發布時間：2021-03-06所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:本文介紹了怎樣使工業用合成纖維適應于特殊用途的需求,以及這些纖維的潛力。討論了研究特制的新型聚合物是否是發展工業用纖維的一個途徑。 關鍵詞:工業用合成纖維,新型聚合物,碳纖維 人們常說化學纖維新時代開始于最近十年,這是指以新開發的單體和聚合
摘要:本文介紹了怎樣使工業用合成纖維適應于特殊用途的需求,以及這些纖維的潛力。討論了研究特制的新型聚合物是否是發展工業用纖維的一個途徑。
關鍵詞:工業用合成纖維,新型聚合物,碳纖維
人們常說化學纖維新時代開始于最近十年,這是指以新開發的單體和聚合物為基礎利用生物和信息技術知識把分子轉變成預定的性質和功能的材料。在21世紀60年代末,Staudinger就開始談論理想的和特制的纖維,然而只是在產品和織物加工工藝上進行改性,而不是對分子本身加以改變。下面介紹三類主要纖維當前發展的狀況和趨勢:
-傳統合成纖維
-新型合成纖維
-碳纖維
目前上述纖維決定了用于工業用紡織品和防護服的纖維品質。
下文將介紹怎樣使這些纖維適應于特殊用途的需要以及這些纖維的潛力,討論了研究特制的新型聚合物是否是發展工業用纖維的有意義的一個途徑。
1傳統合成纖維
由聚酰胺和聚酯制成的化學纖維在20世紀50年代才開始作為棉的替代物用于工業用紡織品,而粘膠纖維在輪胎上的應用要早20年。自從1960年以來,一大批不同品種的聚酰胺和聚酯工業絲得到開發,按各種用戶的需要制成窄幅和寬幅的工業用織物。
為此,很有必要在紡織用絲基礎上發展技術繁多的具有更高強度和更低伸長的纖維。工業絲與紡織用絲的強度與伸長性能比較見圖1,工業絲具有更高強度和更低伸長。對于聚酯工業絲來說,這可以節省60%的材料。圖1也說明了纖維強度與伸長在加工過程中的變化范圍,聚酯纖維的伸長為2倍,強度為1.5倍。如果利用聚酰胺與聚酯兩種聚合物間的差異,有可能使伸長達到更大的變化倍率。
工業用紗的支數高于280dtex,而紡織用紗低于280dtex。要使工業用織物達到相同的強力和伸長,若用高支數的工業用紗只需制成一層較薄的織物,而用普通的紡織纖維則需要用幾層織物。
熱塑性高聚物的另一個重要性能體現在其具有2%～20%的熱收縮變化范圍(圖1)。該優良的性能有利于制造滿足不同應用領域的多種產品。由于這類工業絲的收縮率低,使要求具有高尺寸穩定性的涂層織物的加工容易進行,因而在20世紀60年代迅速取代了浸漬類的棉織物。而利用工業絲另一方面的高收縮性能可以生產很致密的織物(薄型織物為獲得高強度必須具有密實的質地),用于制作汽車安全帶,這是60年代～70年代新的最重要的應用領域。在歐洲安全帶標準中,為滿足不同的伸長要求,首選用聚酰胺6纖維,其次是聚酯纖維(圖2)。安全帶是一個經典的例子,說明像聚酰胺和聚酯一類的傳統合成纖維是怎樣去滿足不同需要的產品要求的。
在60年代至80年代,大批不同工業用途的纖維得以發展。在90年代早期,例如Acordis纖維公司有30多種不同的聚酰胺和聚酯工業絲,具有不同的強度、伸長和收縮率,加上各類絲的支數不同,總計可達80多種。由于具有這么多品種,所以能覆蓋幾乎所有需要,人們看到了傳統纖維已經達到了產品的成熟期,不再需要任何更多的專用纖維。然而,90年代汽車安全氣囊的發展說明了情況正相反,圖3表明該產品不同的發展階段。產品開發使用了人們所熟知的、處理傳統合成纖維的方法,使其強度、收縮率和單絲的支數能很好地滿足產品特定的透氣率和材料低厚度的要求。早在20世紀60年代就已經能獲得不同支數的單絲,如用粗糙的長絲來提高安全帶的耐磨性。值得提出的是,聚酰胺纖維正在經歷一場偉大的復興,這是由于其具有氣囊織物所必須的高伸長性能。
2高模量合成纖維
盡管傳統纖維可有各種變化,但人們早就清楚傳統合成纖維的強度和拉伸模量不可能滿足所有市場的需求。20世紀60年代輪胎行業使用具有高剛性和高拉伸模量的鋼絲繩獲得巨大成功,對化學纖維公司提出了挑戰。化纖公司的目標是能制造出一種替代金屬鋼絲繩的新型化合物。人們想起了30年代末期開發的芳族聚酰胺纖維Kevlar(DuPont公司)和Twaron(Akzo公司),然而70年代輪胎行業全部使用鋼絲繩,使人們對芳族聚酰胺纖維沒什么興趣。
但是幸運的是,芳族聚酰胺纖維還具有替代石棉所必須具備的特性。石棉幾乎是理想的耐高溫纖維(表1),其綜合性能無法被其他化學纖維所替代。當然,化學纖維生產商已銷售了一些耐高溫和耐燃的特種纖維,還研制出從間位芳族聚酰胺到全芳族聚合物溶液以及剛性纖維。表1上部分是一些纖維與E型玻璃纖維性能比較。其中有一些纖維,特別是Teflon纖維由于有很好的耐化學腐蝕性,也可應用在過濾領域。然而,當時石棉在這些領域中的應用占據著首要地位,直到人們認識到石棉較高的原纖化作用對人體造成的危害后,最終導致了石棉的禁止使用,使所有上述纖維的發展有了新的可能。石棉的禁止使用,尤其對于具有耐高溫性和耐化學腐蝕性以及緩慢原纖化作用的芳族聚酰胺纖維的發展帶來了大的希望,因此芳族聚酰胺纖維滲透到了被石棉所統治的制動器和離合器襯片、填料、墊圈和高熱保溫材料領域。
后來,由于一些纖維在耐高溫和耐燃性方面能滿足各不相同的需要,其他一些耐高溫纖維也與芳族聚酰胺纖維一起進入市場(表1下部)。在這些應用中,主要使用短纖維,為纖維的多樣化提供了新的可能。例如,成功使用了芳族聚酰胺纖維和玻璃纖維的混合物、預氧化纖維。如PEI、PPS和PEEK全芳族聚合物纖維,除了可以作為纖維復合材料的基體外,還能在高溫下使用。
值得注意的是,由于芳族聚酰胺類纖維也有原纖化問題而沒有得到發展。在一段時期內,該纖維的優良性能根本沒有引起人們的關注,這表明高聚物有太多的特性(例如最近在宣傳的特性)總是不盡如人意。
另一個新的需求剛好及時地推動了芳族聚酰胺纖維的發展,那就是70年代逐漸增加的領土和軍事沖突要求更好的防彈織物。由于芳族聚酰胺纖維理想的伸長和彈性模量,以及比傳統聚酰胺纖維更好的防彈性能,為其發展提供了理論上的先決條件。表2以Twaron為例介紹了防彈纖維的發展進程。先有了Twaron標準產品,然后是TwaronCT,產品的伸長和彈性模量得到提高,最后是具有低單絲支數的TwaronCTMicro。這再次表明用來改變機械力學性能和降低單絲支數的傳統手段仍然有效,可用來調節性能以滿足不同用戶的需要。表2表明三類纖維用V-50測量方法測定的防彈性能的改善情況。
與上述的用途相反,芳族聚酰胺纖維除了在輪胎上的應用外,其在纖維復合材料上應用的可能性很早就已被人們關注。然而,當時低估了低的抗壓強力和高估了其高抗沖性能,因此芳族聚酰胺在復合材料方面沒有成為一個大的纖維品種,在復合材料上的用量僅占芳族聚酰胺纖維總量的5%。另一方面,總能聽到令人印象深刻的有關芳族聚酰胺纖維抗沖擊力的描述,特別是其在運動領域方面的應用(例如近來用作滑艇上的芳族聚酰胺外殼)。
芳族聚酰胺纖維的例子說明,決定一種新型纖維是否成功的因素是其聚合物內在的潛力以及在特定時間總的發展趨勢和法規發生變化的機會。
20世紀80年代芳族聚酰胺纖維的成功鼓勵了許多纖維生產商沿著別的途徑去尋求高模量纖維的發展,例如高模聚乙烯(Dyneema,Spectra)、芳族碳環聚酯(Vectran)和芳族雜環高聚物[如PBO(Zylon)和PIPD(M5)],這些路線也為了避免與芳族聚酰胺纖維專利發生沖突。表3列出了聚乙烯(PE)和聚苯醚(PBO)纖維與芳族聚酰胺纖維重要參數的數據對比。PE和PBO纖維的強度和彈性模量部分參數比芳族聚酰胺纖維高,這些纖維有可能進入芳族聚酰胺纖維的某些應用領域,替代纖維都是被用在復合材料中。但是,與芳族聚酰胺纖維相比,PE和PBO纖維的抗壓強力較低,并且由于PE的熔點低,其耐熱性也較差。
相關期刊推薦：《國際紡織導報》(月刊)創刊于1978年，由東華大學主辦。同步報導國際上紡織及化纖領域內的各類研究成果和工藝發展趨勢，介紹國際間重要的學術會議及專業領域內科研及生產方面的成果和信息報導。
PIPD類的雜環高聚物纖維在分子間有二維氫鍵的相互作用,抗壓強度比芳族聚酰胺纖維大很多,近幾年來研究已取得進展。以后的章節將更詳細地討論抗壓性能。盡管自20世紀80年代以來開發的新型聚合物纖維具有很多性能,但所有這些纖維仍與芳族聚酰胺纖維較高的綜合性能及其從那時以來所占據的市場進行著競爭。
3碳纖維
碳纖維在增強塑料或復合材料領域上的應用是值得注意的。碳纖維的發展與熱塑性合成纖維無關,而受制于E型玻璃纖維,與大多數聚合物纖維相比,玻璃纖維早在20世紀70年代就已經獲得了一定的市場份額。當時的能源危機和空閑時間的增加推動了碳纖維復合材料在飛機和運動領域的需求。現在對材料的性能要求比E型玻璃所具有的性能高得多,尤其是彈性模量。這給60年代就在進行研究的碳纖維帶來了很大的發展空間(表3是與E型玻璃纖維的性能比較)。在80年代和90年代初,歷時12年,碳纖維在機械物理性能上得到發展,這是化學纖維發展史上從未有過的(圖4)。碳纖維的強度和彈性模量相對于傳統纖維提高了1倍多,在研究項目中甚至更大。這可以通過開發具有更細的和更高純度的聚丙烯腈原絲以及優化碳纖維的生產工藝來實現。盡管碳纖維在近20年取得了很大的技術進步,但應該看到傳統的高強纖維仍然占有當今市場的90%以上的份額,在所有新的發展中,只有UTS類品種近年來獲得了重要增長,主要用在需要抗拉強度的工業安全產品中,例如天然氣罐、橋梁層壓板和飛輪。近年來,碳纖維生產商重視優化生產工藝,目的是降低產品價格,而不是進一步擴大其應用范圍,特別是為了擴大工業應用市場,已經在開發價效比更好的產品。
高性能復合材料仍是一個未成熟的市場,由于碳纖維的性能范圍寬廣,必將長期占有優勢。不但具有一維化學鍵的高模量聚合物纖維,而且另外還具有氫鍵的芳族聚酰胺纖維,甚至PIPD類具有二維氫鍵的高聚物纖維也不能達到大多數應用領域所要求的抗壓性能。碳纖維具有二維表面和分子間共價鍵的優良結構。
與高聚物纖維相比,碳纖維的另一重要性能是吸濕率達到0%,這對滿足飛機工業的濕熱要求有重要的意義。
很久以前已解決了20世紀70年代在紡織加工過程中所遇到的由于碳纖維的脆性而引起的問題,碳纖維在復合材料中的耐損傷性也完全滿足設計標準,這已由其在飛機和賽車制造業中的長期應用所證實。文獻中有時仍然過高估計聚合物纖維復合材料的抗沖性能,其他二維結構的纖維,甚至在研究規模中也未被發現。新的納米碳纖維是一種與其維數有關的完全不同的物質。
由于陶瓷纖維(如氧化鋁纖維和氧化硅纖維)是三維結構,因而具有比碳纖維更高的抗壓性能(表4),但其在紡織加工中的脆性仍然是一個問題。從80年代后期開始,由于國防預算緊縮,陶瓷纖維的進一步發展已經停止。盡管陶瓷纖維具有優異的性能,但仍然是非常特殊和昂貴的產品,在生產成本構成上總要比碳纖維或高模量合成纖維高。
4纖維油劑
纖維油劑是而且將繼續是調整個別性能參數的一個重要的手段,油劑其實是一種獨立的物質。但應該提到,在過去20年中纖維油劑的發展已脫離了舊的煉丹術,現在化學分析尤其是表面分析的重大的發展使其可制成專用的油劑溶液。
過去改進“纖維/油劑/基質樹脂”界面性能被認為是碳纖維能否廣泛應用的一個重要的先決條件,然而90年代早期的研究表明,商業上使用的油劑對剛性基質體系是最適宜的,對大多數的熱塑性材料有較好的效果。
5展望
高技術化學纖維的新時代僅開始于10年前,取得相當大的發展,優化了現有生產加工工藝,在結構分析和化學分析上采用了先進技術。——論文作者：H.Blumberg
SCISSCIAHCI
