第八章高技術(shù)纖維所謂高技術(shù)纖維就是依靠高技術(shù)和纖維材料科學(xué)最新的基礎(chǔ)理論,研制成功的具有高性能、高功能和高感性等的一系列新纖維材料。一般可分為3類，即高性能纖維、高功能纖維和高感性纖維。高技術(shù)紡織品是21世紀(jì)紡織行業(yè)最具有發(fā)展前景的產(chǎn)品之一。英國DavidRigby紡織咨詢公司預(yù)計(jì)高技術(shù)紡織品對(duì)紡織業(yè)的貢獻(xiàn)將大大超過天然纖維和其他纖維。2021/2/71第八章高技術(shù)纖維所謂高技術(shù)纖維就是依靠高技術(shù)和纖維材料科學(xué)高功能纖維功能纖維是指具有特種功能的纖維,主要品種是:

（1）防護(hù)功能纖維（主要有阻燃、防紫外線、抗靜電、抗輻射等）;

（2）物質(zhì)分離功能纖維（主要有中空纖維分離膜、離子交換纖維、吸附纖維等）；（3）生物醫(yī)學(xué)功能纖維（主要有甲殼素、中空纖維膜等）；（4）衛(wèi)生保健功能纖維（主要有抗菌、防臭、消臭、香味、保溫蓄熱、遠(yuǎn)紅外、負(fù)離子、高吸水等）；（5）傳導(dǎo)功能纖維（主要有光導(dǎo)纖維、導(dǎo)電纖維、超導(dǎo)纖維等）（6）智能纖維及其他功能纖維（仿生、超高吸水纖維等）。2021/2/72高功能纖維功能纖維是指具有特種功能的纖維,主要品種是:20高感性纖維所謂高感性纖維,就是應(yīng)用高分子改性、截面特殊異型化、超細(xì)纖維化、混纖技術(shù)、纖維表面處理及染整后整理等技術(shù)，生產(chǎn)出的超天然纖維的高感性功能纖維，也有人稱之為新合纖。高感性纖維一般要求纖維在保留原有的良好性能外，還要求紡織品具有仿天然和超天然性能。包括仿麂皮、超柔軟、仿毛感、仿蠶絲感、超懸垂性等向超天然方向發(fā)展，集天然纖維的穿著舒適性和合成纖維的功能性于一身。2021/2/73高感性纖維所謂高感性纖維,就是應(yīng)用高分子改性、截面特殊異型化高性能纖維是指對(duì)外部作用不易發(fā)生反應(yīng),在各種惡劣條件下能保持纖維本身性能的纖維。其定義無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),一般認(rèn)為強(qiáng)度大于1.4GPa(200Ksi)，模量大于70Gpa(10Msi)的纖維均可看作為高性能纖維。除聚乙烯外，這些纖維的有用工作溫度基本都高于200℃。目前主要分為有機(jī)纖維和無機(jī)纖維兩種。高性能纖維2021/2/74高性能纖維是指對(duì)外部作用不易發(fā)生反應(yīng),在各種惡劣條件下能保持有機(jī)纖維主要有對(duì)位芳綸(聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺,芳綸1414)(商品名Kevlar)、間位芳綸(聚間苯二甲酰間苯二胺,芳綸1313)(商品名NomeX)、超高分子量的高強(qiáng)高模量聚乙烯(UHMW-PE)(商品名Dyneema)、PBO纖維(聚對(duì)苯撐苯并雙惡唑)、高強(qiáng)高模PVA等。無機(jī)纖維主要是碳纖維、碳化硅纖維、硼纖維、玻璃纖維等。高性能:如碳纖維紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與鋼材相比，重量輕3/4、而強(qiáng)度提高4倍。2021/2/75有機(jī)纖維主要有對(duì)位芳綸(聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺,芳綸1414)纖維性能比較2021/2/76纖維性能比較2021/2/76蜘蛛絲與其他纖維的性能比較2021/2/77蜘蛛絲與其他纖維的性能比較2021/2/7720世紀(jì)50年代末,對(duì)粘膠纖維進(jìn)行高溫分解以制得強(qiáng)度較低的碳纖維;60年代初，美國聯(lián)合碳化公司首次采用在張力下進(jìn)行石墨化，制得高強(qiáng)度粘膠基碳纖維；在同一時(shí)期，英國皇家航空研究所以腈綸纖維為原料，首次生產(chǎn)出強(qiáng)度大、模量高的碳纖維，日本碳化公司使其商品化。以后又陸續(xù)開發(fā)出瀝青基等碳纖維。第一節(jié)碳纖維

2021/2/7820世紀(jì)50年代末,對(duì)粘膠纖維進(jìn)行高溫分解以制得強(qiáng)度較低的碳分類按性能分,碳纖維分為通用型和低性能兩種。高性能的碳纖維分高強(qiáng)度、高模量和中等模量三類，用于高強(qiáng)高模的場(chǎng)合;低性能碳纖維常用于耐火焰、做碳質(zhì)等用途。按功能分類，碳纖維可分為受力結(jié)構(gòu)材料、耐火焰材料、活性炭（用于凈化水）、導(dǎo)電材料、潤滑材料、以及耐磨材料。按原料分類，碳纖維分丙烯腈碳纖維、粘膠碳纖維、瀝青碳纖維、木質(zhì)素碳纖維、其他碳纖維等。2021/2/79分類按性能分,碳纖維分為通用型和低性能兩種。高性能的碳纖維分碳纖維的規(guī)格及性能2021/2/710碳纖維的規(guī)格及性能2021/2/710聚丙烯腈基碳纖維結(jié)構(gòu):有高度取向,優(yōu)先平行于纖維軸的兩向亂層石墨結(jié)構(gòu)結(jié)晶所構(gòu)成。碳纖維的密度和結(jié)晶密度分別為1.74~1.86g/cm3和2.03~2.21g/cm3。力學(xué)性能：分為通用型（拉伸強(qiáng)度低于1.4GPa，拉伸模量小于140GPa），高強(qiáng)型（HS，拉伸強(qiáng)度3~7GPa）和高模型（HM，拉伸模量300~900GPa）2021/2/711聚丙烯腈基碳纖維結(jié)構(gòu):有高度取向,優(yōu)先平行于纖維軸的兩向亂層PAN基碳纖維工藝流程2021/2/712PAN基碳纖維工藝流程2021/2/712二瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維是一種以石油瀝青或煤瀝青為原料,經(jīng)瀝青的精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92％的特種纖維。因其具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞、抗蠕變導(dǎo)電與導(dǎo)熱等優(yōu)良性能，是一種屬于軍民兩用的高技術(shù)纖維。2021/2/713二瀝青基碳纖維瀝青基碳纖維是一種以石油瀝青或煤瀝青為原料,制造工藝流程各向同性瀝青→瀝青纖維→不熔化→碳化→通用型碳纖維液晶瀝青→瀝青纖維→不熔化→碳化、石墨化→高性能碳纖維2021/2/714制造工藝流程各向同性瀝青→瀝青纖維→不熔化→碳化→通用型碳纖三粘膠基碳纖維性能:密度在1.52~1.53g/cm3;石墨層間距大,取向低，耐燒蝕；熱穩(wěn)定性好，石墨化程度低，熱傳導(dǎo)率低，是隔熱及防熱的好材料；生物相容性好。用途：柔性電熱制品、高溫的保溫和絕熱材料，活性碳纖維和醫(yī)療衛(wèi)生材料。2021/2/715三粘膠基碳纖維性能:密度在1.52~1.53g/cm3;石制造工藝流程粘膠原絲→加捻→穩(wěn)定化浸漬→干燥、預(yù)氧化→低溫碳化→卷繞→高溫碳化→表面處理→絡(luò)筒→碳纖維制品2021/2/716制造工藝流程粘膠原絲→加捻→穩(wěn)定化浸漬→干燥、預(yù)氧化→低溫碳粘膠基碳纖維的成型機(jī)理化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在600℃之前,脫水和熱裂過程主要可粗略地劃為四個(gè)階段:(1)第一階段(25~150℃)主要脫掉物理吸附的水分。粘膠纖維物理吸附的水分大約在10%~14%之間,低溫脫除掉這些水分有利于高溫脫除結(jié)構(gòu)水。(2)第二階段(150~240℃)主要是分子結(jié)構(gòu)內(nèi)脫水,生成含有羰基、酮基、烯醇基或羧基的鏈段(片)。(3)第三階段(240~400℃)為激烈反應(yīng)區(qū),主要有兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。一是1,4-苷鍵熱裂生成脫水環(huán),1,6-脫水生成左旋葡萄糖,并在較高溫下轉(zhuǎn)化為焦油;二是脫水纖維素環(huán)進(jìn)一步深層次地脫水生成脫水纖維素,環(huán)內(nèi)熱穩(wěn)定性差的C-C鍵和C-O鍵熱裂生成碳四殘鏈。(4)第四階段(400~700℃)進(jìn)行碳四殘鍵的芳構(gòu)化,縮聚為六碳原子的石墨層片。當(dāng)溫度高于700℃,縮聚層面迅速增大，排布逐漸有序化，轉(zhuǎn)化為亂層石墨結(jié)構(gòu)。2021/2/717粘膠基碳纖維的成型機(jī)理化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在600℃之前,脫水和第二節(jié)芳香族聚酰胺纖維美國杜邦生產(chǎn)的Kevlar,Nomex日本帝人公司的Technora,Connex荷蘭阿克蘇生產(chǎn)的Twara我國的芳綸纖維。2021/2/718第二節(jié)芳香族聚酰胺纖維美國杜邦生產(chǎn)的Kevlar,Nome一芳香族聚酰胺纖維的結(jié)構(gòu)式2021/2/719一芳香族聚酰胺纖維的結(jié)構(gòu)式2021/2/719二、聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維(PPTA)PPTA合成:工業(yè)生產(chǎn)使用低溫溶液縮聚和界面縮聚的方法,由芳香族二胺與芳香族酰氯，在聚酰胺型溶劑體系中合成。如：低溫溶液縮聚法制備PPTA時(shí)，以對(duì)苯二甲酰氯(TCL)和對(duì)苯二胺（PPD)為單體，N-甲基吡咯烷酮(NMP)-CaCl2體系為縮聚溶劑。2021/2/720二、聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維(PPTA)PPTA合成:工業(yè)生低溫溶液縮聚工藝示意圖2021/2/721低溫溶液縮聚工藝示意圖2021/2/721PPTA纖維成型工藝以PPTA硫酸紡絲溶液（溶致性液晶溶液）采用干噴濕紡的液晶紡絲方法。2021/2/722PPTA纖維成型工藝以PPTA硫酸紡絲溶液（溶致性液晶溶液）工藝條件PPTA質(zhì)量分?jǐn)?shù)在18~22%之間,溶液溫度90~120℃;低溫凝固浴溫度0~5℃，紡絲速度200~800m/min。2021/2/723工藝條件PPTA質(zhì)量分?jǐn)?shù)在18~22%之間,溶液溫度90~1三聚間苯二甲酰間苯二胺（MPIA纖維）我國稱為芳綸1313、美國稱為諾曼克斯（Nomex);性能:優(yōu)良的耐高溫性和難燃性；加工性能與棉花相似。2021/2/724三聚間苯二甲酰間苯二胺（MPIA纖維）我國稱為芳綸1313（一）MPIA的合成采用界面縮聚法和低溫溶液縮聚法,由間苯二胺(MPD)和間苯二酰氯(ICL)縮合反應(yīng)而得。界面縮聚:將ICL溶于四氫呋喃(THF)中，然后把溶有ICL溶液加入溶有MPD的碳酸鈉水溶液中去，在水和有機(jī)相界面立即發(fā)生縮聚反應(yīng)，生成白色的MPIA。低溫溶液縮聚：MPD溶解在DMAc中再攪拌下加入間苯二酰氯，先在低溫下反應(yīng)，并逐步升溫到50~70℃聚合。2021/2/725（一）MPIA的合成采用界面縮聚法和低溫溶液縮聚法,由間苯二（二）紡絲成型工藝MPIA纖維可采用干法紡絲和濕法紡絲兩種方法制備。也可采用干濕法紡絲。干法和干濕法一般適合紡制長絲,噴絲孔數(shù)少，紡速高，纖維質(zhì)量好，但設(shè)備復(fù)雜，成本高;濕法紡絲噴絲孔數(shù)30000以上，設(shè)備簡(jiǎn)單，產(chǎn)量高，適宜MPIA短纖生產(chǎn)。2021/2/726（二）紡絲成型工藝MPIA纖維可采用干法紡絲和濕法紡絲兩種方用途諾梅克斯也是一種芳綸纖維,用于制作防火衣、太空衣、烘干機(jī)用毯、輸送帶等。2021/2/727用途2021/2/727第三節(jié)芳香族雜環(huán)類纖維2021/2/728第三節(jié)芳香族雜環(huán)類纖維2021/2/7282021/2/7292021/2/729一聚對(duì)苯亞基苯并雙惡唑纖維(PBO)PBO的商品名定為Zylon;PBO纖維的模量比Kevlar-149高一倍以上,纖維的結(jié)晶彈性模量已達(dá)到理論值的70%；耐熱性能好，強(qiáng)度、模量高。2021/2/730一聚對(duì)苯亞基苯并雙惡唑纖維(PBO)PBO的商品名定為Zy（一）PBO的合成工藝2021/2/731（一）PBO的合成工藝2021/2/731PBO纖維成型工藝15%(wt)PBO的多聚磷酸（PPA）溶液,采用干濕法液晶紡絲裝置，空氣層為20mm，稍有噴絲頭拉伸。2021/2/732PBO纖維成型工藝15%(wt)PBO的多聚磷酸（PPA）溶二聚苯并咪唑(PBI)纖維性能:耐高溫性、阻燃性、尺寸穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性,穿著舒適性等;耐腐蝕性能突出。用途：可加工成機(jī)織物、針織物及非織造布等，如宇航服、飛行服、飛船中的密封墊；石棉替代材料。2021/2/733二聚苯并咪唑(PBI)纖維性能:耐高溫性、阻燃性、尺寸穩(wěn)定（一）合成方法在多聚磷酸中溶液縮聚;在熔融的二苯砜中反應(yīng)縮聚；用固相縮聚法生產(chǎn)PBI,可直接溶解成紡絲原液紡絲。2021/2/734（一）合成方法在多聚磷酸中溶液縮聚;2021/2/734（二）PBI纖維的成型工藝2021/2/735（二）PBI纖維的成型工藝2021/2/735第四節(jié)超高分子量聚乙烯纖維性能:比強(qiáng)度最高的纖維;熔點(diǎn)低,耐沖擊性能特別好，在防彈紡刺產(chǎn)品上用途廣泛；常與其它高性能纖維作復(fù)合材料。但存在熔點(diǎn)低、不耐高溫、無極性基團(tuán)、不易粘接的缺點(diǎn)。生產(chǎn)廠商：目前除荷蘭、美國、日本能生產(chǎn)UHMWPE纖維外，國內(nèi)已經(jīng)有十余家企業(yè)能夠工業(yè)化生產(chǎn)。用途：除用作軍、警用防彈背心、頭盔、防彈插板外，還用于防切割手套、繩索、魚網(wǎng)、釣魚線和其它休閑用具。2021/2/736第四節(jié)超高分子