特种纤维(新).doc

第一章 特种纤维概述 当前以信息、生命和材料科学为基础的新技术革命风起云涌，它将人类的物质文明 推向一个新的阶段。纤维高分子材料是材料科学的重要研究内容，它与现代科学技术的发展有着密切关系。高性能纤维（Highperformancefibers）是近年来纤维高分子材料领域迅速发展的一类特种纤维，通常是指具有高强度、高模量、耐高温、耐环境、耐摩擦、耐化学药品等所谓高物性纤维。高性能纤维品种很多，如芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维、碳纤维以及各种无机及金属纤维等。 一、由化学纤维到高性能纤维的发展概况 最初人类使用纤维的目的是制作衣物，而现在非服饰用纤维的使用量已超过纤维总产量的二分之一。据统计，1981年日本衣着、铺饰和产业三方面化学纤维的用量分别为 48 .8%、14 .1%和 37. 1%。与日本相似，美国衣着用化学纤维从 1976年至 1983年由43 .2%降到 35.8%，铺饰用和产业用分别由 34 .4%和 22 .4%上升到 39. 0%和 25. 2%。这些数据表明，化学纤维的品种和用途有从以衣着用为主，逐渐向衣着、铺饰和产业三者并重的方向发展。 在产业方面，化学纤维最初主要被用于制作渔网、渔线、绳索等。汽车工业的迅速发展，需要大量轮胎帘子线，从而刺激了化学纤维特别是合成纤维的发展。例如，提高纤维的耐热性（耐硫化温度）、改进纤维与橡胶之间的粘结性及粘结方式等都是纤维材者并重的方向发展。 在产业方面，化学纤维最初主要被用于制作渔网、渔线、绳索等。汽车工业的迅速 发展，需要大量轮胎帘子线，从而刺激了化学纤维特别是合成纤维的发展。例如，提高纤维的耐热性（耐硫化温度）、改进纤维与橡胶之间的粘结性及粘结方式等都是纤维材料科学领域中较早的研究课题。 随着 纤 维 在 产 业 方 面 用 途 的 不 断 扩 大，各 种 高 性 能 及 特 种 纤 维 亦 应 运 而 生。“Nomex”是杜邦公司研制和生产的一种耐高温、耐化学药品性优良的芳香族聚酰胺纤维，学名为聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）纤维，它具有良好的耐热、耐燃性能，可以制作宇航服、赛车服、消防服、耐热防腐滤布或衬布等。杜邦公司另一个著名的芳香族聚酰胺纤维品种即“Kevlar”，学名为聚对苯二甲酸对苯二胺（PPTA）纤维，它具有高强、高模和耐高温等特点，在高性能帘子线、防护材料、复合材料的增强纤维、高强绳索等方面用途十分广泛。美国塞拉尼斯（Celanese）公司生产的聚苯并咪唑（PBI）纤维，耐热、耐化学药品性能突出，可用于制作各种耐火或耐高温制品。荷兰 DSM公司采用冻胶纺丝 -超拉伸技术成功地利用超高分子量聚乙烯制成力学性能较之 Kevlar更为优异的纤维，同时也打破了高强高模纤维只能由刚性成纤高聚物制成的传统局面。碳纤维是一种高模量、高比强度和耐高温的高性能纤维，在航天航空、产业等各个领域有着十分广泛的应用，目前使用的高性能碳纤维主要是以聚丙烯腈纤维为原丝制成的碳纤维，近年发展起来的沥青基碳纤维，尽管其强度和模量尚达不到聚丙烯腈基碳纤维的水平，但其原料价格较低，所以在对力学性能要求不太高的方面还是大有用武之地的。 高性能纤维是一种技术密集、投资巨大的工业产品，其主要缺点就是价格昂贵。例 如，每公斤超高分子量聚乙烯纤维的市场售价约 50美元、聚苯并咪唑纤维约 70美元、芳香族聚酰胺纤维约 80美元、聚丙烯腈基碳纤维约 120美元，而无机硼纤维则高达 800美元左右。 最初，高性能纤维作为商品销售时，由于价格高，市场小，用途受到限制，与每年数以千百万吨计的纺织纤维相比，其销售量显然是微不足道的。然而，这类特种纤维的应用最初主要集中在航天航空和军事等高技术领域。在这些领域，更重视的首先是纤维或材料及其制品的性能，而纤维价格并非第一要素。因此，多年来高性能纤维作为化学纤维工业的一个重要分支得到不断的发展，其应用领域亦不断扩大。 纵观化学纤维工业百余年来的发展历史，从天然纤维到粘胶纤维，进而到合成纤维如聚酰胺、聚酯、聚丙烯腈等纤维，乃至近二十多年来出现的各种高性能纤维，都表明纤维材料与人类社会文明密切相关，现代科学技术的发展亦离不开纤维工业的进步。 二、高强高模纤维的结构特点 高强高模纤维是高性能纤维中发展最快的一类纤维，不论是工艺技术的革新、新材料或新品种的不断出现，还是性能或功能方面的进一步提高，都给人以日新月异的感觉。 通常，有机纤维高分子的主链所含元素种类较少，主要有 C、N、S、O及 H等。在化学键方面，C—C共价键占很大比例。 金刚石是典型的三维有序高性能材料，而石墨则具有二维有序结构特征。在金刚石结晶体中，每个碳原子与相邻四个距离相等的碳原子以共价键形式结合在一起，形成紧密牢固的四面体结晶结构。在石墨结构中，每一层内的碳原子以共价键形式相互