高性能+特征纤维.ppt

第四章第四章 合成纤维合成纤维高性能合成纤维高性能合成纤维芳香族芳香族聚酰胺纤维聚酰胺纤维芳香族芳香族聚酯纤维聚酯纤维芳杂芳杂环纤维环纤维超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯一、简介一、简介19621962年：发现年：发现 NomexNomex；19661966年：发现年：发现 KevlarKevlar；KevlarKevlar纤维的问世，代表着合成纤维向纤维的问世，代表着合成纤维向高强度、高强度、高模量和耐高温高模量和耐高温等高性能等高性能化化方向发展达到方向发展达到一个新一个新的里程碑的里程碑。1 1、芳香族、芳香族聚酰胺纤维聚酰胺纤维1 14 41 13 31 1、芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酰胺纤维一、简介一、简介芳纶芳纶13131313芳纶芳纶14141414NomexNomexKevlarKevlar酰胺酰胺键与苯键与苯环环间位间位连接连接内旋转内旋转位能低，可位能低，可旋转角度大旋转角度大大分子是柔性链结构，大分子是柔性链结构，在力学性能上接近普在力学性能上接近普通的柔性链纤维通的柔性链纤维但苯环含量高，但苯环含量高，耐耐热性热性能能远大远大于脂肪于脂肪族纤维族纤维二二、结构结构与性能的差异与性能的差异芳纶芳纶13131313对位对位连接，共轭连接，共轭结构结构内旋位能相当高，内旋位能相当高，呈刚性呈刚性直直链结构，分子排列规整，链结构，分子排列规整，结晶和取向极高结晶和取向极高纤维纤维的的强度和模量相当高强度和模量相当高二二、结构结构与性能的差异与性能的差异芳纶芳纶14141414 航空、航天领域：航空、航天领域：发动机壳体及零部件发动机壳体及零部件；防弹领域：防弹领域：头盔、背心、运钞车等；头盔、背心、运钞车等；三、三、芳纶芳纶14141414的应用的应用 建筑建筑领域：领域：替代替代钢筋（钢筋（芳芳纶辫绳的纶辫绳的强度通常强度通常是钢筋的是钢筋的5 5倍，而密度只有它的倍，而密度只有它的1/51/5）；三、三、芳纶芳纶14141414的应用的应用 轮胎轮胎帘子线：帘子线：与常规轮胎相比，采用芳纶帘子与常规轮胎相比，采用芳纶帘子线的轮胎质量可减轻线的轮胎质量可减轻3kg3kg，而价格只高，而价格只高10%10%；各种高压气罐；各种高压气罐；高速列车的天花板和内部隔板。高速列车的天花板和内部隔板。三、三、芳纶芳纶14141414的应用的应用2 2、芳香族、芳香族聚酯纤维聚酯纤维芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维具有具有高强度、高模量、高耐高强度、高模量、高耐热性热性，但其，但其液晶纺丝技术复杂、价格液晶纺丝技术复杂、价格太高太高 !提出设想：提出设想：采用采用酯基酯基取代酰胺基，取代酰胺基，制备芳香族聚酯结构，制备芳香族聚酯结构，采用采用熔体纺丝熔体纺丝取代液晶纺丝取代液晶纺丝？一、简介一、简介2 2、芳香族、芳香族聚酯纤维聚酯纤维聚聚对羟基苯甲酸对羟基苯甲酸聚对苯酚对苯二甲酸聚对苯酚对苯二甲酸酯酯最最简单简单的的芳香芳香聚酯聚酯结构：结构：但化学结构但化学结构刚性太强刚性太强，不仅熔融温度比分解温度高，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，只能而且也不溶解于强酸之类溶剂中，只能烧结烧结成形。成形。解决办法解决办法：降低刚性降低刚性 导导入入不规整分子基团不规整分子基团或或柔性柔性基基团团？2 2、芳香族、芳香族聚酯纤维聚酯纤维一、简介一、简介2 2、芳香族、芳香族聚酯纤维聚酯纤维一、简介一、简介DuPontDuPont公司公司：提出提出PETPET与与对羟基苯甲酸对羟基苯甲酸共共聚，得到聚，得到X-7GX-7G纤维纤维，熔点显著降低熔点显著降低，但其，但其强强度和模量度和模量不太不太高。高。现已实现工业化产品：现已实现工业化产品：美国美国塞拉尼斯和日本可乐丽塞拉尼斯和日本可乐丽公司合作开发的公司合作开发的VectranVectran纤维。纤维。2 2、芳香族、芳香族聚酯纤维聚酯纤维一、简介一、简介高性能船用缆绳、远洋捕鱼网、传送带及电缆；高性能船用缆绳、远洋捕鱼网、传送带及电缆；增强纤维：增强纤维：在光缆、特种电线中起支撑保护作用，在光缆、特种电线中起支撑保护作用，与橡胶与橡胶复合制造高压复合制造高压软管；软管；体育器材：体育器材：如网球拍、头盔及雪橇等也在开始如网球拍、头盔及雪橇等也在开始使用使用。2 2、芳香族、芳香族聚酯纤维聚酯纤维二、二、芳香族聚酯纤维的用途芳香族聚酯纤维的用途3 3、芳、芳杂环纤维杂环纤维聚苯并咪唑聚苯并咪唑纤维纤维 (PBIPBI)：美国：美国塞拉尼斯塞拉尼斯公司公司研制研制开发开发并工业化的一并工业化的一种高科技纤维。种高科技纤维。一、聚苯并咪唑一、聚苯并咪唑(PBI)(PBI)纤维纤维3 3、芳、芳杂环纤维杂环纤维一、聚苯并咪唑一、聚苯并咪唑(PBI)(PBI)纤维纤维优点优点：耐耐高温性、阻燃性、高温性、阻燃性、尺寸稳定性和耐尺寸稳定性和耐化学腐蚀性，还有穿着舒适性等化学腐蚀性，还有穿着舒适性等。缺点：缺点：力学性能不太力学性能不太高。高。3 3、芳、芳杂环纤维杂环纤维一、聚苯并咪唑一、聚苯并咪唑(PBI)(PBI)纤维纤维用途用途：特殊特殊纺织制品：纺织制品：如宇航服、飞行服，太空飞如宇航服、飞行服，太空飞船中密封垫、救生衣船中密封垫、救生衣；金属金属铸造、玻璃行业铸造、玻璃行业：隔热防护材料，如手：隔热防护材料，如手套，工作服，输送带。套，工作服，输送带。StanfordStanford研究所研究所拥有拥有此聚合物合成技术此聚合物合成技术专利，专利，DowDow化学公司化学公司授权对其进行开发，授权对其进行开发，19951995年开年开始小始小批量生产。批量生产。二、聚二、聚亚苯基苯并二恶唑亚苯基苯并二恶唑(PBO)(PBO)纤维纤维3 3、芳、芳杂环纤维杂环纤维优点：优点：高模量：比芳纶高一倍以上；高模量：比芳纶高一倍以上；热分解温度达到热分解温度达到650650，比耐热性比耐热性好的好的PBlPBl要要高出许多，它在火焰中高出许多，它在火焰中不燃烧不收缩不燃烧不收缩且仍然且仍然非常柔软非常柔软，因此是十分优异的，因此是十分优异的耐热纺织面料耐热纺织面料。二、聚二、聚亚苯基苯并二恶唑亚苯基苯并二恶唑(PBO)(PBO)纤维纤维3 3、芳、芳杂环纤维杂环纤维用途：用途：防弹防弹、阻燃、阻燃材料。材料。二、聚二、聚亚苯基苯并二恶唑亚苯基苯并二恶唑(PBO)(PBO)纤维纤维3 3、芳、芳杂环纤维杂环纤维4 4、超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维设想设想：既然既然柔性聚酯、聚酰胺能够开发成高强高模纤柔性聚酯、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也能否开发成高强高模纤维纤维？一、简介一、简介4 4、超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维近近2020多年来，各国科学家从理论和实践两个方面多年来，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，终于促使进行了大量、深入细致的研究工作，终于促使超超高强聚乙烯纤维、超高强聚乙烯醇纤维、超高强高强聚乙烯纤维、超高强聚乙烯醇纤维、超高强聚丙烯脂纤维聚丙烯脂纤维相继诞生，并开始了工业化相继诞生，并开始了工业化生产，生产，其中其中、超高强高模聚乙烯纤维超高强高模聚乙烯纤维的发展尤为迅速。的发展尤为迅速。一、简介一、简介二、性能二、性能 强度达到强度达到2.23.5GPa2.23.5GPa，而芳纶，而芳纶14141414强度为强度为2.152.58GPa2.152.58GPa；具有很好的耐疲劳性和耐磨擦性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、聚酯耐冲击性能强于芳纶、碳纤维、聚酯，仅小于，仅小于尼龙；在高强纤维中，它是最高的；尼龙；在高强纤维中，它是最高的；4 4、超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维二、性能二、性能 耐耐光性是所有纤维中最好的光性是所有纤维中最好的；优良的耐化学腐蚀性优良的耐化学腐蚀性：经强酸、强碱：经强酸、强碱2000h2000h浸浸泡，高强泡，高强PEPE纤维的纤维的强度能保持在强度能保持在90%90%以上，而芳以上，而芳纶只有原来的纶只有原来的20%20%；热性能热性能：熔点：熔点144144。在低温和常温的领域内有着极其广阔的应用前景。在低温和常温的领域内有着极其广阔的应用前景。三、应用三、应用 绳索类：绳索类：由于聚乙烯强度高、模量高、密度小、由于聚乙烯强度高、模量高、密度小、耐腐蚀性好，因此特别适合用作耐腐蚀性好，因此特别适合用作海洋航行用海洋航行用绳索，绳索，降落伞用绳。降落伞用绳。4 4、超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维三、应用三、应用 防弹材料防弹材料：优良优良的的吸收冲击能量吸收冲击能量的本领、纤维的本领、纤维的的可加工性可加工性及及特别小的密度特别小的密度，都，都使它在作使它在作防弹防弹或或防切割防切割衣服方面具有其他纤维无法比拟的优点衣服方面具有其他纤维无法比拟的优点。4 4、超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯纤维三、应用三、应用用作用作复合材料的增强材料：复合材料的增强材料：优良的力学性能优良的力学性能赋予赋予其其复合材料的应用领域十分复合材料的应用领域十分广泛，如广泛，如军用及民用军用及民用头盔、比赛用帆船、赛艇头盔、比赛用帆船、赛艇。4 4、超高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯第四章第四章 合成纤维合成纤维功能合成纤维功能合成纤维时代时代发展发展的的产物产物：保证：保证：社会社会的发展和生产技术的的发展和生产技术的积累；积累；动力：动力：人们人们对美好和舒适对美好和舒适生活的追求；生活的追求；目标目标：赋予赋予真丝般柔软感和纤细感，光泽优雅，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、抗菌并赋予防水透湿、亲水、防静电、抗紫外、抗菌、可可生物降解等功能生物降解等功能。1 1、概、概 述述纤维材料的功能：纤维材料的功能：聚合物聚合物的的化学结构化学结构和和基团组成基团组成的特异性的特异性；高分子高分子聚集态聚集态的物理形态特异性的物理形态特异性；纤维的纤维的成型技术成型技术（采用异型截面、中空、复合（采用异型截面、中空、复合等纺丝工艺）。等纺丝工艺）。1 1、概、概 述述2 2、高、高弹性纤维弹性纤维一、氨一、氨纶（聚氨酯纤维）纶（聚氨酯纤维）分子链上由分子链上由软链段软链段和和硬链段硬链段两部分组成两部分组成；低低熔点、无定形的熔点、无定形的软链段作为母体软链段作为母体，高熔点、结晶，高熔点、结晶的硬链段嵌在其中。的硬链段嵌在其中。其中其中软链段软链段由由非晶性脂肪族聚酯非晶性脂肪族聚酯或或聚醚组成聚醚组成，TgTg：-70-50 -70-50 ，常温下为高弹态，常温下为高弹态；硬链段硬链段由由结晶性的芳香族二异氰酸酯结晶性的芳香族二异氰酸酯等组成，在等组成，在应力作用下不变形应力作用下不变形；氨氨纶纶具有具有500800500800%的伸长的伸长，回复性回复性也非常出众也非常出众；2 2、高、高弹性纤维弹性纤维一、氨一、氨纶（聚氨酯纤维）纶（聚氨酯纤维）纽士纽士达：达：烟台烟台泰和新材料股份有限公司泰和新材料股份有限公司美国杜邦公司美国杜邦公司（19591959年），聚氨酯年），聚氨酯溶液进行溶液进行干法纺丝制得的莱卡纤维，与干法纺丝制得的莱卡纤维，与橡胶相比，弹性橡胶相比，弹性更长更持久，而且重量轻更长更持久，而且重量轻1/3 1/3 。2 2、高、高弹性纤维弹性纤维二、莱卡二、莱卡 第一代氯纶：第一代氯纶：无规立构，无规立构，Tg=75 Tg=75 ，具有，具有耐耐腐蚀性好、抗静电和保暖功效腐蚀性好、抗静电和保暖功效；第二代氯纶第二代氯纶：低温聚合产物，高间规度低温聚合产物，高间规度，Tg=Tg=100 100 ，溶液纺丝。，溶液纺丝。3 3、耐、耐腐蚀性纤维腐蚀性纤维一、氯纶一、氯纶（聚氯乙烯纤维）（聚氯乙烯纤维）3 3、耐、耐腐蚀性纤维腐蚀性纤维 乳液纺丝乳液纺丝；耐腐蚀、耐酸碱。耐腐蚀、耐酸碱。二、氟二、氟纶（聚四氟乙烯纤维）纶（聚四氟乙烯纤维）4 4、阻燃、阻燃纤维纤维极限氧指数极限氧指数：LOI21LOI21%即为阻燃纤维即为阻燃纤维4 4、阻燃、阻燃纤维纤维阻燃纤维阻燃纤维q 氟氟纶：纶：9090q 酚醛纤维：酚醛纤维：32343234q 氯纶：氯纶：35373537q 芳纶：芳纶：33343334q PBI PBI：4141q 腈氯纶：腈氯纶：26312631q 维氯纶：维氯纶：303330335 5、医用、医用合成纤维合成纤维医用合成纤维的要求：医用合成纤维的要求：生物相容性生物相容性（血液和组织）（血液和组织）生物可降解生物可降解性合成纤维性合成纤维生物不可降生物不可降解合成纤维解合成纤维主要为主要为聚酯类聚酯类纤维：聚纤维：聚羟基乙羟基乙酸、聚乳酸、聚己内酯、聚羟酸、聚乳酸、聚己内酯、聚羟基基丁酸丁酸酯及其共聚物酯及其共聚物纤维。纤维。PAPA、涤纶、腈纶、丙纶、涤纶、腈纶、丙纶等。等。可降解聚酯类纤维：可降解聚酯类纤维：医学可吸收缝线、自增强人医学可吸收缝线、自增强人造骨复合材料等造骨复合材料等；不可降解类纤维：不可降解类纤维：PAPA、涤纶、丙纶可用作非吸收、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性缝合线，涤纶和氟纶用于制造人工血管，PANPAN中中空纤维空纤维用于人工肾，用于人工肾，PPPP中空纤维用于人工心脏。中空纤维用于人工心脏。用途：用途：5 5、医用、医用合成纤维合成纤维6 6、导电纤维导电纤维产量产量最大导电纤维品种最大导电纤维品种；聚乙炔聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等，直接纺丝或后处理法。等，直接纺丝或后处理法。铜、铝、不锈钢纤维，细丝难以加工铜、铝、不锈钢纤维，细丝难以加工径向强度低径向强度低铜、银、镍、铬的硫化物和碘化物；铜、银、镍、铬的硫化物和碘化物；应用应用在纤维中混入在纤维中混入0.050.0555的导电纤维，可解的导电纤维，可解决织物的带决织物的带静电问题静电问题，防止，防止静电性能远静电性能远高于抗高于抗静电静电纤维。纤维。6 6、导电纤维、导电纤维由导电纤维制成的导电织物具有导电、电热及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，可用来制成屏蔽和吸收电磁波的功能，可用来制成导电工作导电工作服；或制造电热毯、电热服、睡袋及电热绷带等服；或制造电热毯、电热服、睡袋及电热绷带等面状发热体面状发热体；应用应用6 6、导电纤维、导电纤维利用导电纤维对利用导电纤维对电磁波电磁波的的屏蔽特性屏蔽特性，可用作，可用作精精密电子元件、电子仪器、高频焊接机等电磁波屏密电子元件、电子仪器、高频焊接机等电磁波屏蔽罩蔽罩，或，或航空和航天部门的电磁波屏蔽材料航空和航天部门的电磁波屏蔽材料。应用应用6 6、导电纤维、导电纤维7 7、光导纤维光导纤维光导纤维（光纤光导纤维（光纤)：是一种把光能闭合在纤：是一种把光能闭合在纤维中，产生维中，产生导光作用导光作用的光学复合材料。的光学复合材料。由由两种或两种以上折射率不同的材料复合而两种或两种以上折射率不同的材料复合而成：成：芯材：芯材：起起导光导光作用作用皮材：皮材：折射率低于芯材而能将光能闭合于芯材之中折射率低于芯材而能将光能闭合于芯材之中芯芯材和皮材的材和皮材的折射率相差越大越好折射率相差越大越好。7 7、光导纤维光导纤维6060年代推出年代推出7070年代推出，损耗小，传导距离长，年代推出，损耗小，传导距离长，但价格昂贵、不易弯曲、加工困难但价格昂贵、不易弯曲、加工困难7070年代开始出现，损耗较大，传导距离年代开始出现，损耗较大，传导距离短短，但，但加工容易、轻而柔软、绕曲性加工容易、轻而柔软、绕曲性好好7 7、光导纤维光导纤维有机光纤特点：有机光纤特点：是一种很细的是一种很细的皮芯型皮芯型光学合成纤维，其光学合成纤维，其芯丝芯丝是是高光学纯的高光学纯的有机高聚物有机高聚物，直径在，直径在0.0050.1mm0.0050.1mm，在它外面包裹着一，在它外面包裹着一层层低低光折光折率率的的有机高聚物薄膜皮层有机高聚物薄膜皮层。8 8、光导纤维、光导纤维有机光纤特点：有机光纤特点：光在纤维界面上光在纤维界面上全反射全反射而使光在纤维内而使光在纤维内曲折反曲折反复传播复传播并把光并把光约束在纤维内进行导光约束在纤维内进行导光。7 7、光导纤维光导纤维 芯用材料：透光性好，又易纤维化，如芯用材料：透光性好，又易纤维化，如PMMAPMMA和和PSPS；皮层材料：选用比芯材折射率低的透明性高聚物皮层材料：选用比芯材折射率低的透明性高聚物；有机光纤有机光纤7 7、光导纤维光导纤维有机光纤有机光纤例如：例如：芯材芯材皮材皮材氟化偏氯乙烯氟化偏氯乙烯四氟乙烯共聚物四氟乙烯共聚物PMMAPMMA（折射率在（折射率在1.401.40左右）左右）（折射率为（折射率为l.49l.49）PSPS（折射率为（折射率为1.591.59）PMMAPMMAGoreGore面料（面料（19761976，美国）：，美国）：该面料中复贴而成该面料中复贴而成的的PTFEPTFE防水透湿薄膜，该薄膜拥有原纤维状的防水透湿薄膜，该薄膜拥有原纤维状的微孔结构，使汗气可以通过，液态水不能通过微孔结构，使汗气可以通过，液态水不能通过；9 9、纤维的其他功能、纤维的其他功能防水透湿功能防水透湿功能“可呼吸可呼吸”：如如在合成纤维制造过程中，在聚合阶段用共聚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，如加入方法引入抗静电剂，如加入0.10.10.5%0.5%的纳米的纳米TiOTiO2 2、CrCr2 2O O3 3、ZnOZnO、FeFe2 2O O3 3等，通过纺丝制成等，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具有抗静电效果的纤维；或者直接加入导电纤维进行混纺。维进行混纺。防静电功能：防静电功能：静电的危害：放电，吸尘静电的危害：放电，吸尘 加入加入无机抗菌、防臭剂无机抗菌、防臭剂，如纳米，如纳米TiOTiO2 2 。TiOTiO2 2阳阳光下尤其在紫外线照射光下尤其在紫外线照射下，自行下，自行分解出自由移动分解出自由移动的电子和空穴，它们分别与吸附在的电子和空穴，它们分别与吸附在TiOTiO2 2表面的氧表面的氧和和HH2 2O O作用形成作用形成O O2 2-和和HOHO，其具有，其具有很强的化很强的化学活性，能与细菌内的有机物反应生成学活性，能与细菌内的有机物反应生成COCO2 2和和HH2 2O O，从而在短时间内就能杀死细菌，消除，从而在短时间内就能杀死细菌，消除恶臭。恶臭。抗菌、防臭功能：抗菌、防臭功能：（1 1）紫外线紫外线A A（UVAUVA，320 nm320 nm400 nm400 nm）会引）会引起皮肤老化；起皮肤老化；紫外线紫外线B B（UVBUVB，290 nm290 nm320 320 nmnm）会引起晒斑（红疹），而导致皮肤癌）会引起晒斑（红疹），而导致皮肤癌。（2 2）将纳米将纳米TiOTiO2 2、ZnOZnO、SiOSiO2 2 、AlAl2 2OO3 3、FeFe2 2OO3 3等加入到涤纶、维纶、腈纶、尼龙和丙纶等制作各等加入到涤纶、维纶、腈纶、尼龙和丙纶等制作各类纺织品，就能满足人们对抗紫外衣物的需要。类纺织品，就能满足人们对抗紫外衣物的需要。抗紫外线功能：抗紫外线功能：1.1.醇酸树脂涂料醇酸树脂涂料2.2.丙烯酸丙烯酸涂料涂料3.3.聚氨酯聚氨酯涂料涂料4.4.环氧树脂黏合剂环氧树脂黏合剂5.5.酚醛树脂酚醛树脂黏合剂黏合剂6.6.聚氨酯黏合剂聚氨酯黏合剂作业：作业：15min15min1201120112021202