高性能+特征纤维.ppt

1、第四章 合成纤维,高性能合成纤维,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,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,1,4,1,3,1、芳香族聚酰胺纤维,一、简介,芳纶1313,芳纶1414,Nomex,Kevlar,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,对位连接，共轭结构,

2、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,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,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,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,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

3、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,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。,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,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。,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,高性能船用缆绳、远洋捕鱼网、

4、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,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,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。,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

5、，工作服，输送带。,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,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,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,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

6、成高强高模纤维 ？,一、简介,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,二、性能,强度达到2.23.5GPa，而芳纶1414强度为2.152.58GPa； 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,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

7、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。,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,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,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,第四章 合成纤维,功能合成纤维,时代发展的产物

8、： 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,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,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。,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

9、酯等组成，在应力作用下不变形； 氨纶具有500800%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）,纽士达：烟台泰和新材料股份有限公司,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,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）,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）,4、阻燃纤维,极限氧指数：,LOI2

10、1%即为阻燃纤维,4、阻燃纤维,阻燃纤维 氟纶：90 酚醛纤维：3234 氯纶：3537 芳纶：3334 PBI：41 腈氯纶：2631 维氯纶：3033,5、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。,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,6、导电

11、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；,应用,在纤维中混入0.055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,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,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,7、光导纤维,光导纤维

12、（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。,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。,7、光导纤维,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,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0.0050.1mm，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,有机光纤特点： 光在纤维界面上全反射而

13、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,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,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,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” ：,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0.10.5%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,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、防臭功能：,（1）紫外线A（UVA，320 nm400 nm）