1、2021/2/71第八章第八章 高技術纖維高技術纖維 所謂所謂高技術纖維高技術纖維就是依靠高技術和纖維材料科學最就是依靠高技術和纖維材料科學最新的基礎理論新的基礎理論,研制成功的具有高性能、高功能和高研制成功的具有高性能、高功能和高感性等的一系列新纖維材料。感性等的一系列新纖維材料。 一般可分為一般可分為3類類,即即高性能纖維、高功能纖維和高感高性能纖維、高功能纖維和高感性纖維。性纖維。 高技術紡織品是高技術紡織品是21世紀紡織行業最具有發展前景的世紀紡織行業最具有發展前景的產品之一。英國產品之一。英國David Rigby紡織咨詢公司預計高紡織咨詢公司預計高技術紡織品對紡織業的貢獻將大大超過

2、天然纖維和技術紡織品對紡織業的貢獻將大大超過天然纖維和其他纖維。其他纖維。2021/2/72高功能纖維高功能纖維 功能纖維功能纖維是指具有特種功能的纖維是指具有特種功能的纖維,主要品種是主要品種是: （1）防護功能纖維）防護功能纖維（主要有阻燃、防紫外線、抗靜電、抗輻射等）（主要有阻燃、防紫外線、抗靜電、抗輻射等）; （2）物質分離功能纖維）物質分離功能纖維（主要有中空纖維分離膜、離子交換纖維、吸（主要有中空纖維分離膜、離子交換纖維、吸附纖維等）附纖維等）;（3）生物醫學功能纖維）生物醫學功能纖維（主要有甲殼素、中空纖維膜等）（主要有甲殼素、中空纖維膜等）; （4）衛生保健功能纖維）衛生保健功

3、能纖維（主要有抗菌、防臭、消臭、香味、保溫蓄熱、（主要有抗菌、防臭、消臭、香味、保溫蓄熱、遠紅外、負離子、高吸水等）遠紅外、負離子、高吸水等）; （5）傳導功能纖維）傳導功能纖維（主要有光導纖維、導電纖維、超導纖維等）（主要有光導纖維、導電纖維、超導纖維等）（6）智能纖維及其他功能纖維）智能纖維及其他功能纖維（仿生、超高吸水纖維等）。（仿生、超高吸水纖維等）。 2021/2/73高感性纖維高感性纖維 所謂所謂高感性纖維高感性纖維,就是應用高分子改性、截面特就是應用高分子改性、截面特殊異型化、超細纖維化、混纖技術、纖維表面處理殊異型化、超細纖維化、混纖技術、纖維表面處理及染整后整理等技術及染整后

4、整理等技術,生產出的超天然纖維的高感生產出的超天然纖維的高感性功能纖維性功能纖維,也有人稱之為新合纖。也有人稱之為新合纖。 高感性纖維一般要求高感性纖維一般要求纖維在保留原有的良好性纖維在保留原有的良好性能外能外,還要求紡織品具有仿天然和超天然性能。包還要求紡織品具有仿天然和超天然性能。包括仿麂皮、超柔軟、仿毛感、仿蠶絲感、超懸垂性括仿麂皮、超柔軟、仿毛感、仿蠶絲感、超懸垂性等向超天然方向發展等向超天然方向發展,集天然纖維的穿著舒適性和集天然纖維的穿著舒適性和合成纖維的功能性于一身。合成纖維的功能性于一身。2021/2/74 高性能纖維高性能纖維是指對外部作用不易發生反是指對外部作用不易發生反

5、應應,在各種惡劣條件下能保持纖維本身性在各種惡劣條件下能保持纖維本身性能的纖維。其定義無統一標準能的纖維。其定義無統一標準,一般認為一般認為強度大于強度大于1.4GPa(200Ksi),模量大于模量大于70 Gpa(10Msi)的纖維均可看作為高性能纖的纖維均可看作為高性能纖維。除聚乙烯外維。除聚乙烯外,這些纖維的有用工作溫這些纖維的有用工作溫度基本都高于度基本都高于200。 目前主要分為目前主要分為有機纖維有機纖維和和無機纖維無機纖維兩種。兩種。高性能纖維高性能纖維2021/2/75 有機纖維有機纖維主要有主要有對位芳綸對位芳綸(聚對苯二甲酰對苯二聚對苯二甲酰對苯二胺胺,芳綸芳綸1414)(

6、商品名商品名Kevlar)、間位芳綸間位芳綸(聚間苯二聚間苯二甲酰間苯二胺甲酰間苯二胺,芳綸芳綸1313)(商品名商品名NomeX)、超高、超高分子量的分子量的高強高模量聚乙烯高強高模量聚乙烯(UHMW-PE)(商品名商品名Dyneema)、PBO纖維纖維(聚對苯撐苯并雙惡唑聚對苯撐苯并雙惡唑)、高、高強高模強高模PVA等。等。 無機纖維無機纖維主要是主要是碳纖維碳纖維、碳化硅纖維、硼纖、碳化硅纖維、硼纖維、玻璃纖維等。維、玻璃纖維等。 高性能高性能:如碳纖維紡織結構復合材料與鋼材相比如碳纖維紡織結構復合材料與鋼材相比,重量輕重量輕3/4、而強度提高、而強度提高4倍。倍。2021/2/76纖維

7、性能比較纖維性能比較2021/2/77蜘蛛絲與其他纖維的性能比較蜘蛛絲與其他纖維的性能比較2021/2/78 20世紀世紀50年代末年代末,對粘膠纖維進行高溫分解以對粘膠纖維進行高溫分解以制得強度較低的碳纖維制得強度較低的碳纖維; 60年代初年代初,美國聯合碳化公司首次采用在張力美國聯合碳化公司首次采用在張力下進行石墨化下進行石墨化,制得高強度粘膠基碳纖維制得高強度粘膠基碳纖維;在同在同一時期一時期,英國皇家航空研究所以腈綸纖維為原英國皇家航空研究所以腈綸纖維為原料料,首次生產出強度大、模量高的碳纖維首次生產出強度大、模量高的碳纖維,日本日本碳化公司使其商品化。以后又陸續開發出瀝青碳化公司使其

8、商品化。以后又陸續開發出瀝青基等碳纖維。基等碳纖維。第一節第一節 碳纖維碳纖維 2021/2/79分類分類 按性能分按性能分, ,碳纖維分為通用型和低性能兩種。碳纖維分為通用型和低性能兩種。高性能的碳纖維分高強度、高模量和中等高性能的碳纖維分高強度、高模量和中等模量三類模量三類, ,用于高強高模的場合用于高強高模的場合; ;低性能碳低性能碳纖維常用于耐火焰、做碳質等用途。纖維常用于耐火焰、做碳質等用途。 按功能分類按功能分類, ,碳纖維可分為受力結構材料、碳纖維可分為受力結構材料、耐火焰材料、活性炭（用于凈化水）、導耐火焰材料、活性炭（用于凈化水）、導電材料、潤滑材料、以及耐磨材料。電材料、潤

9、滑材料、以及耐磨材料。 按原料分類按原料分類, ,碳纖維分丙烯腈碳纖維、粘膠碳纖維分丙烯腈碳纖維、粘膠碳纖維、瀝青碳纖維、木質素碳纖維、其碳纖維、瀝青碳纖維、木質素碳纖維、其他碳纖維等。他碳纖維等。2021/2/710碳纖維的規格及性能碳纖維的規格及性能2021/2/711聚丙烯腈基碳纖維聚丙烯腈基碳纖維 結構結構:有高度取向有高度取向,優先平行于纖維軸的兩優先平行于纖維軸的兩向亂層石墨結構結晶所構成。碳纖維的向亂層石墨結構結晶所構成。碳纖維的密度和結晶密度分別為密度和結晶密度分別為1.741.86 g/cm3和和2.032.21g/cm3。 力學性能力學性能:分為通用型（拉伸強度低于分為通用

10、型（拉伸強度低于1.4GPa,拉伸模量小于拉伸模量小于140GPa）,高強型高強型（HS,拉伸強度拉伸強度37GPa）和高模型）和高模型（HM,拉伸模量拉伸模量300900GPa）2021/2/712PAN基碳纖維工藝流程基碳纖維工藝流程2021/2/713二二 瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維 瀝青基碳纖維是一種以石油瀝青或煤瀝青瀝青基碳纖維是一種以石油瀝青或煤瀝青為原料為原料,經瀝青的精制、紡絲、預氧化、碳經瀝青的精制、紡絲、預氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于化或石墨化而制得的含碳量大于92的特的特種纖維。種纖維。 因其具有因其具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗

11、疲勞、抗蠕變導電與導熱等優良性蝕、抗疲勞、抗蠕變導電與導熱等優良性能能,是一種屬于軍民兩用的高技術纖維。是一種屬于軍民兩用的高技術纖維。2021/2/714制造工藝流程制造工藝流程 各向同性瀝青各向同性瀝青瀝青纖維瀝青纖維不熔化不熔化碳碳化化通用型碳纖維通用型碳纖維 液晶瀝青液晶瀝青瀝青纖維瀝青纖維不熔化不熔化碳化、碳化、石墨化石墨化高性能碳纖維高性能碳纖維2021/2/715三三 粘膠基碳纖維粘膠基碳纖維 性能性能:密度在密度在1.521.53g/cm3;石墨層石墨層間距大間距大,取向低取向低,耐燒蝕耐燒蝕;熱穩定性好熱穩定性好,石墨化程度低石墨化程度低,熱傳導率低熱傳導率低,是隔熱及是隔熱

12、及防熱的好材料防熱的好材料;生物相容性好。生物相容性好。 用途用途:柔性電熱制品、高溫的保溫和柔性電熱制品、高溫的保溫和絕熱材料絕熱材料,活性碳纖維和醫療衛生材活性碳纖維和醫療衛生材料。料。2021/2/716制造工藝流程制造工藝流程粘膠原絲粘膠原絲加捻加捻穩定化浸漬穩定化浸漬干燥、干燥、預氧化預氧化低溫碳化低溫碳化卷繞卷繞高溫碳高溫碳化化表面處理表面處理絡筒絡筒碳纖維制品碳纖維制品2021/2/717粘膠基碳纖維的成型機理粘膠基碳纖維的成型機理 化學反應主要發生在化學反應主要發生在600之前之前,脫水和熱裂過程主要可粗略脫水和熱裂過程主要可粗略地劃為四個階段地劃為四個階段:(1)第一階段第一

13、階段(25150)主要脫掉物理吸附的水分。粘膠纖主要脫掉物理吸附的水分。粘膠纖維物理吸附的水分大約在維物理吸附的水分大約在10%14%之間之間,低溫脫除掉這些水低溫脫除掉這些水分有利于高溫脫除結構水。分有利于高溫脫除結構水。(2)第二階段第二階段(150240)主要是分子結構內脫水主要是分子結構內脫水,生成含有生成含有羰基、酮基、烯醇基或羧基的鏈段羰基、酮基、烯醇基或羧基的鏈段(片片)。(3)第三階段第三階段(240400)為激烈反應區為激烈反應區,主要有兩個競爭反主要有兩個競爭反應。一是應。一是1,4-苷鍵熱裂生成脫水環苷鍵熱裂生成脫水環,1,6-脫水生成左旋葡萄糖脫水生成左旋葡萄糖,并在較

14、高溫下轉化為焦油并在較高溫下轉化為焦油;二是脫水纖維素環進一步深層次二是脫水纖維素環進一步深層次地脫水生成脫水纖維素地脫水生成脫水纖維素,環內熱穩定性差的環內熱穩定性差的C-C鍵和鍵和C-O鍵熱鍵熱裂生成碳四殘鏈。裂生成碳四殘鏈。(4)第四階段第四階段(400700)進行碳四殘鍵的芳構化進行碳四殘鍵的芳構化,縮聚為六縮聚為六碳原子的石墨層片。當溫度高于碳原子的石墨層片。當溫度高于700,縮聚層面迅速增大縮聚層面迅速增大,排排布逐漸有序化布逐漸有序化,轉化為亂層石墨結構。轉化為亂層石墨結構。2021/2/718第二節第二節 芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酰胺纖維 美國杜邦生產的美國杜邦生產的Kevla

15、r,NomexKevlar,Nomex 日本帝人公司的日本帝人公司的Technora,ConnexTechnora,Connex 荷蘭阿克蘇生產的荷蘭阿克蘇生產的TwaraTwara 我國的芳綸纖維。我國的芳綸纖維。2021/2/719一一 芳香族聚酰胺纖維的結構式芳香族聚酰胺纖維的結構式2021/2/720二、聚對苯二甲酰對苯二胺纖維二、聚對苯二甲酰對苯二胺纖維(PPTA)PPTA合成合成:工業生產使用低溫溶液縮聚和工業生產使用低溫溶液縮聚和界面縮聚的方法界面縮聚的方法,由芳香族二胺與芳香族由芳香族二胺與芳香族酰氯酰氯,在聚酰胺型溶劑體系中合成。在聚酰胺型溶劑體系中合成。 如如:低溫溶液縮聚

16、法制備低溫溶液縮聚法制備PPTA時時,以對苯以對苯二甲酰氯二甲酰氯(TCL)和對苯二胺（和對苯二胺（PPD)為單為單體體,N-甲基吡咯烷酮甲基吡咯烷酮(NMP)-CaCl2體系為體系為縮聚溶劑。縮聚溶劑。2021/2/721低溫溶液縮聚工藝示意圖低溫溶液縮聚工藝示意圖2021/2/722PPTA纖維成型工藝纖維成型工藝 以以PPTA硫酸紡絲溶液（溶致性液晶溶液）硫酸紡絲溶液（溶致性液晶溶液）采用干噴濕紡的液晶紡絲方法。采用干噴濕紡的液晶紡絲方法。2021/2/723工藝條件工藝條件 PPTA質量分數在質量分數在1822%之間之間,溶液溶液溫度溫度90120;低低溫凝固浴溫度溫凝固浴溫度05,紡

17、絲速度紡絲速度200800 m/min。2021/2/724三三 聚間苯二甲酰間苯二胺（聚間苯二甲酰間苯二胺（MPIA纖維）纖維） 我國稱為芳綸我國稱為芳綸1313、美國稱為諾、美國稱為諾曼克斯（曼克斯（Nomex) ; 性能性能:優良的耐高溫性和難燃性優良的耐高溫性和難燃性;加工性能與棉花相似。加工性能與棉花相似。2021/2/725（一）（一）MPIA的合成的合成 采用界面縮聚法和低溫溶液縮聚法采用界面縮聚法和低溫溶液縮聚法,由間由間苯二胺苯二胺(MPD)和間苯二酰氯和間苯二酰氯(ICL)縮合反應縮合反應而得。而得。 界面縮聚界面縮聚:將將ICL溶于四氫呋喃溶于四氫呋喃(THF) 中中,然

18、然后把溶有后把溶有ICL溶液加入溶有溶液加入溶有MPD的碳酸鈉的碳酸鈉水溶液中去水溶液中去,在水和有機相界面立即發生在水和有機相界面立即發生縮聚反應縮聚反應,生成白色的生成白色的MPIA。 低溫溶液縮聚低溫溶液縮聚:MPD溶解在溶解在DMAc中再攪中再攪拌下加入間苯二酰氯拌下加入間苯二酰氯,先在低溫下反應先在低溫下反應,并并逐步升溫到逐步升溫到5070聚合。聚合。2021/2/726（二）紡絲成型工藝（二）紡絲成型工藝 MPIA纖維可采用干法紡絲和濕法紡纖維可采用干法紡絲和濕法紡絲兩種方法制備。也可采用干濕法絲兩種方法制備。也可采用干濕法紡絲。紡絲。 干法和干濕法一般適合紡制長絲干法和干濕法一

19、般適合紡制長絲,噴噴絲孔數少絲孔數少,紡速高紡速高,纖維質量好纖維質量好,但設但設備復雜備復雜,成本高成本高;濕法紡絲噴絲孔數濕法紡絲噴絲孔數30000以上以上,設備簡單設備簡單,產量高產量高,適宜適宜MPIA短纖生產。短纖生產。2021/2/727用途用途諾梅克斯也是一種芳綸纖維諾梅克斯也是一種芳綸纖維, ,用于用于制作防火衣、太空衣、烘干機制作防火衣、太空衣、烘干機用毯、輸送帶等。用毯、輸送帶等。2021/2/728第三節第三節 芳香族雜環類纖維芳香族雜環類纖維2021/2/7292021/2/730一一 聚對苯亞基苯并雙惡唑纖維聚對苯亞基苯并雙惡唑纖維(PBO) PBO的商品名定為的商品

20、名定為Zylon; PBO纖維的模量比纖維的模量比Kevlar-149高一倍高一倍以上以上,纖維的結晶彈性模量已達到理論纖維的結晶彈性模量已達到理論值的值的70%;耐熱性能好耐熱性能好,強度、模量高。強度、模量高。 2021/2/731（一）（一）PBO的合成工藝的合成工藝2021/2/732PBO纖維成型工藝纖維成型工藝 15%(wt)PBO的多聚磷酸（的多聚磷酸（PPA）溶液）溶液,采用干濕法液晶紡絲裝置采用干濕法液晶紡絲裝置,空氣層為空氣層為20mm,稍有噴絲頭拉伸。稍有噴絲頭拉伸。2021/2/733二二 聚苯并咪唑聚苯并咪唑(PBI)纖維纖維 性能性能:耐高溫性、阻燃性、尺寸穩定性和

21、耐高溫性、阻燃性、尺寸穩定性和耐化學腐蝕性耐化學腐蝕性,穿著舒適性等穿著舒適性等;耐腐蝕性能耐腐蝕性能突出。突出。 用途用途:可加工成機織物、針織物及非織造可加工成機織物、針織物及非織造布等布等,如宇航服、飛行服、飛船中的密封如宇航服、飛行服、飛船中的密封墊墊;石棉替代材料。石棉替代材料。2021/2/734（一）合成方法（一）合成方法 在多聚磷酸中溶液縮聚在多聚磷酸中溶液縮聚; 在熔融的二苯砜中反應縮聚在熔融的二苯砜中反應縮聚; 用固相縮聚法生產用固相縮聚法生產PBI,可直接溶解成紡可直接溶解成紡絲原液紡絲。絲原液紡絲。2021/2/735（二）（二）PBI纖維的成型工藝纖維的成型工藝2021/2/736第四節第四節 超高分子量聚乙烯纖維超高