工业纤维复合制品的应用与发展

工业纤维复合制品的应用与发展

一、阻燃聚芳酰胺纤维在增强材料中的应用利用纤维在定向方向上的特性，选择不同类型的纤维材料和纤维结构方法，工业纤维复合产品可以获得适应不同用途的机械工程。广泛应用于热固性或热塑性绝缘塑料、层压制品、复合材料和软管领域的各种树脂都或多或少地采用一些纤维材料,以获得预期的拉伸强度、冲击强度、压缩强度和剪切强度等性能。近十年来,增强材料的种类和编织结构取得了显著进步,使工业用户具有更多的选择余地。可用作增强材料的纤维制品有多种,其中应用最广、用量最大的是E、S、S2#和C几种级别的无机玻璃纤维。聚芳酰胺纤维重量轻,耐热性好,具有优异的物理机械性能,但价格昂贵。碳纤维是上个世纪90年代末引入我国的新型材料,具有弹性模量高、热膨胀系数低和重量轻的特点。二、s1#纤维材料通过调整玻璃中金属氧化物的含量可获得不同种类的玻璃纤维制品。用于塑料和层压制品的玻璃纤维主要是E级玻璃纤维,其特点是坚韧性、绝缘性和性能价格比好。上个世纪60年代,美国为其军事用途开发了高强度玻璃纤维即S玻璃纤维(欧洲国家称为R玻璃纤维、日本称为T玻璃纤维),由于制造成本相对较高,应用范围受到限制。随后问世的S2#玻璃纤维通过加大金属氧化硅、氧化铝和氧化镁的含量,在降低S级玻璃纤维成本同时,仍可保证机械强度高出E级玻璃纤维约40%～70%,同时S2#玻璃纤维的热膨胀系数低于E和C级玻璃纤维。C级玻璃纤维具有较好的耐盐酸和硫酸腐蚀性,但耐热性差,使C玻璃纤维的使用受到限制。在选择玻璃纤维的类型时,除了要考虑机械强度、耐热性能和耐腐蚀性之外,成本亦是十分重要的因素。在国际市场上,E级玻璃纤维的价格最便宜,C级的价格比E级约高30%,S级的价格最贵(约为6美元/磅)。与有机纤维相比,各种级别的玻璃纤维的共同缺点是重量大、弹性模量小。2聚芳酰胺纤维聚芳酰胺纤维的密度低、重量轻,但却具有良好的抗冲击破环性能,其弹性模量约比玻璃纤维高出50%,制成的塑料制品具有良好的抗冲击性能、抗刮性能和抗拉强度。聚芳酰胺纤维本身是优良的电、热绝缘材料,具有优良的耐溶剂性、耐燃料性和耐油性,但它的抗压强度比玻璃纤维和碳纤维差,且价格较为昂贵,在紫外线照射下会缓慢分解。世界市场上较著名的聚芳酰胺纤维品牌有美国杜邦公司的Kevlar和日本帝人公司的Twaron。我国的聚芳酰胺纤维及纤维纸全部依赖进口。聚芳酰胺纤维布是由聚芳酰胺纤维单向或双向编织而成,其具有以下特点:高强度,抗拉强度是钢材的7倍;重量轻,重量是钢材的1/5;柔软性,柔软如编制衣物的纤维一样;绝缘性能好;不生锈,耐久,防水耐蚀。3碳纤维在高分子材料上的应用有两种类型的碳纤维。以丙烯氰为基本原料的碳纤维(PAN系列)具有良好的机械强度和弹性模量,用其制作的塑料结构件具有优异的抗压强度。从石油或煤焦油制取的碳纤维(PITCH系列)热膨胀系数小,弹性模量比以丙烯氰为基本原料的碳纤维高出近一倍,主要用于航空航天领域。与玻璃纤维相比,碳纤维的抗拉强度与玻璃纤维的类似,但弹性模量是玻璃纤维的3～4倍。与其他纤维制品不同,碳纤维所提供的优异的机械强度和弹性模量来自连续的、不取向的增强方式。然而,碳纤维塑料制品的抗冲击强度较差,纤维材料与金属材料裸露相接时易产生电蚀。碳纤维以较小的比例与树脂混合后,可大大改善材料的耐磨性和受热膨胀性能,除了广泛应用于航空、建材等领域外,在开发低电压或电磁界面隔板塑料结构件方面有着巨大的潜力。碳纤维材料有片材(包括碳纤维布、碳纤维板)、棒材(如碳纤维索、碳纤维筋)、碳纤维网格、碳纤维缠绕型材、碳纤维模压型材等,生产厂商主要有德国UDO、美国赫氏、英国西克玛,日本东丽、新日铁、三菱、新日本石油等。4纤维增强材料的选择原则表1列出了几种重要的纤维增强材料的性能比较。通过比较可以看出,每种纤维增强材料都有各自的优缺点,这就要求根据用途和需要对材料进行选择,不仅要考虑性能的可行性,也要考虑经济性。三、纺织或针织结构同一种纤维采用不同的编织结构将给最终产品带来不同的机械性能,因此,针对用途,纤维材料生产商开发了许多种纺织或编织结构。虽然一些编织结构的工艺已经十分成熟,随着技术的发展,生产商仍在不断改良现有的工艺,并推出新的编织结构,以满足市场需求。目前,国外工业用的纤维增强结构约有四种。1短纤粘接剂型短纤维材料无纺材料在纵横向上的机械性能类似。市场上存在两种工艺制造的无纺布:一种是短切纤维无纺布,纤维长度为40～70mm,通过粘接剂成型,特点是成本低,抗撕裂性能好,综合机械性能较差,主要用于手工铺叠或连续层合的生产工艺;另一种是连续长纤维无纺布,机械性能较好,主要用于模塑和模压工艺。2双向或三维针织,生长均匀性缝合结构是将径向(0°)、纬向(90°)和斜向(45°)层叠的纤维缝合制成(见图1),能够均匀承受机械载荷,具有良好的拉伸和弯曲强度。同时,这种结构还有利于树脂的均匀流动,给后续产品的生产带来便利。编织结构是将纤维丝经双向或三向编织而成(见图2),以便获得最佳的机械载荷承受能力。双向编织结构提供在15°～95°的方向上的增强作用;三向编织结构提供在10°～80°和0°方向上的增强作用。采用多向多层纤维和垂直于经、纬方向的Z丝(Z-Yarn),经由特殊编织工艺可制成三维编织结构(图3)。Z纤维大大改善了织物的整体性,提高了能量吸收功能,使材料具有优异的抗冲击特性。这种技术适用于各种塑料结构件的制造。3从压光、加光工艺制成这种结构主要用于增强纸的生产。将不同纤维按一定的比例混合制作纸浆,成型后经压光或不压光工艺制成。杜邦公司的Nomex纸即是用沉析纤维与短切纤维制作的纸浆,经不取向成形、压光等工艺后制成。通过调谐两种纤维的比例,可调整Nomex纸的电气性能和机械性能。Nomex作为一种耐热、耐燃纤维增强材料广泛应用于宇航、航空及特殊耐热用途的制件中。4混纺面料用纤维可以将两种或多种增强材料复合后获得不同的物理机械性能。然而,对于厚度要求较薄的增强材料,需要经由混纺工艺来获得所要求的性能。实践中,可以在径度和纬度方向混纺不同种类的纤维材料。常用的方法是在经度和纬度的各个方向上同时混入不同种类的纤丝。混纺的织物形式和结构有多种,如无纺布、编织布、单向取向和多向取向编织布。国外市场上最常用的组合形式有:碳纤维/聚芳酰胺纤维,其特点是综合了聚芳酰胺纤维优异的抗冲击性和抗拉强度以及碳纤维优异的抗压强度和抗拉强度,混纺物的密度低、价格昂贵;聚芳酰胺纤维/玻璃纤维混纺结构因玻璃纤维的混入导致抗压和抗拉强度有所下降,但材料的密度和成本得到了改善;碳纤维/玻璃纤维结构在利用碳纤维优异的弹性模量的同时,改善了材料的密度和成本。四、国外主要发展趋势1纤维基复合材料由于天然纤维可以回收利用,能满足社会可持续发展的要求,并具有密度低、生物可降解、机械性能好等特性,近年来,国外已经注意开发和利用天然纤维增强材料。在可以被用作层压制品和塑料增强材料的天然纤维中(如棉花、椰树和香胶树纤维等),虽然剑麻和黄麻纤维的机械强度不如合成纤维,但它们具有良好的耐热性和电气绝缘性能,原料来源广泛、成本低廉,是目前较为理想的天然纤维材料。发展混纺纤维是国际上另一个研究方向,天然纤维与合成纤维、合成纤维与合成纤维的混纺产品可以相互弥补性能和成本的缺陷。其中,利用聚芳酰胺纤维或碳纤维与其它类型的纤维材料进行混纺,以获取单一纤维难以得到的性能,是目前国际上增强材料的重要研究发展方向。2维结构,满足各种要求对于较为成熟的纤维材料如玻璃纤维、聚芳酰胺纤维和碳纤维等,织物结构对纤维制品的综合机械性能有着直接影响。近年来,国外一些纤维材料生产商不断研究和推出新的纺织结构,以满足市场的各种需求。例如,纬度不取向的玻璃编织布和四向玻璃编织布等。三维结构与双向编织结构相比,可以大大增加塑料制件的抗压缩和抗剪切特性;混纺结构可以综合两种不同纤维的特性,向市场提供更多可以选择的材料,因此,三维编织结构和混纺工艺也是国外近年的研发方向,研究的重点是如何解决纤维材料的纤丝直径、工装设备和不同纤维混纺的工艺问题。3开发新型活性剂纤维材料的价格成本相差甚远,在应用中人们关心的是制品体现出的整体性能。因此,适当选择纤维增强材料及其编织方式,以及树脂和填料的种类,完全可以开发出性能优异、价格低廉的复合产品,不仅节约资源,还可以增加产品在市场上的竞争力。因此,根据用途综合开发利用现有的纤维材料和编织结构,在性能与成本的框架内研发最佳的树脂、填料