高性能纖維的性能與應(yīng)用

（揭陽市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所， 廣東 揭陽 515300）

高性能纖維的性能與應(yīng)用

羅永文，陳向標(biāo)

（揭陽市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所， 廣東 揭陽 515300）

科技的發(fā)展對材料性能的要求不斷提高，且高性能纖維材料也在人民生活和軍事等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。論述超高分子量聚乙烯纖維、芳香族聚酰胺纖維、PBO纖維、PAN基碳纖維等幾種高性能纖維的性能與應(yīng)用。

高性能纖維；性能；應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對對纖維材料的性能提出了更高的要求，比如更高的強(qiáng)度和模量、耐高溫、耐化學(xué)藥品以及更輕的比重，等等，這些高性能纖維是傳統(tǒng)纖維如棉、毛、絲、麻等天然纖維或者滌綸、錦綸、丙綸、腈綸等合成纖維所無法比擬的。它是近年來纖維高分子材料領(lǐng)域發(fā)展迅速的一類特種纖維，其應(yīng)用十分廣泛［1］。

1 超高分子量聚乙烯纖維

超高分子量聚乙烯纖維（Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）是20世紀(jì)70年代由英國利茲大學(xué)的Capaccio和Ward首先研制成功的。后來荷蘭DSM（帝斯曼）公司發(fā)明了凝膠紡絲高倍拉伸法并申請了專利，使UHMWPE有了今日的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。UHMWPE纖維具有高結(jié)晶度、高取向度的特點(diǎn)，能在低溫下保持良好的機(jī)械性能和柔韌性，但也存在耐高溫性差、應(yīng)力蠕變大等缺陷。

1.1 UHMWPE纖維的性能

（1）耐疲勞

纖維的耐疲勞性在繩索的應(yīng)用上是一個重要指標(biāo)。與一般繩索材料錦綸和滌綸相比UHMWPE纖維具有高強(qiáng)度、高張力、耐彎曲疲勞的特點(diǎn)；而與碳纖維和玻璃纖維的高模量和脆性斷裂性結(jié)合的特點(diǎn)相比，UHMWPE纖維在具有高模量的同時還具有良好的柔韌性和耐撓曲疲勞。一項有關(guān)于繩索性能的研究表明，UHMWPE纖維有很高的耐磨損性，并遠(yuǎn)比芳香族聚酰胺和碳纖維的高。

（2）耐沖擊性

UHMWPE纖維復(fù)合材料抗沖擊韌性很好，抗沖擊能力比玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維及高，比沖擊總吸收能量分別是三者的1.8、2.6 和3倍。因此是制作防彈衣、頭盔等防護(hù)設(shè)備的理想材料。

（3）耐化學(xué)性

由于UHMWPE纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)單一，且具有高度取向和結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，因此它能耐極大多數(shù)的化學(xué)物質(zhì)。與芳香族酰胺纖維比較，其耐酸性和耐堿性也很好，只有極少數(shù)有機(jī)溶膠能使纖維產(chǎn)生輕度溶脹。

（4）耐光照、耐輻射和耐氣候性

UHMWPE纖維耐日曬性是纖維中最好的，經(jīng)過1 500 h 的光照，強(qiáng)度保持率仍為60 %以上，而其他纖維均在50 %以下。此外，它還耐高能輻射如電子射線和γ輻射，當(dāng)輻射的劑量高達(dá)3 MJ/kg纖維還能保持可使用的強(qiáng)度。

1.2 UHMWPE纖維的應(yīng)用

（1）繩纜索類、網(wǎng)類產(chǎn)品

由于UHMWPE纖維斷裂裂強(qiáng)度大大高于其他高強(qiáng)度纖維，且具有耐磨、耐輻射和耐光等特性，而且其密度小于水，所以是制造各種繩索、纜繩的絕佳材料尤其是海洋工程用繩，如游輪、貨船的固定錨繩和其他繩纜。此外還應(yīng)用與航空航天領(lǐng)域，如航天飛機(jī)著陸的減速降落傘、飛機(jī)上的懸吊重物繩纜等。在網(wǎng)類中可織成高強(qiáng)網(wǎng)，用于建筑安全網(wǎng)、拖漁網(wǎng)、圍網(wǎng)、貨物吊網(wǎng)等。在網(wǎng)線強(qiáng)度相同的條件下，用UHMWPE纖維加工成的漁網(wǎng)重量比普通聚乙烯纖維漁網(wǎng)輕50%以上，可降低漁船的能耗和拖網(wǎng)時候的水阻[1]。

（2）防護(hù)裝備

UHMWPE纖維防彈領(lǐng)域應(yīng)用于防彈衣、防彈頭盔和防彈裝甲，其制備的防彈衣具有柔軟性、能抵御連發(fā)槍彈，而且對化學(xué)介質(zhì)不起反應(yīng)；防彈頭盔則具有質(zhì)量輕、壽命長；而防彈裝甲則具有更好的機(jī)動性和速度。之所以具有這些特點(diǎn)與UHMWPE纖維的上述密度小、柔韌性、耐光等特性相關(guān)的。此外，這種材料還被廣泛應(yīng)用于賽車手、登山員頭盔以及各種防沖擊板材。

（3）體育用品及其他復(fù)合材料

UHMWPE纖維可應(yīng)用與制作各種球拍、滑雪板、單車骨架等增強(qiáng)材料，還可用于制作球拍弦和釣魚線，其制作的運(yùn)動器材既輕便又耐用。

UHMWPE纖維及其復(fù)合材料在很多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)金屬材料。被廣泛應(yīng)用與高壓容器、航空航天結(jié)構(gòu)材料、建筑材料、生物材料等領(lǐng)域。比如UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可用于牙托材料、醫(yī)用縫合線等方面。臨床證明其生物相容性和耐久性都比較好。

2 芳香族聚酰胺纖維

2.1 對位芳香族聚酰胺（PPTA）纖維的性能與應(yīng)用

在整個芳綸生產(chǎn)領(lǐng)域，對位芳香族聚酰胺纖維（國內(nèi)稱為對位芳綸或芳綸1414）發(fā)展最快，目前主要日本和美國生產(chǎn)。主要產(chǎn)品有杜邦公司的Kevlar和荷蘭Akzo-noble公司的Twaron。

（1）PPTA纖維的性能

力學(xué)性能方面：PPTA纖維具有高強(qiáng)高模、耐沖擊性好的特點(diǎn)，PPTA纖維的拉伸強(qiáng)度為3.0～5.5 GPa，是玻璃纖維的1.5倍，與碳纖維相當(dāng)或略高，且具有密度小的優(yōu)點(diǎn)，如直徑相同的PPTA纖維強(qiáng)度是鋼絲的6～7倍而密度卻只有后者的1/5；PPTA纖維模量高達(dá)80～160 GPa，比玻璃纖維高一倍，約為碳纖維的0.8倍。

耐熱性方面：PPTA纖維的極限氧指數(shù)(LOI)大于28，具有良好的熱穩(wěn)定性和阻燃性能。PPTA纖維在高溫下不熔融，在高溫下會碳化、分解，但不會變形。且纖維的熱膨脹系數(shù)很小。

化學(xué)性能方面：PPTA纖維化學(xué)穩(wěn)定性好，除無機(jī)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿外，能耐多種酸、堿及有機(jī)溶劑的侵蝕；但其耐水性較差，分子結(jié)構(gòu)中的極性基團(tuán)酰胺基的存在，使得吸濕后水分子易侵入纖維造成氫鍵的破壞，使纖維強(qiáng)度降低；另外，PPTA纖維耐紫外線性能較差，若長期暴露在陽光下會導(dǎo)致強(qiáng)度大大降低[2]。

（2）PPTA纖維的應(yīng)用

防彈材料：由于PPTA纖維的斷裂伸長低，通過防彈織物的變形可以消耗子彈的大部分動能，美、英等發(fā)達(dá)國家的普遍以PPTA作為防彈衣材料，其輕量化有效提高了軍隊的快速反應(yīng)能力。

航空航天：芳綸增強(qiáng)復(fù)合材料以其質(zhì)輕而強(qiáng)度高的特性，被廣泛用于飛機(jī)、火箭的結(jié)構(gòu)材料，可以增加有效負(fù)荷，減輕自身重量，節(jié)省大量燃料。如波音飛機(jī)的殼體、座椅等部件都使用了PPTA纖維從而節(jié)省了大量的動力燃料；宇宙飛船的發(fā)射過程中每減輕1公斤的重量也能降低100萬美元的成本。

建筑結(jié)構(gòu)加固材料：PPTA纖維復(fù)合增強(qiáng)材料除了具有質(zhì)輕、高強(qiáng)高模、耐久性能好等特點(diǎn)外，還具有抗堿腐、抗沖擊、抗疲勞性能好和不導(dǎo)電的優(yōu)點(diǎn)。在高層建筑中，可用PPTA纖維作水泥增強(qiáng)骨架，將其編織成鋼筋狀作加強(qiáng)筋，使建筑本身的重量大大減輕，且抗剪切力強(qiáng)。此外，PPTA纖維也可用作建筑物的加固修復(fù)，以及絕緣性要求高的場所如地鐵隧道及電氣化鐵路等工程得到廣泛應(yīng)用。

橡膠增強(qiáng)材料： PPTA纖維極適用于做高級簾子線，特別適宜于作汽車的子午線輪胎、飛機(jī)輪胎和大型汽車的外胎。用對位芳綸PPTA纖維簾線生產(chǎn)超輕超薄和低滾動阻力子午胎，使輪胎壽命長、舒適性和轉(zhuǎn)向性好、節(jié)油效果明顯[2]。

2.2 間位芳香族酰胺（PMIA）纖維的性能與應(yīng)用

PMIA纖維，學(xué)名聚間苯二甲酞間苯二胺纖維，國內(nèi)叫芳綸1313。主要產(chǎn)品有美國杜邦公司開發(fā)的Nome、日本帝人公司的 Conex 纖維。具有良好的熱穩(wěn)定性、阻燃性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械性能和抗輻射性能等。

（1）PMIA纖維的性能

熱穩(wěn)定性：PMIA纖維最主要的特點(diǎn)是能耐高溫?？稍?20 ℃高下長期使用，在250 ℃只有1%的熱收縮，于300 ℃高溫下短期內(nèi)也軟化或者融熔，400 ℃以上就會碳化，成為一層隔熱層，能阻擋外部熱量傳人內(nèi)部，起到有效保護(hù)左右[3]。

良好的阻燃性：芳綸1313纖維被稱為“防火纖維”，它的極限氧指數(shù)(LOI)大于28，在空氣中不會燃燒，具有自熄性。

抗輻射性能：PMIA纖維耐α、β、χ射線以及紫外光線輻射的性能十分優(yōu)異。將PMIA和滌綸同時用50 kV的χ射線輻射100 h，滌綸在強(qiáng)輻射下早成了粉末，而PMIA纖維仍能保持強(qiáng)度仍保持73%的強(qiáng)度。

（2）PMIA纖維的應(yīng)用

高溫過濾材料：PMIA纖維具有優(yōu)良熱穩(wěn)定性以及耐化學(xué)性，是高溫濾材領(lǐng)域的主要材料。芳綸濾材廣泛用于化工廠、火電廠、冶煉廠以及焚化爐、油鍋爐的高溫?zé)煹篮蜔峥諝膺^濾，可以有效除塵，回收貴重金屬并能抵抗煙霧的侵蝕[4]。

特種防護(hù)服：PMIA纖維織物遇火時不燃燒、不熔融、不發(fā)煙，在高溫時會碳化成一絕熱層，對穿著起到保護(hù)作用。用芳綸1313可制作消防服、電焊工作服、化學(xué)防護(hù)服、防輻射工作服等各種特殊防護(hù)服裝；還用于制作保護(hù)老人、兒童的難燃睡衣[5]。

蜂巢結(jié)構(gòu)材料：用PMIA纖維結(jié)構(gòu)材料紙可制作仿生蜂巢結(jié)構(gòu)板材，具有突出的強(qiáng)度重量比，其質(zhì)量輕、耐沖擊、抗燃絕緣、耐老化以及良好的透電磁波性等特點(diǎn)，適于制作飛機(jī)、衛(wèi)星上的受力結(jié)構(gòu)部件和透波材料和（如機(jī)翼、艙門、整流罩等）。

3 PBO纖維

聚對苯撐苯并二惡唑 (poly(p- phenylene benzobisoxazole)，簡稱PBO) 是一種高性能的芳雜環(huán)聚合物 ，由美國在20世紀(jì)70年代開發(fā)出來，后美國陶氏化學(xué)公司通過液晶紡絲將其制備成纖維，被認(rèn)為是當(dāng)今世界的高性能纖維之冠[6]。

3.1 PBO纖維的性能

（1）耐熱和阻燃性

PBO纖維加熱不熔融，在空氣中分解溫度高達(dá)650 ℃，可在300 ℃下長期使用，是迄今為止耐熱性最高的有機(jī)纖維。PBO 纖維的極限氧指數(shù)( LOI )為68，遠(yuǎn)高于對位芳綸的29，在有機(jī)纖維中僅次于聚四氟乙烯纖維( LOI為95)[7]。

（2）耐沖擊性和耐磨性

PBO 纖維復(fù)合材料的最大沖擊載荷和能量吸收均高于芳綸和碳纖維。在同樣的條件下，PBO纖維復(fù)合材料的最大沖擊載荷可達(dá) 3.5 kN , 能量吸收為20 J；而高模芳綸復(fù)合材料和碳纖維T300的最大沖擊載荷分別為1.3 kN和1 kN，能量吸收也在5 J左右。

PBO比對位芳綸有更佳的耐磨性。在0.88 cN/dtex初始張力下，PBO-AS磨斷循環(huán)周期為5 000遠(yuǎn)高于對位芳綸的1 000次。

（3）化學(xué)穩(wěn)定性

PBO纖維具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在幾乎乎所有的有機(jī)溶劑及堿中都是穩(wěn)定的，但能溶解于100%的濃硫酸、甲基磺酸、氯磺酸、多聚磷酸[8]。

3.2 PBO纖維的應(yīng)用

（1）耐熱難燃材料。

比如在耐熱襯墊方面，目前使用的PPTA纖維與氧化纖維混合的針刺氈，但耐熱性不夠理想，使用壽命較短，如果用PBO纖維做襯墊可以提高使用壽命；PBO纖維良好的耐熱阻燃性，使它成為制備消防服裝的理想材料，比如美國薩展米爾茲公司利用日本東洋紡的Zylon纖維與Technora共聚芳酰胺纖維制成的混紡布作為消防服的高檔面料，這種消防服在接觸火焰后還能保持應(yīng)有的強(qiáng)度。

（2）增強(qiáng)材料

例如為了避免飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)破損葉片擊穿其他發(fā)動機(jī)及機(jī)體而造成事故，現(xiàn)在有研究用PBO纖維補(bǔ)強(qiáng)布來加固發(fā)動機(jī)容器及容艙板；再如，日本為了避免新干線隧道的鋼筋混凝土發(fā)生崩塌，正研究用PBO纖維制的片材進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。

（3）防護(hù)服及體育用品

在制備防彈衣方面，用日本東洋紡的Zylon纖維制成的防彈衣，僅3.3 mm厚度就可以滿足日本國標(biāo)NIJ II A的要求；在防護(hù)服方面，PBO纖維可用作防切傷的保護(hù)服、安全手套和安全鞋、賽車服、飛行員服，以及以及其它體育用品如羽毛球、網(wǎng)球拍、高爾夫棒及釣魚桿、滑雪板、運(yùn)動服等[9]。

4 PAN基碳纖維

碳纖維是以聚丙烯腈(PAN)纖維、瀝青、粘膠纖維等為原料，經(jīng)預(yù)氧化、碳化和石墨化而制成的含碳量達(dá)90%以上的纖維。根據(jù)原絲的類型可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維等。其中的聚丙烯腈( PAN ) 基碳纖維用途最廣、用量最大、發(fā)展最為迅速。是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資。

4.1 PAN基碳纖維的性能

（1）高強(qiáng)、高模、低密度。PAN基碳纖維的力學(xué)性能，尤其是抗拉強(qiáng)度、抗拉模量等為三種碳纖維之首。

（2）耐高溫，在3 000 ℃的非氧化性氣氛中不融不軟化；熱膨脹系數(shù)小，約等于零；熱導(dǎo)率高，約為10～140 W/(m·K)。

（3）耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及強(qiáng)有機(jī)溶劑的侵蝕。

（4）摩擦系數(shù)小，具有潤滑性，不沾潤在熔融金屬中，可使其復(fù)合材料磨損率降低。

（5）導(dǎo)電性好。

4.2 PAN基碳纖維的應(yīng)用

（1）航空航天

包括在客機(jī)、軍用機(jī)、運(yùn)載火箭、宇宙飛船等方面的應(yīng)用。如波音787中結(jié)構(gòu)材料有近一半使用了碳纖維復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料，這不僅可以減輕機(jī)身質(zhì)量，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，又不損失機(jī)身的強(qiáng)度或剛度。

（2）建筑領(lǐng)域

建筑領(lǐng)域的橋梁、房屋、隧道地鐵等相關(guān)的混凝土工程是碳纖維在民用工業(yè)中增長最快、最有前途的領(lǐng)域之一，主要使用在壓板等加固材料、代替鋼筋的筋條材料、橋梁承重材料以及直接加入混凝土以加強(qiáng)強(qiáng)度并減少鋼筋使用量的碳短纖維等各個方面。

（3）汽車構(gòu)件

在汽車上使用碳纖維代替鋼材，可使車重減輕40%以上，車速提到120 km/h以上，并使二氧化碳排放減少30 %。雖然目前主要是用在豪華車型, 但預(yù)計未來隨著大絲束碳纖維價格的下降，將使碳纖維在大眾車型中推廣。這不僅提高了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，提高車的性能，也是符合世界環(huán)保發(fā)展的趨勢[5]。

［1］裘愉發(fā),等. 主要高性能纖維的特性和應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)， 2010（1）:17-24.

［2］ 江 明，陸趙情，張美云,等. 對位芳綸纖維結(jié)構(gòu)性能及其應(yīng)用[J]. 黑龍江造紙,2013(3):3-12.

［3］郊志清，錢成或，吳小紅. 芳綸1313的結(jié)構(gòu)與性能[J].合成纖維工業(yè)，1993，16（6）:18-21.

［4］ 任鵬剛，梁國正，楊潔穎,等. PBO纖維研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2003，17(6):50-52.

［5］沈新元.先進(jìn)高分子材料[M].北京:中國紡織出版社,2006.

［6］珊巒.高性能纖維的特性和發(fā)展[J].上海絲綢，2009（4）:6-10.

［7］杜艷欣.PBO纖維的國內(nèi)外研究狀況及應(yīng)用前景[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2007（3）:53-57.

［8］王靜.21世紀(jì)超級PBO纖維的性能及其應(yīng)用探討[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2010（3）:57-60.

［9］唐蓉聚.對苯撐苯并雙噁唑材料的光電性能研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué).

Performance and Application of High-performance Fibers

LUO Yong-wen，CHEN Xiang-biao
（Guangdong Jieyang Institute of Supervision and Test of Quality and Measure, Guangdong Jieyang 515300，China）

The improvement of material performance is needed with the development of science, and the high performance fiber material has been widely applied in people's life, military and other fields. In this paper, performance and application of ultra-high molecular weight polyethylene fiber were discussed, such as aramid fiber, PBO fiber, PAN based carbon fiber and so on.

High performance-fiber; Performance; Application

TQ 321

： A

： 1671-0460（2014）04-0528-04

2014-03-16

羅永文（1975-），男，廣東興寧人，工程師，畢業(yè)于五邑大學(xué)紡織工程，從事纖維成分檢測。E-mail：494780281@qq.com。

陳向標(biāo)（1985-），男，工程師，碩士，研究方向：紡織工程。E-mail：cxb17@126.com。