发布时间：2021-03-06所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要:本文介绍了怎样使工业用合成纤维适应于特殊用途的需求,以及这些纤维的潜力。讨论了研究特制的新型聚合物是否是发展工业用纤维的一个途径。 关键词:工业用合成纤维,新型聚合物,碳纤维 人们常说化学纤维新时代开始于最近十年,这是指以新开发的单体和聚合
摘要:本文介绍了怎样使工业用合成纤维适应于特殊用途的需求,以及这些纤维的潜力。讨论了研究特制的新型聚合物是否是发展工业用纤维的一个途径。
关键词:工业用合成纤维,新型聚合物,碳纤维
人们常说化学纤维新时代开始于最近十年,这是指以新开发的单体和聚合物为基础利用生物和信息技术知识把分子转变成预定的性质和功能的材料。在21世纪60年代末,Staudinger就开始谈论理想的和特制的纤维,然而只是在产品和织物加工工艺上进行改性,而不是对分子本身加以改变。下面介绍三类主要纤维当前发展的状况和趋势:
-传统合成纤维
-新型合成纤维
-碳纤维
目前上述纤维决定了用于工业用纺织品和防护服的纤维品质。
下文将介绍怎样使这些纤维适应于特殊用途的需要以及这些纤维的潜力,讨论了研究特制的新型聚合物是否是发展工业用纤维的有意义的一个途径。
1传统合成纤维
由聚酰胺和聚酯制成的化学纤维在20世纪50年代才开始作为棉的替代物用于工业用纺织品,而粘胶纤维在轮胎上的应用要早20年。自从1960年以来,一大批不同品种的聚酰胺和聚酯工业丝得到开发,按各种用户的需要制成窄幅和宽幅的工业用织物。
为此,很有必要在纺织用丝基础上发展技术繁多的具有更高强度和更低伸长的纤维。工业丝与纺织用丝的强度与伸长性能比较见图1,工业丝具有更高强度和更低伸长。对于聚酯工业丝来说,这可以节省60%的材料。图1也说明了纤维强度与伸长在加工过程中的变化范围,聚酯纤维的伸长为2倍,强度为1.5倍。如果利用聚酰胺与聚酯两种聚合物间的差异,有可能使伸长达到更大的变化倍率。
工业用纱的支数高于280dtex,而纺织用纱低于280dtex。要使工业用织物达到相同的强力和伸长,若用高支数的工业用纱只需制成一层较薄的织物,而用普通的纺织纤维则需要用几层织物。
热塑性高聚物的另一个重要性能体现在其具有2%～20%的热收缩变化范围(图1)。该优良的性能有利于制造满足不同应用领域的多种产品。由于这类工业丝的收缩率低,使要求具有高尺寸稳定性的涂层织物的加工容易进行,因而在20世纪60年代迅速取代了浸渍类的棉织物。而利用工业丝另一方面的高收缩性能可以生产很致密的织物(薄型织物为获得高强度必须具有密实的质地),用于制作汽车安全带,这是60年代～70年代新的最重要的应用领域。在欧洲安全带标准中,为满足不同的伸长要求,首选用聚酰胺6纤维,其次是聚酯纤维(图2)。安全带是一个经典的例子,说明像聚酰胺和聚酯一类的传统合成纤维是怎样去满足不同需要的产品要求的。
在60年代至80年代,大批不同工业用途的纤维得以发展。在90年代早期,例如Acordis纤维公司有30多种不同的聚酰胺和聚酯工业丝,具有不同的强度、伸长和收缩率,加上各类丝的支数不同,总计可达80多种。由于具有这么多品种,所以能覆盖几乎所有需要,人们看到了传统纤维已经达到了产品的成熟期,不再需要任何更多的专用纤维。然而,90年代汽车安全气囊的发展说明了情况正相反,图3表明该产品不同的发展阶段。产品开发使用了人们所熟知的、处理传统合成纤维的方法,使其强度、收缩率和单丝的支数能很好地满足产品特定的透气率和材料低厚度的要求。早在20世纪60年代就已经能获得不同支数的单丝,如用粗糙的长丝来提高安全带的耐磨性。值得提出的是,聚酰胺纤维正在经历一场伟大的复兴,这是由于其具有气囊织物所必须的高伸长性能。
2高模量合成纤维
尽管传统纤维可有各种变化,但人们早就清楚传统合成纤维的强度和拉伸模量不可能满足所有市场的需求。20世纪60年代轮胎行业使用具有高刚性和高拉伸模量的钢丝绳获得巨大成功,对化学纤维公司提出了挑战。化纤公司的目标是能制造出一种替代金属钢丝绳的新型化合物。人们想起了30年代末期开发的芳族聚酰胺纤维Kevlar(DuPont公司)和Twaron(Akzo公司),然而70年代轮胎行业全部使用钢丝绳,使人们对芳族聚酰胺纤维没什么兴趣。
但是幸运的是,芳族聚酰胺纤维还具有替代石棉所必须具备的特性。石棉几乎是理想的耐高温纤维(表1),其综合性能无法被其他化学纤维所替代。当然,化学纤维生产商已销售了一些耐高温和耐燃的特种纤维,还研制出从间位芳族聚酰胺到全芳族聚合物溶液以及刚性纤维。表1上部分是一些纤维与E型玻璃纤维性能比较。其中有一些纤维,特别是Teflon纤维由于有很好的耐化学腐蚀性,也可应用在过滤领域。然而,当时石棉在这些领域中的应用占据着首要地位,直到人们认识到石棉较高的原纤化作用对人体造成的危害后,最终导致了石棉的禁止使用,使所有上述纤维的发展有了新的可能。石棉的禁止使用,尤其对于具有耐高温性和耐化学腐蚀性以及缓慢原纤化作用的芳族聚酰胺纤维的发展带来了大的希望,因此芳族聚酰胺纤维渗透到了被石棉所统治的制动器和离合器衬片、填料、垫圈和高热保温材料领域。
后来,由于一些纤维在耐高温和耐燃性方面能满足各不相同的需要,其他一些耐高温纤维也与芳族聚酰胺纤维一起进入市场(表1下部)。在这些应用中,主要使用短纤维,为纤维的多样化提供了新的可能。例如,成功使用了芳族聚酰胺纤维和玻璃纤维的混合物、预氧化纤维。如PEI、PPS和PEEK全芳族聚合物纤维,除了可以作为纤维复合材料的基体外,还能在高温下使用。
值得注意的是,由于芳族聚酰胺类纤维也有原纤化问题而没有得到发展。在一段时期内,该纤维的优良性能根本没有引起人们的关注,这表明高聚物有太多的特性(例如最近在宣传的特性)总是不尽如人意。
另一个新的需求刚好及时地推动了芳族聚酰胺纤维的发展,那就是70年代逐渐增加的领土和军事冲突要求更好的防弹织物。由于芳族聚酰胺纤维理想的伸长和弹性模量,以及比传统聚酰胺纤维更好的防弹性能,为其发展提供了理论上的先决条件。表2以Twaron为例介绍了防弹纤维的发展进程。先有了Twaron标准产品,然后是TwaronCT,产品的伸长和弹性模量得到提高,最后是具有低单丝支数的TwaronCTMicro。这再次表明用来改变机械力学性能和降低单丝支数的传统手段仍然有效,可用来调节性能以满足不同用户的需要。表2表明三类纤维用V-50测量方法测定的防弹性能的改善情况。
与上述的用途相反,芳族聚酰胺纤维除了在轮胎上的应用外,其在纤维复合材料上应用的可能性很早就已被人们关注。然而,当时低估了低的抗压强力和高估了其高抗冲性能,因此芳族聚酰胺在复合材料方面没有成为一个大的纤维品种,在复合材料上的用量仅占芳族聚酰胺纤维总量的5%。另一方面,总能听到令人印象深刻的有关芳族聚酰胺纤维抗冲击力的描述,特别是其在运动领域方面的应用(例如近来用作滑艇上的芳族聚酰胺外壳)。
芳族聚酰胺纤维的例子说明,决定一种新型纤维是否成功的因素是其聚合物内在的潜力以及在特定时间总的发展趋势和法规发生变化的机会。
20世纪80年代芳族聚酰胺纤维的成功鼓励了许多纤维生产商沿着别的途径去寻求高模量纤维的发展,例如高模聚乙烯(Dyneema,Spectra)、芳族碳环聚酯(Vectran)和芳族杂环高聚物[如PBO(Zylon)和PIPD(M5)],这些路线也为了避免与芳族聚酰胺纤维专利发生冲突。表3列出了聚乙烯(PE)和聚苯醚(PBO)纤维与芳族聚酰胺纤维重要参数的数据对比。PE和PBO纤维的强度和弹性模量部分参数比芳族聚酰胺纤维高,这些纤维有可能进入芳族聚酰胺纤维的某些应用领域,替代纤维都是被用在复合材料中。但是,与芳族聚酰胺纤维相比,PE和PBO纤维的抗压强力较低,并且由于PE的熔点低,其耐热性也较差。
相关期刊推荐：《国际纺织导报》(月刊)创刊于1978年，由东华大学主办。同步报导国际上纺织及化纤领域内的各类研究成果和工艺发展趋势，介绍国际间重要的学术会议及专业领域内科研及生产方面的成果和信息报导。
PIPD类的杂环高聚物纤维在分子间有二维氢键的相互作用,抗压强度比芳族聚酰胺纤维大很多,近几年来研究已取得进展。以后的章节将更详细地讨论抗压性能。尽管自20世纪80年代以来开发的新型聚合物纤维具有很多性能,但所有这些纤维仍与芳族聚酰胺纤维较高的综合性能及其从那时以来所占据的市场进行着竞争。
3碳纤维
碳纤维在增强塑料或复合材料领域上的应用是值得注意的。碳纤维的发展与热塑性合成纤维无关,而受制于E型玻璃纤维,与大多数聚合物纤维相比,玻璃纤维早在20世纪70年代就已经获得了一定的市场份额。当时的能源危机和空闲时间的增加推动了碳纤维复合材料在飞机和运动领域的需求。现在对材料的性能要求比E型玻璃所具有的性能高得多,尤其是弹性模量。这给60年代就在进行研究的碳纤维带来了很大的发展空间(表3是与E型玻璃纤维的性能比较)。在80年代和90年代初,历时12年,碳纤维在机械物理性能上得到发展,这是化学纤维发展史上从未有过的(图4)。碳纤维的强度和弹性模量相对于传统纤维提高了1倍多,在研究项目中甚至更大。这可以通过开发具有更细的和更高纯度的聚丙烯腈原丝以及优化碳纤维的生产工艺来实现。尽管碳纤维在近20年取得了很大的技术进步,但应该看到传统的高强纤维仍然占有当今市场的90%以上的份额,在所有新的发展中,只有UTS类品种近年来获得了重要增长,主要用在需要抗拉强度的工业安全产品中,例如天然气罐、桥梁层压板和飞轮。近年来,碳纤维生产商重视优化生产工艺,目的是降低产品价格,而不是进一步扩大其应用范围,特别是为了扩大工业应用市场,已经在开发价效比更好的产品。
高性能复合材料仍是一个未成熟的市场,由于碳纤维的性能范围宽广,必将长期占有优势。不但具有一维化学键的高模量聚合物纤维,而且另外还具有氢键的芳族聚酰胺纤维,甚至PIPD类具有二维氢键的高聚物纤维也不能达到大多数应用领域所要求的抗压性能。碳纤维具有二维表面和分子间共价键的优良结构。
与高聚物纤维相比,碳纤维的另一重要性能是吸湿率达到0%,这对满足飞机工业的湿热要求有重要的意义。
很久以前已解决了20世纪70年代在纺织加工过程中所遇到的由于碳纤维的脆性而引起的问题,碳纤维在复合材料中的耐损伤性也完全满足设计标准,这已由其在飞机和赛车制造业中的长期应用所证实。文献中有时仍然过高估计聚合物纤维复合材料的抗冲性能,其他二维结构的纤维,甚至在研究规模中也未被发现。新的纳米碳纤维是一种与其维数有关的完全不同的物质。
由于陶瓷纤维(如氧化铝纤维和氧化硅纤维)是三维结构,因而具有比碳纤维更高的抗压性能(表4),但其在纺织加工中的脆性仍然是一个问题。从80年代后期开始,由于国防预算紧缩,陶瓷纤维的进一步发展已经停止。尽管陶瓷纤维具有优异的性能,但仍然是非常特殊和昂贵的产品,在生产成本构成上总要比碳纤维或高模量合成纤维高。
4纤维油剂
纤维油剂是而且将继续是调整个别性能参数的一个重要的手段,油剂其实是一种独立的物质。但应该提到,在过去20年中纤维油剂的发展已脱离了旧的炼丹术,现在化学分析尤其是表面分析的重大的发展使其可制成专用的油剂溶液。
过去改进“纤维/油剂/基质树脂”界面性能被认为是碳纤维能否广泛应用的一个重要的先决条件,然而90年代早期的研究表明,商业上使用的油剂对刚性基质体系是最适宜的,对大多数的热塑性材料有较好的效果。
5展望
高技术化学纤维的新时代仅开始于10年前,取得相当大的发展,优化了现有生产加工工艺,在结构分析和化学分析上采用了先进技术。——论文作者：H.Blumberg
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