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第四章合成纤维 高性能合成纤维 1 芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酯纤维芳杂环纤维超高分子量聚乙烯 2 一 简介1962年 发现Nomex 1966年 发现Kevlar Kevlar纤维的问世 代表着合成纤维向高强度 高模量和耐高温等高性能化方向发展达到一个新的里程碑 1 芳香族聚酰胺纤维 3 1 4 1 3 1 芳香族聚酰胺纤维 一 简介 芳纶1313 芳纶1414 Nomex Kevlar 4 酰胺键与苯环间位连接 内旋转位能低 可旋转角度大 大分子是柔性链结构 在力学性能上接近普通的柔性链纤维 但苯环含量高 耐热性能远大于脂肪族纤维 二 结构与性能的差异 芳纶1313 5 对位连接 共轭结构 内旋位能相当高 呈刚性直链结构 分子排列规整 结晶和取向极高 纤维的强度和模量相当高 二 结构与性能的差异 芳纶1414 6 航空 航天领域 发动机壳体及零部件 防弹领域 头盔 背心 运钞车等 三 芳纶1414的应用 7 建筑领域 替代钢筋 芳纶辫绳的强度通常是钢筋的5倍 而密度只有它的1 5 三 芳纶1414的应用 8 轮胎帘子线 与常规轮胎相比 采用芳纶帘子线的轮胎质量可减轻3kg 而价格只高10 各种高压气罐 高速列车的天花板和内部隔板 三 芳纶1414的应用 9 2 芳香族聚酯纤维 芳香族聚酰胺纤维具有高强度 高模量 高耐热性 但其液晶纺丝技术复杂 价格太高 提出设想 采用酯基取代酰胺基 制备芳香族聚酯结构 采用熔体纺丝取代液晶纺丝 一 简介 10 2 芳香族聚酯纤维 聚对羟基苯甲酸聚对苯酚对苯二甲酸酯 最简单的芳香聚酯结构 但化学结构刚性太强 不仅熔融温度比分解温度高 而且也不溶解于强酸之类溶剂中 只能烧结成形 11 解决办法 降低刚性 导入不规整分子基团或柔性基团 2 芳香族聚酯纤维 一 简介 12 2 芳香族聚酯纤维 一 简介 DuPont公司 提出PET与对羟基苯甲酸共聚 得到X 7G纤维 熔点显著降低 但其强度和模量不太高 13 现已实现工业化产品 美国塞拉尼斯和日本可乐丽公司合作开发的Vectran纤维 2 芳香族聚酯纤维 一 简介 14 高性能船用缆绳 远洋捕鱼网 传送带及电缆 增强纤维 在光缆 特种电线中起支撑保护作用 与橡胶复合制造高压软管 体育器材 如网球拍 头盔及雪橇等也在开始使用 2 芳香族聚酯纤维 二 芳香族聚酯纤维的用途 15 3 芳杂环纤维 聚苯并咪唑纤维 PBI 美国塞拉尼斯公司研制开发并工业化的一种高科技纤维 一 聚苯并咪唑 PBI 纤维 16 3 芳杂环纤维 一 聚苯并咪唑 PBI 纤维 优点 耐高温性 阻燃性 尺寸稳定性和耐化学腐蚀性 还有穿着舒适性等 缺点 力学性能不太高 17 3 芳杂环纤维 一 聚苯并咪唑 PBI 纤维 用途 特殊纺织制品 如宇航服 飞行服 太空飞船中密封垫 救生衣 金属铸造 玻璃行业 隔热防护材料 如手套 工作服 输送带 18 Stanford研究所拥有此聚合物合成技术专利 Dow化学公司授权对其进行开发 1995年开始小批量生产 二 聚亚苯基苯并二恶唑 PBO 纤维 3 芳杂环纤维 19 优点 高模量 比芳纶高一倍以上 热分解温度达到650 比耐热性好的PBl要高出许多 它在火焰中不燃烧不收缩且仍然非常柔软 因此是十分优异的耐热纺织面料 二 聚亚苯基苯并二恶唑 PBO 纤维 3 芳杂环纤维 20 用途 防弹 阻燃材料 二 聚亚苯基苯并二恶唑 PBO 纤维 3 芳杂环纤维 21 4 超高分子量聚乙烯纤维 设想 既然柔性聚酯 聚酰胺能够开发成高强高模纤维 那么聚丙烯腈 聚乙烯醇 聚烯烃等常规纤维也能否开发成高强高模纤维 一 简介 22 4 超高分子量聚乙烯纤维 近20多年来 各国科学家从理论和实践两个方面进行了大量 深入细致的研究工作 终于促使超高强聚乙烯纤维 超高强聚乙烯醇纤维 超高强聚丙烯脂纤维相继诞生 并开始了工业化生产 其中 超高强高模聚乙烯纤维的发展尤为迅速 一 简介 23 二 性能 强度达到2 2 3 5GPa 而芳纶1414强度为2 15 2 58GPa 具有很好的耐疲劳性和耐磨擦性 耐冲击性能强于芳纶 碳纤维 聚酯 仅小于尼龙 在高强纤维中 它是最高的 4 超高分子量聚乙烯纤维 24 二 性能 耐光性是所有纤维中最好的 优良的耐化学腐蚀性 经强酸 强碱2000h浸泡 高强PE纤维的强度能保持在90 以上 而芳纶只有原来的20 热性能 熔点144 在低温和常温的领域内有着极其广阔的应用前景 25 三 应用 绳索类 由于聚乙烯强度高 模量高 密度小 耐腐蚀性好 因此特别适合用作海洋航行用绳索 降落伞用绳 4 超高分子量聚乙烯纤维 26 三 应用 防弹材料 优良的吸收冲击能量的本领 纤维的可加工性及特别小的密度 都使它在作防弹或防切割衣服方面具有其他纤维无法比拟的优点 4 超高分子量聚乙烯纤维 27 三 应用 用作复合材料的增强材料 优良的力学性能赋予其复合材料的应用领域十分广泛 如军用及民用头盔 比赛用帆船 赛艇 4 超高分子量聚乙烯 28 第四章合成纤维 功能合成纤维 29 时代发展的产物 保证 社会的发展和生产技术的积累 动力 人们对美好和舒适生活的追求 目标 赋予真丝般柔软感和纤细感 光泽优雅 并赋予防水透湿 亲水 防静电 抗紫外 抗菌 可生物降解等功能 1 概述 30 纤维材料的功能 聚合物的化学结构和基团组成的特异性 高分子聚集态的物理形态特异性 纤维的成型技术 采用异型截面 中空 复合等纺丝工艺 1 概述 31 2 高弹性纤维 一 氨纶 聚氨酯纤维 分子链上由软链段和硬链段两部分组成 低熔点 无定形的软链段作为母体 高熔点 结晶的硬链段嵌在其中 32 其中软链段由非晶性脂肪族聚酯或聚醚组成 Tg 70 50 常温下为高弹态 硬链段由结晶性的芳香族二异氰酸酯等组成 在应力作用下不变形 氨纶具有500 800 的伸长 回复性也非常出众 2 高弹性纤维 一 氨纶 聚氨酯纤维 33 纽士达 烟台泰和新材料股份有限公司 34 美国杜邦公司 1959年 聚氨酯溶液进行干法纺丝制得的莱卡纤维 与橡胶相比 弹性更长更持久 而且重量轻1 3 2 高弹性纤维 二 莱卡 35 第一代氯纶 无规立构 Tg 75 具有耐腐蚀性好 抗静电和保暖功效 第二代氯纶 低温聚合产物 高间规度 Tg 100 溶液纺丝 3 耐腐蚀性纤维 一 氯纶 聚氯乙烯纤维 36 3 耐腐蚀性纤维 乳液纺丝 耐腐蚀 耐酸碱 二 氟纶 聚四氟乙烯纤维 37 4 阻燃纤维 极限氧指数 LOI 21 即为阻燃纤维 38 4 阻燃纤维 阻燃纤维氟纶 90酚醛纤维 32 34氯纶 35 37芳纶 33 34PBI 41腈氯纶 26 31维氯纶 30 33 39 5 医用合成纤维 医用合成纤维的要求 生物相容性 血液和组织 生物可降解性合成纤维 生物不可降解合成纤维 主要为聚酯类纤维 聚羟基乙酸 聚乳酸 聚己内酯 聚羟基丁酸酯及其共聚物纤维 PA 涤纶 腈纶 丙纶等 40 可降解聚酯类纤维 医学可吸收缝线 自增强人造骨复合材料等 不可降解类纤维 PA 涤纶 丙纶可用作非吸收性缝合线 涤纶和氟纶用于制造人工血管 PAN中空纤维用于人工肾 PP中空纤维用于人工心脏 用途 5 医用合成纤维 41 6 导电纤维 产量最大导电纤维品种 聚乙炔 聚苯胺 聚吡咯 聚噻吩等 直接纺丝或后处理法 铜 铝 不锈钢纤维 细丝难以加工 径向强度低 铜 银 镍 铬的硫化物和碘化物 42 应用 在纤维中混入0 05 5 的导电纤维 可解决织物的带静电问题 防止静电性能远高于抗静电纤维 6 导电纤维 43 由导电纤维制成的导电织物具有导电 电热及屏蔽和吸收电磁波的功能 可用来制成导电工作服 或制造电热毯 电热服 睡袋及电热绷带等面状发热体 应用 6 导电纤维 44 利用导电纤维对电磁波的屏蔽特性 可用作精密电子元件 电子仪器 高频焊接机等电磁波屏蔽罩 或航空和航天部门的电磁波屏蔽材料 应用 6 导电纤维 45 7 光导纤维 光导纤维 光纤 是一种把光能闭合在纤维中 产生导光作用的光学复合材料 46 由两种或两种以上折射率不同的材料复合而成 芯材 起导光作用皮材 折射率低于芯材而能将光能闭合于芯材之中芯材和皮材的折射率相差越大越好 47 7 光导纤维 48 60年代推出 70年代推出 损耗小 传导距离长 但价格昂贵 不易弯曲 加工困难 70年代开始出现 损耗较大 传导距离短 但加工容易 轻而柔软 绕曲性好 7 光导纤维 49 有机光纤特点 是一种很细的皮芯型光学合成纤维 其芯丝是高光学纯的有机高聚物 直径在0 005 0 1mm 在它外面包裹着一层低光折率的有机高聚物薄膜皮层 8 光导纤维 50 有机光纤特点 光在纤维界面上全反射而使光在纤维内曲折反复传播并把光约束在纤维内进行导光 7 光导纤维 51 芯用材料 透光性好 又易纤维化 如PMMA和PS 皮层材料 选用比芯材折射率低的透明性高聚物 有机光纤 7 光导纤维 52 有机光纤 例如 芯材 皮材 氟化偏氯乙烯 四氟乙烯共聚物 PMMA 折射率在1 40左右 折射率为l 49 PS 折射率为1 59 PMMA 53 Gore面料 1976 美国 该面料中复贴而成的PTFE防水透湿薄膜 该薄膜拥有原纤维状的微孔结构 使汗气可以通过 液态水不能通过 9 纤维的其他功能 防水透湿功能 可呼吸 54 如在合成纤维制造过程中 在聚合阶段用共聚方法引入抗静电剂 如加入0 1 0 5 的纳米TiO2 Cr2O3 ZnO Fe2O3等 通过纺丝制成具有抗静电效果的纤维 或者直接加入导电纤维进行混纺 防静电功能 静电的危害 放电 吸尘 55 加入无机抗菌 防臭剂 如纳米TiO2 TiO2阳光下尤其在紫外线照射下 自行分解出自由移动的电子和空穴 它们分别与吸附在TiO2表面的氧和H2O作用形成O2 和HO 其具有很强的化学活性 能与细菌内的有机物反应生成CO2和H2O 从而在短时间内就能杀死细菌 消除恶臭 抗菌