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高性能纤维

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  高性能纤维一般指强度大于17.6cN/dtex,弹性模量在440cN/dtex以上的纤维。 高性能纤维是纤维科学和工程界开发的一批具有高强度、高模量、耐高温性的新一代合成纤维。高性能纤维具有普通纤维没有的特殊性能,主要应用于军工和高科技产业各个领域。

  高性能纤维为力学性能优良,强度为18cN/dtex(20g/D)、初始模量为441cN/dtex(500g/D)的特种纤维。主要品种为有机纤维的对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺)、全芳香族聚酯、超高相对分子质量的高强聚乙烯纤维及新问世的聚苯并双恶唑等,无机纤维主要为碳纤维。

  高性能纤维的生产工艺不同于常规合成纤维,如对位芳纶的液晶干湿法纺丝,高强聚乙烯纤维的凝胶纺丝,碳纤维的燃烧碳化等工艺都将合成纤维工艺技术带入高技术范畴。并且以高性能纤维为增强基质,用热可塑性树脂和热硬化树脂以及各种类型的编织物形成的复合材料已逐步扩大在航空、航天、交通运输、工业生产、农林、海洋水产、能源、环境保护、通信、医疗卫生、体育器材等方面的应用,为人类提供新时代的物质条件,丰富了人类的生活。由高性能纤维为强化材料组成的尖端复合材料(Advanced composite materials)应用领域广泛,推动技术经济的发展。

  高性能纤维具有普通纤维没有的特殊性能,是一种优质的工程材料,其特性如下:

  (1)极高的机械性能。高强度、高弹性模量。纤维材料的进步使得制造先进复合材料成为了可能。弹性模量是衡量材料的一个重要指标,如工程中常用的钢纤维是200GPa,制造飞机的钛合金是106GPa,铝合金为71 GPa,而PPTA纤维的模量是132GPa,PBO纤维更高达280GPa。

  (2)高性能纤维具有耐高温性,具有高温下尺寸稳定,热收缩率很低,因此在耐热防护材料上有特殊用途。

  大多数高性能特种纤维采用湿法纺丝制成。有些纤维制备工艺难度较大,如先用传统的纺丝技术纺出线型或分子量较低的纤维,然后再分别进行环化、交联、金属螯合、高温热处理、表面物理化学处理或等离子体处理等工序方能制得成品纤维;还有的需要采用乳液纺丝、反应纺丝、液晶纺丝、干喷湿纺、相分离纺丝、高压静电纺丝、高速气流熔融喷射和特殊的复合纺丝技术等新型纺丝工艺;也有的利用现有的合成纤维,通过功能团反应获得各种离子交换基团或转化为纤维。

  高性能纤维按性能可分为耐腐蚀性纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、高强度高模量纤维、功能纤维和弹性体纤维等。

  ①耐腐蚀纤维: 即含氟纤维。 有聚四氟乙烯纤维、四氟乙烯-六氟丙烯共聚纤维、聚偏氯乙烯纤维、乙烯-三氟氯乙烯共聚纤维等。

  ②耐高温纤维:有聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚酰亚胺纤维、 聚苯砜酰胺纤维、聚酰胺酰亚胺纤维、聚苯并咪唑纤维等。

  ③抗燃纤维:有酚醛纤维、芳香族聚酰胺表面化学处理纤维、金属螯合纤维、聚丙烯腈预氧化纤维等。

  ④高强度高模量纤维:有聚苯二甲酰对苯二胺纤维、 芳香族聚酰胺共聚纤维、杂环族聚酰胺纤维、碳纤维、石墨纤维碳化硅纤维等。

  ⑤功能纤维:有中空纤维半透膜、活性碳纤维超细纤维毡、吸油纤维毡、光导纤维、导电纤维等。

  ⑥弹性体纤维:有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维、 聚丙烯酸酯类纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维等。

  近年来,国外高性能纤维产业发展迅速,全世界总产能约20万吨,虽然只占化纤总产能0.5%,但其战略意义和经济效益非常之大。高性能纤维材料主要有碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、聚苯硫醚纤维、超高强高模聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并双恶唑纤维、聚酞亚胺纤维和聚四氟乙烯纤维等。对其中五种主要高性能纤维材料介绍如下。

  碳纤维在国外主要应用于航空航天工业、地面交通工具(如汽车、快速列车等)、造船工业、码头和海上设施、体育与休闲用品、电子产品、基础设施、造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等众多领域.在这些领域中许多零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作,因此,2000年以来,全球对碳纤维的需求急速增加,供不应求。

  芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”,芳纶纤维主要分为两种,对位芳酰胺纤维(PPTA)和间位芳酰胺纤维(PMIA)。芳纶纤维在防弹材料方面的需求持续增长,同时与节能、环保相关的领域需求量也不断增长。目前世界芳纶的生产能力约8.2万吨/年(其中,对位芳纶5.5万吨/年、间位芳纶2.3万吨/年),生产主要掌控在美国杜邦手中。芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占7%~8%,航空航天材料、体育用材料约占40%、轮胎骨架材料、传送带材料等约占20%,高强绳索等约占13%。而作为增强材料,芳纶有其不可替代的作用。据《精细化工原料及中间体》杂志报道预测,到2015年全球对位芳纶需求量约为13万吨,2020年需求量约为20万吨。其中,对位芳纶已经成为全球发展最快、产量最高、用途最广的高科技纤维,今后的研发方向是开发新品种和新市场。

  超高分子量聚乙烯纤维属世界范围内的稀缺物资,截至目前,世界超高分子量聚乙烯纤维总产量为每年1.5万吨左右,需求量在3万吨左右。据业内专家预测,近几年国际超高分子量聚乙烯纤维市场年需求量将达到5万吨,未来纤维需求量将达到10万吨以上。而目前,除中国以外,世界上能够产业化生产超高分子量聚乙烯纤维的就只有荷兰、美国、日本这3个国家,总产量不超过1万吨。

  此外由于世界反恐形势的需要,超高分子量聚乙烯纤维在防弹领域的应用也保持着不衰的势头。今后将重点改进其耐热性、蠕变性及与树脂的黏合性,大力扩大在复合材料、缆绳、渔业网箱等民用大市场的应用。

  作为耐高温隔热保温材料、复合增强纤维材料、高性能摩擦和过滤材料,玄武纤维可广泛应用于航天、航空、高速列车、汽车、船舶、国防、军工、安防、建筑工程、防火工程、海洋工程、土木工程、公路工程、桥梁工程、电力工程、石油工程、加固工程等行业。

  近年来,玄武岩纤维开始出现竞相发展的势头,已有10多个国家开展研发和生产,2008年全球总产量约为4 000吨上下,今后的研发方向是提高生产效率、降低能耗和稳定提高产品性能,并扩大应用领域。

  聚苯硫醚主要用于特种功能过滤材料.如燃煤锅炉过滤袋用布、造纸机用布、电子工业专用纸、电绝缘体、电解隔膜、气液过滤材料、防雾材料、耐辐射材料、特种垫圈和包装材料的高性能组分等。据推测,2010年聚苯硫醚化合物的全球需求量约为7.5万吨,预计今后将以7%以上的年率快速增长。

  中国石油和石化工程研究会组织编写,合成纤维(第3版),中国石化出版社,2012.04

  上海科学技术情报研究所,上海市前沿技术发展研究中心编著,世界新兴产业发展报告,上海科学技术文献出版社,2015.05

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