高性能纤维的研究进展

高性能纤维的研究进展姓名：马瑞辉学号：201120151002高性能纤维（High Performance Fibers）主要是基于航空、航天和海洋等极端条件以及战争、野外和安全等方面的需要而开发的，具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀和耐辐射等特点之一。

进入20 世纪，随着化学纤维的不断出现和发展，新型纤维材料的性能不仅可满足服饰变化的需求。

在产业方面纤维最早主要被用于制作渔网、渔线、绳索等。

随高性能纤维材料在产业、航空航天及军事等方面用途的不断扩大，各种高性能纤维应运而生。

近年来世界主要高性能纤维的总发展趋势是继续以较高的速度发展，但不同的品种有些差异。

一、高性能纤维的种类及特性高性能纤维主要包括芳香族聚合物及杂环类纤维、高强高模聚烯烃纤维、碳纤维及其它。

芳香族聚合物及杂环类纤维包括芳香族聚酰胺纤维（PMIA纤维、PPTA纤维、PAr纤维）、聚苯并咪唑纤维、聚苯撑苯并双噁唑纤维、PIPD纤维、聚酰亚胺纤维、酚醛树脂纤维、聚醚醚酮纤维、聚苯硫醚纤维、聚醚酰亚胺纤维。

芳香族聚酰胺纤维的代表有PMIA纤维、PPTA纤维、PAr纤维。

Nomex是DuPont公司于1960年研制出的一种间位型芳香族聚酰胺纤维，学术名为聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA ) 纤维。

PM IA 纤维具有良好的防火、耐热、耐化学试剂性能，可用于航天飞行员的宇航服、赛车运动服、防火工作服、耐高温滤布、烘干机衬布、传送带基布以及复合材料等。

Kevlar 即聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA ) 纤维，是DuPont公司1981年开始批量生产的另一种对位型芳香族聚酰胺纤维。

PPTA纤维大分子的刚性很强，分子链几乎处于完全伸直状态，这种结构不仅使纤维具有很高的强度和模量。

而且还使纤维表现出良好的热稳定性以及耐疲劳性、耐摩擦性、电绝缘性等，但其耐强酸、强碱性较差对紫外线较敏感。

聚苯并咪唑纤维即聚2,2’-间苯撑-5,5’ -二苯并咪唑(简称PB I) 纤维。

PBI 纤维具有很多突出的特性，如抗燃性、热稳定性、吸湿性、耐强酸强碱性以及良好的纺织加工性和穿着舒适性等。

在耐高温过滤材料、抗燃保护服、宇航服、飞行器内饰和防火填充物及其它耐高温、耐化学腐蚀方面有着重要用途。

聚苯撑苯并双噁唑纤维（PBO）是一种芳杂环液晶聚合物。

PBO纤维的抗张强度和抗张模量分别可达5.8GPa 和280GPa，使用温度和热分解温度分别为350℃和650℃，具有比对位型芳香族聚酰胺纤维更高的比强度、比模量和耐高温性能，被视为先进结构复合材料的新一代超级增强纤维。

聚2,5 -二羟基-1,4 -苯撑吡啶并二咪唑（PIPD 或简称“M5”) 纤维是由2 ,3,5,6 -四氨基吡啶和2,5 -二羟基对苯二甲酸缩聚后经液晶纺丝及热处理后制成的一种高性纤维。

PIPD纤维大分子链的几何形状与PB O相似，但其径向有较强氢键作用，使得纤维具有较高的剪切和横向模量以及优于PB O 纤维的抗轴向压缩性能。

聚酰亚胺是指主链上含酰亚胺环的一类聚合物，其中以含酞酰亚胺结构的聚合物更为重要。

聚酰亚胺的纺丝成形多采用湿纺或干纺工艺，溶剂如二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP) 等。

用三或二羧酸代替四羧酸二酐与二异氰酸酯反应，则所得产物为聚酰胺-酰亚胺。

聚醚醚酮(PEEK)是一种重要的热塑性芳香族聚合物，由4,4’-二氟苯酮、对苯二酚和碳酸钠在二苯砜溶剂中聚合而得。

虽然PEEK是热塑性聚合物但它的熔点(334℃) 和玻璃化转变温度(143℃) 都较高，因此PEEK纤维具有很多独特性能主要表现在耐热、抗氧化。

耐化学腐蚀、耐水解、耐磨、抗蠕变和抗冲击等方面。

聚苯硫醚(PPS) 纤维是由对二级苯和硫化钠经缩聚而成。

PPS大分子是通过苯环与硫原子连接而成的，所以它同时具有PEEK和聚苯醚（PPO)的特点，是一种用途较广的热塑性树脂。

PPS纤维耐化学试剂性优异，特别是耐非氧化性酸和热碱液的能力突出。

PPS纤维具有良好的纺织加工性能。

高强高模聚烯烃纤维主要是指超高相对分子质量聚乙烯纤维、高强度聚乙烯醇纤维、聚四氟乙烯纤维。

聚乙烯是一种柔性链聚合物，要得到高强高模纤维，必须大幅度提高分子量，以减少纤维结构中的分子末端缺陷，同时进行超倍拉伸，使大分子折叠链伸直。

真正在工业上实现这一目标，就是用超高分子量的聚乙烯进行凝胶纺丝。

该技术最早由荷兰的DSM公司开发成功，随即得到了普遍的重视，并得到较大规模的工业化生产。

聚四氟乙烯（PTEF）俗称塑料王，最早由ICI公司生产，用于制作塑料。

聚四氟乙烯为非极性分子，键能高，对称性高，结构规整；具有优良的耐化学腐蚀性、耐强酸、强碱、氧化剂、有机溶剂等；耐气候性好，具有几乎恒定的介电常数和介电损耗；摩擦系数低；不燃，极限氧指数高达95；耐高、低温性能优良，长期使用温度为120~250℃，瞬时可耐1000℃以上的高温。

DuPont公司采用乳液纺丝技术研制出商品名为Teflon的PTEF纤维，其密度2.1~2.3g/cm3，强度0.01~0.25N/tex，断裂伸长13%，摩擦系数0.01~0.05。

除熔融金属钠和液氟外，其能耐其它所有的化学试剂，在王水中煮沸也不发生变化。

它的热稳定性和耐磨性优异，可用于防护织物、人造血管和气管、不粘绷带或胶布。

碳纤维（carbon fiber），是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。

它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。

与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。

有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。

碳纤维一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为230~430Gpa亦高于钢。

因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。

材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。

二、一些高性能纤维的新研究高性能纤维因其表面光滑、表面活性低且呈极强的化学惰性，故其与树脂基体间的界面粘接性能很差，从而严重影响其在高性能复合材料中的应用。

因此，对纤维进行表面改性、增强纤维与不同种类树脂基体的层间剪切强度（ILSS），已成为有机纤维增强树脂基复合材料的关键技术。

高性能纤维表面的改性方法可分为化学改性和物理改性。

化学改性是通过硝化还原、氯磺化等化学反应，采用刻蚀、接枝、偶联和聚合物涂层等技术在纤维表面引入活性或极性基团，通过化学键合或极性作用来提高纤维与基体之间的粘接强度。

物理改性是通过等离子体、超声波等物理技术对纤维表面进行处理，使其表面引入羟基、羰基等极性或活性基团，在纤维表面形成活性中心，进而引发接枝反应或接枝聚合，通过刻蚀、清洗、活化和接枝等综合作用，改善纤维表面的物理和化学状态，进而改善纤维与基体之间的界面性能。

高性能PV A纤维的研究进展。

目前，开发高强高模PV A纤维主要从三方面进行：（1）制备UHMW-PV A；（2）制备高立构规整度的PV A；（3）利用新型纺丝技术制备高性能的PV A纤维。

目前，制备PV A的方法主要是采用自由基聚合。

自由基聚合中影响聚合度的因素主要有引发剂种类及用量、聚合温度、实施方法等。

Yamaura K 等采用三氟醋酸乙烯聚合制的了高聚合度、高间规度的PV A，以乙二醇为溶剂凝胶纺丝制得了模量高达120GPa的高强度PV A纤维。

Lyoo采用VPi单体均聚以及VPi与V Ac共聚分别制得了高聚合度、高间规度的PV A。

吴清基等研究的结果表明用常规聚合度PV A经硼碱法湿纺或干纺得到的初生丝，经过多道湿热拉伸和多道干热拉伸，可以提高拉伸倍数，从而提高强度和模量。

杨屏玉等发现在不同拉伸温度区间内纤维的拉伸活化能不同，呈现出两个活化能区，推测PV A冻胶纤维拉伸时存在着两个不同机制的活化过程，因此冻胶丝的拉伸应分成两步或多步：进行，在不同的拉伸温度下进行多步拉伸，才能获得高强度、高模量的PV A纤维。

左野认为，除溶剂外再加人第三组分可以阻碍纺丝初生丝的结晶，并抑制分子间氢键的形成，有利于拉伸倍数的增加和拉伸速度的提高。

提高拉伸倍数的方法可以归纳为：（1）溶剂存在的多道湿热拉伸和萃取干燥后的多道干热拉伸；（2）加人影响PV A分子间氢键的第三组分。

第三组分的加入，可以弱化PV A分子间的氢键作用，使拉伸更容易进行，易于获得高的拉伸倍数。

俞波等研究了凝固浴条件对PV A纤维结构性能的影响，认为较低的凝固浴温度（小于7℃）和经筛选的凝固浴介质有利于形成结构性能更佳的初生凝胶丝及其拉伸纤维，用乙醇代替甲醇作凝固浴介质可仿性能良好。

三、高性能纤维的发展前景世界主要高性能纤维在今后年内将保持良好的发展势头，高性能纤维是支撑高技术产业的重要新材料，是现代国防必不可缺的战略材料，也是推动许多行业更新换代和产业升级的需要。

纵观国际纤维市场上的高性能纤维，发达国家仍牢牢掌握其核心技术，处于垄断地位，现已形成日、美、欧三大科研、生产和市场基地。

以美国为例，高性能纤维占化纤总量的，而产值却高达化纤总产值的。

众所周知，我国高性能纤维起步较晚，与世界先进水平相比，无论在产品质量、品种、生产规模等方面都有相当的差距。

审视我国合成工业的发展，面临的机遇和挑战主要是必须重视化纤原料工业的发展，加大科研投人。

高技术纤维市场已经形成，需求扩大，因此，展望未来，我国高性能纤维行业还有较大的发展空间，必须要抓住机遇，迎头赶上。

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