高強(qiáng)高模有機(jī)纖維的概述與展望

汪 亮，董 晶，趙春會(huì)，張 彤，楊 靜

（1.成都海蓉特種紡織品有限公司，四川成都 610000；2.四川省紡織科學(xué)研究院，四川成都 610000）

有機(jī)纖維是指纖維基材或材質(zhì)為有機(jī)物的纖維，用于軍事的有機(jī)纖維主要包括滌綸、腈綸、錦綸、丙綸，高性能有機(jī)纖維芳綸、UHMWPE纖維、PBI纖維、PI纖維、PBO纖維及M5纖維等[1]。用于航空航天、軍事用途的高性能纖維必須具備質(zhì)量輕、高強(qiáng)高模、耐高溫、耐摩擦等特殊物理指標(biāo)[2-5]；研究發(fā)現(xiàn)，如果戰(zhàn)略導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕1 kg，射程可增加16 km[6-8]；航空航天、軍事等特殊用途也決定了紡織材料必須具有極高的物理指標(biāo)及耐高溫等性能[3,9]。高性能纖維的發(fā)展與創(chuàng)新有助于推進(jìn)我國(guó)國(guó)防軍事的進(jìn)一步穩(wěn)固發(fā)展。本研究從高性能軍用有機(jī)纖維的名稱、主要產(chǎn)品以及國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)現(xiàn)狀著手，概述了幾種軍用高性能有機(jī)纖維的研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)主要軍用高強(qiáng)高模有機(jī)纖維的物理力學(xué)性能、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了比對(duì)分析，為軍用高性能有機(jī)纖維的研究和選擇提供依據(jù)。

1 高性能有機(jī)纖維概述

1.1 芳綸纖維

芳綸纖維與碳纖維、UHMWPE 纖維并稱為世界三大高性能纖維[10-11]。芳綸纖維具有耐高溫、質(zhì)量輕、高強(qiáng)高模、使用壽命長(zhǎng)等特性，綜合性能指標(biāo)及穩(wěn)定性均與軍需裝備極為配套，尤以芳綸1414（PPTA）需求最多[3,12-14]。芳綸纖維主要用于防彈衣、防彈頭盔、坦克裝甲等特種防護(hù)裝備以及其他軍需結(jié)構(gòu)材料等[15]。目前，國(guó)內(nèi)的芳綸1313（PMIA）供給充足，而芳綸1414的供給存在不足，尤其高品質(zhì)的芳綸1414仍需進(jìn)口。由航天科工六院46所研發(fā)的F-12高強(qiáng)度芳綸纖維屬于含雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維，多項(xiàng)性能明顯優(yōu)于國(guó)產(chǎn)芳Ⅲ纖維，屬于非常重要的戰(zhàn)略物資[16-17]；2011年在內(nèi)蒙古正式投入生產(chǎn)，年產(chǎn)50 t。

1.2 UHMWPE纖維

UHMWPE 纖維密度低（可浮于水面）、耐磨耐彎曲性能好、張力疲勞性和耐剪切性能在三大高性能纖維中最強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于防彈切割手套、繩纜制品、飛機(jī)翼尖材料等防護(hù)裝備、航空航天及軍事領(lǐng)域[18-20]。其中，成都海蓉特種紡織品有限公司生產(chǎn)的聚乙烯絲繩性能極為優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于各個(gè)特種行業(yè)。經(jīng)過不斷研究改進(jìn)，UHMWPE纖維的綜合性能越來越好，但仍存在界面結(jié)合力差、蠕變性高等問題。研究人員正在通過等離子體處理、輻射等手段進(jìn)行表面改性，以期能夠解決或改善這些問題[19,21-22]。UHMWPE 纖維存在全球性的供給不足現(xiàn)象，具有巨大的應(yīng)用空間和市場(chǎng)。目前，國(guó)內(nèi)UHMWPE 纖維的生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，同樣存在產(chǎn)能不足、價(jià)格昂貴、供給困難的問題。

1.3 PBI纖維

PBI纖維全稱為聚-2,2'-間苯撐-5,5'-雙苯并咪唑纖維，中文全稱聚對(duì)苯并咪唑纖維，簡(jiǎn)稱托基綸[23]。PBI 纖維的大分子主鏈上含有苯并咪唑撐，這使得PBI 纖維具備阻燃、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等諸多優(yōu)異特性[24]。PBI纖維燃燒時(shí)不發(fā)生熔融，無毒無煙，基本不產(chǎn)生收縮變形，離火后立即熄滅。同時(shí)，PBI纖維還具有耐酸堿、耐水解、吸濕率高（15%）、易紡織加工、穿著舒適等特性，可用于宇航防護(hù)服、飛機(jī)及潛艇的阻燃內(nèi)飾材料，以及其他特種防護(hù)服或?yàn)V材[25-27]。PBI纖維性能優(yōu)異，但價(jià)格過于昂貴，急需降低生產(chǎn)成本，進(jìn)行大批量的工業(yè)化生產(chǎn)。

1.4 PI纖維

PI纖維即聚酰亞胺纖維，是指主鏈上含有酰亞胺環(huán)結(jié)構(gòu)的一類聚合纖維。聚酰亞胺纖維具有較高的表面積，過濾效果好且粉塵大多集中于纖維的表面，所以，過濾過程中運(yùn)行阻力非常小[28-29]；而且，PI 纖維具有耐氧化、耐熱、低吸水性以及介電特性。聚酰亞胺纖維與杜邦Nomex?纖維同屬于高溫濾材，但其使用溫度范圍更廣、工作溫度更高（PI 纖維使用溫度250～350 ℃，Nomex?纖維使用溫度204～240 ℃）。與此同時(shí)，PI 纖維具有優(yōu)良的耐酸堿性能，可用于酸堿含量較大的高溫?zé)煔膺^濾，這些都是Nomex?纖維不能相比的[2,30-31]。目前，在高溫?zé)煔鉃V材及阻燃防護(hù)品領(lǐng)域，PI纖維成為最佳選擇[32-33]。

1.5 PBO纖維

PBO纖維全稱為聚對(duì)苯撐苯并二口惡唑纖維，被譽(yù)為21世紀(jì)的超級(jí)纖維。PBO纖維主要是由苯環(huán)及芳雜環(huán)高分子高度聚合形成的纖維聚合物，分子結(jié)構(gòu)呈剛棒狀，取向度呈現(xiàn)高度的一致性[34-36]；同時(shí)，PBO 纖維屬于溶致性液晶高分子，紡紗工藝屬于液晶紡絲，分子鏈間的緊密程度[35,37-38]，因此，PBO纖維具有較為優(yōu)異的力學(xué)性能。PBO纖維的密度遠(yuǎn)低于碳纖維，而力學(xué)性能卻遠(yuǎn)高于芳綸纖維，是新一代的質(zhì)輕高強(qiáng)纖維之一；直徑為1 mm的PBO 細(xì)絲就能夠吊起450 kg 的貨物，強(qiáng)度是鋼絲纖維的十倍以上[39-40]。同時(shí)，PBO纖維沒有熔點(diǎn)，具有較高的耐熱性能，耐熱溫度為600 ℃，可在 300 ℃下連續(xù)工作[41]。但由于 PBO 纖維分子間的作用力比較薄弱，纖維表面缺少極性基團(tuán)，因此，抗壓縮強(qiáng)度低，與樹脂之間的黏合力較差，限制了其應(yīng)用，但目前已通過等離子體處理[42]、紫外及輻射處理[43]、偶聯(lián)劑處理、共聚及表面化學(xué)改性等方法得到了有效解決[44]。2016年，深圳市新綸科技股份有限公司投資30億元建立新綸科技高性能纖維（PBO）項(xiàng)目，成為全球第二家PBO纖維生產(chǎn)企業(yè)，打破了日本東洋紡的壟斷。

1.6 M5纖維

聚苯撐吡啶并二咪唑纖維（PIPD）的商品名為M5。M5纖維同PBO纖維一樣，通過液晶紡絲技術(shù)紡制，屬于剛性棒狀高性能纖維，但M5纖維具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗壓模量，更適用于宇航材料、武器裝備、防彈器材等航空、軍事領(lǐng)域[45-48]。同時(shí)，M5 纖維表面具有一定的極性基因，便于與各種樹脂（環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯和乙烯基樹脂等）基材粘接制備高性能復(fù)合材料[48]。M5纖維與碳纖維相似，都具有相對(duì)較高的經(jīng)向模量、較低的緯向模量和較高的抗剪切性能[49-51]。M5 纖維的各項(xiàng)性能優(yōu)良，符合軍需配套材料的物化指標(biāo)要求，是非常重要的戰(zhàn)略物資[52-57]。但M5纖維在國(guó)內(nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、試制階段，未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)指標(biāo)。

1.7 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀

常見的幾種軍用高性能有機(jī)纖維的名稱、主要商品及廠家信息見表1。由表1可知，除了M5纖維國(guó)內(nèi)目前無生產(chǎn)企業(yè)外，其他高性能纖維國(guó)內(nèi)均已有生產(chǎn)企業(yè)。這意味著除了M5 纖維，其他高性能纖維均已打破國(guó)外的壟斷地位。其中，江蘇奧神新材料股份有限公司與東華大學(xué)共同研發(fā)的PI 纖維干法紡絲技術(shù)處于全球領(lǐng)先地位，已于2011年正式投資生產(chǎn)。與此同時(shí)，深圳市新綸科技股份有限公司成為繼東洋紡公司之后全球第二家PBO 纖維生產(chǎn)企業(yè)，也于2016年正式投資生產(chǎn)。

表1 軍用高性能有機(jī)纖維概述

2 物理力學(xué)性能對(duì)比

常見的幾種軍用高性能有機(jī)纖維的主要性能對(duì)比見表2。由表2可知，新種類的高性能纖維及高強(qiáng)型高性能纖維的出現(xiàn)，打破了以往的既定分類和認(rèn)知，即：斷裂伸長(zhǎng)率最低，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最高的不是PBO 纖維，而是M5 纖維。而斷裂伸長(zhǎng)率最高，拉伸強(qiáng)度和模量最低的則為PBI纖維。質(zhì)量最輕的當(dāng)屬UHMWPE 纖維，而高模M5 纖維的密度和質(zhì)量相對(duì)比較高。UHMWPE 纖維屬于基本不回潮纖維，芳綸纖維回潮率相比其他纖維明顯較高。相比而言，UHMWPE 纖維的極限氧指數(shù)和熱分解溫度最低、耐熱穩(wěn)定性最差。而PBO纖維的極限氧指數(shù)高達(dá)68%，展現(xiàn)出了極佳的阻燃性能。

表2 有機(jī)纖維的主要性能指標(biāo)對(duì)比情況

3 優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

常見的幾種軍用高性能有機(jī)纖維的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域見表3。表3所示的每一種纖維都有其優(yōu)缺點(diǎn)，而這些優(yōu)缺點(diǎn)只是針對(duì)這些纖維用于航空、軍事用途時(shí)而言，如果用于民用紡織品也許截然不同。就纖維在航空軍事應(yīng)用領(lǐng)域的廣度、用量以及應(yīng)用前景而言，M5 纖維最值得期待，其次是UHMWPE纖維、PBO 纖維，而芳綸纖維、PBI 纖維、PI 纖維緊隨其后。

表3 有機(jī)纖維的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

4 結(jié)束語

（1）最值得期待的高強(qiáng)高模高性能纖維就是M5。但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)M5纖維發(fā)展存在明顯的滯后，仍停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、試制階段。為盡快滿足國(guó)防、航空、軍事裝備的需求，相關(guān)部門及院校應(yīng)積極與相關(guān)企業(yè)做好對(duì)接，及時(shí)跟進(jìn)M5 纖維的研發(fā)、生產(chǎn)，助力我國(guó)國(guó)防軍事的發(fā)展。

（2）就生產(chǎn)現(xiàn)狀而言，我們必須積極嘗試、運(yùn)用國(guó)產(chǎn)新型PBO 纖維，讓PBO 纖維盡快發(fā)揮其不可替代的作用。取長(zhǎng)補(bǔ)短，按需選材，熟知每一種高性能纖維的特性，將芳綸纖維、UHMWPE 纖維、PI 纖維、PBI纖維的性能應(yīng)用到極致。

（3）國(guó)防軍事裝備的發(fā)展離不開高性能材料，當(dāng)然也包括高性能紡織材料。軍需協(xié)作單位應(yīng)把握國(guó)防軍事裝備的需要，掌握最新紡織材料的動(dòng)態(tài)，努力為國(guó)防軍事的發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)的紡織材料及紡織品。