推进我国国防军事的进一步稳固发展。本研究从高性能军用有机纤维的名称、主要产品以及国内外主要生产现状着手，概述了几种军用高性能有机纤维的研究和生产现状，对主要军用高强高模有机纤维的物理力学性能、优缺点及应用领域进行了比对分析，为军用高性能有机纤维的研究和选择提供依据。

1 高性能有机纤维概述

1.1 芳纶纤维

芳纶纤维与碳纤维、UHMWPE 纤维并称为世界三大高性能纤维[10-11]。芳纶纤维具有耐高温、质量轻、高强高模、使用寿命长等特性，综合性能指标及稳定性均与军需装备极为配套，尤以芳纶1414（PPTA）需求最多[3,12-14]。芳纶纤维主要用于防弹衣、防弹头盔、坦克装甲等特种防护装备以及其他军需结构材料等[15]。目前，国内的芳纶1313（PMIA）供给充足，而芳纶1414的供给存在不足，尤其高品质的芳纶1414仍需进口。由航天科工六院46所研发的F-12高强度芳纶纤维属于含杂环芳香族聚酰胺纤维，多项性能明显优于国产芳Ⅲ纤维，属于非常重要的战略物资[16-17]；2011年在内蒙古正式投入生产，年产50 t。

1.2 UHMWPE纤维

UHMWPE 纤维密度低（可浮于水面）、耐磨耐弯曲性能好、张力疲劳性和耐剪切性能在三大高性能纤维中最强，广泛应用于防弹切割手套、绳缆制品、飞机翼尖材料等防护装备、航空航天及军事领域[18-20]。其中，成都海蓉特种纺织品有限公司生产的聚乙烯丝绳性能极为优良，广泛应用于各个特种行业。经过不断研究改进，UHMWPE纤维的综合性能越来越好，但仍存在界面结合力差、蠕变性高等问题。研究人员正在通过等离子体处理、辐射等手段进行表面改性，以期能够解决或改善这些问题[19,21-22]。UHMWPE 纤维存在全球性的供给不足现象，具有巨大的应用空间和市场。目前，国内UHMWPE 纤维的生产技术、产品已达到国际先进水平，同样存在产能不足、价格昂贵、供给困难的问题。

1.3 PBI纤维

PBI纤维全称为聚-2,2'-间苯撑-5,5'-双苯并咪唑纤维，中文全称聚对苯并咪唑纤维，简称托基纶[23]。PBI 纤维的大分子主链上含有苯并咪唑撑，这使得PBI 纤维具备阻燃、耐高温、耐化学腐蚀等诸多优异特性[24]。PBI纤维燃烧时不发生熔融，无毒无烟，基本不产生收缩变形，离火后立即熄灭。同时，PBI纤维还具有耐酸碱、耐水解、吸湿率高（15%）、易纺织加工、穿着舒适等特性，可用于宇航防护服、飞机及潜艇的阻燃内饰材料，以及其他特种防护服或滤材[25-27]。PBI纤维性能优异，但价格过于昂贵，急需降低生产成本，进行大批量的工业化生产。

1.4 PI纤维

PI纤维即聚酰亚胺纤维，是指主链上含有酰亚胺环结构的一类聚合纤维。聚酰亚胺纤维具有较高的表面积，过滤效果好且粉尘大多集中于纤维的表面，所以，过滤过程中运行阻力非常小[28-29]；而且，PI 纤维具有耐氧化、耐热、低吸水性以及介电特性。聚酰亚胺纤维与杜邦Nomex®纤维同属于高温滤材，但其使用温度范围更广、工作温度更高（PI 纤维使用温度250～350 ℃，Nomex®纤维使用温度204～240 ℃）。与此同时，PI 纤维具有优良的耐酸碱性能，可用于酸碱含量较大的高温烟气过滤，这些都是Nomex®纤维不能相比的[2,30-31]。目前，在高温烟气滤材及阻燃防护品领域，PI纤维成为最佳选择[32-33]。

1.5 PBO纤维

PBO纤维全称为聚对苯撑苯并二口恶唑纤维，被誉为21世纪的超级纤维。PBO纤维主要是由苯环及芳杂环高分子高度聚合形成的纤维聚合物，分子结构呈刚棒状，取向度呈现高度的一致性[34-36]；同时，PBO 纤维属于溶致性液晶高分子，纺纱工艺属于液晶纺丝，分子链间的紧密程度[35,37-38]，因此，PBO纤维具有较为优异的力学性能。PBO纤维的密度远低于碳纤维，而力学性能却远高于芳纶纤维，是新一代的质轻高强纤维之一；直径为1 mm的PBO 细丝就能够吊起450 kg 的货物，强度是钢丝纤维的十倍以上[39-40]。同时，PBO纤维没有熔点，具有较高的耐热性能，耐热温度为600 ℃，可在 300 ℃下连续工作[41]。但由于 PBO 纤维分子间的作用力比较薄弱，纤维表面缺少极性基团，因此，抗压缩强度低，与树脂之间的黏合力较差，限制了其应用，但目前已通过等离子体处理[42]、紫外及辐射处理[43]、偶联剂处理、共聚及表面化学改性等方法得到了有效解决[44]。2016年，深圳市新纶科技股份有限公司投资30亿元建立新纶科技高性能纤维（PBO）项目，成为全球第二家PBO纤维生产企业，打破了日本东洋纺的垄断。

1.6 M5纤维

聚苯撑吡啶并二咪唑纤维（PIPD）的商品名为M5。M5纤维同PBO纤维一样，通过液晶纺丝技术纺制，属于刚性棒状高性能纤维，但M5纤维具有较高的抗压强度和抗压模量，更适用于宇航材料、武器装备、防弹器材等航空、军事领域[45-48]。同时，M5 纤维表面具有一定的极性基因，便于与各种树脂（环氧树脂、不饱和聚酯和乙烯基树脂等）基材粘接制备高性能复合材料[48]。M5纤维与碳纤维相似，都具有相对较高的经向模量、较低的纬向模量和较高的抗剪切性能[49-51]。M5 纤维的各项性能优良，符合军需配套材料的物化指标要求，是非常重要的战略物资[52-57]。但M5纤维在国内仍处于实验室研发、试制阶段，未达到产业化生产的技术指标。

1.7 国内外生产现状

常见的几种军用高性能有机纤维的名称、主要商品及厂家信息见表1。由表1可知，除了M5纤维国内目前无生产企业外，其他高性能纤维国内均已有生产企业。这意味着除了M5 纤维，其他高性能纤维均已打破国外的垄断地位。其中，江苏奥神新材料股份有限公司与东华大学共同研发的PI 纤维干法纺丝技术处于全球领先地位，已于2011年正式投资生产。与此同时，深圳市新纶科技股份有限公司成为继东洋纺公司之后全球第二家PBO 纤维生产企业，也于2016年正式投资生产。

表1 军用高性能有机纤维概述

2 物理力学性能对比

常见的几种军用高性能有机纤维的主要性能对比见表2。由表2可知，新种类的高性能纤维及高强型高性能纤维的出现，打破了以往的既定分类和认知，即：断裂伸长率最低，拉伸强度和拉伸模量最高的不是PBO 纤维，而是M5 纤维。而断裂伸长率最高，拉伸强度和模量最低的则为PBI纤维。质量最轻的当属UHMWPE 纤维，而高模M5 纤维的密度和质量相对比较高。UHMWPE 纤维属于基本不回潮纤维，芳纶纤维回潮率相比其他纤维明显较高。相比而言，UHMWPE 纤维的极限氧指数和热分解温度最低、耐热稳定性最差。而PBO纤维的极限氧指数高达68%，展现出了极佳的阻燃性能。

表2 有机纤维的主要性能指标对比情况

3 优缺点及应用领域

常见的几种军用高性能有机纤维的优缺点及应用领域见表3。表3所示的每一种纤维都有其优缺点，而这些优缺点只是针对这些纤维用于航空、军事用途时而言，如果用于民用纺织品也许截然不同。就纤维在航空军事应用领域的广度、用量以及应用前景而言，M5 纤维最值得期待，其次是UHMWPE纤维、PBO 纤维，而芳纶纤维、PBI 纤维、PI 纤维紧随其后。

表3 有机纤维的优缺点及应用领域

4 结束语

（1）最值得期待的高强高模高性能纤维就是M5。但与国外发达国家相比，国内M5纤维发展存在明显的滞后，仍停留在实验室研发、试制阶段。为尽快满足国防、航空、军事装备的需求，相关部门及院校应积极与相关企业做好对接，及时跟进M5 纤维的研发、生产，助力我国国防军事的发展。

（2）就生产现状而言，我们必须积极尝试、运用国产新型PBO 纤维，让PBO 纤维尽快发挥其不可替代的作用。取长补短，按需选材，熟知每一种高性能纤维的特性，将芳纶纤维、UHMWPE 纤维、PI 纤维、PBI纤维的性能应用到极致。

（3）国防军事装备的发展离不开高性能材料，当然也包括高性能纺织材料。军需协作单位应把握国防军事装备的需要，掌握最新纺织材料的动态，努力为国防军事的发展提供优质的纺织材料及纺织品。