“超纖維”具有超過普通纖維的性能：①?gòu)?qiáng)度、 彈性模量很高；②耐熱性優(yōu)。狹義的定義是：①拉伸斷裂強(qiáng)度2GPa以上；②拉伸初始彈性模量 50GPa以上。本文介紹了幾種高強(qiáng)度、高彈性模量纖維的制備及其特性。

1、纖維的結(jié)構(gòu)

1.1纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)

表1列出了從纖維的分子結(jié)構(gòu)求出的理論強(qiáng)度 （極限強(qiáng)度）和理論彈性模量（極限彈性模量），以及市售纖維的強(qiáng)度和彈性模量。普通纖維的強(qiáng)度只有其極限強(qiáng)度的7%以下；除聚甲醛(POM)纖維外，普通纖維的彈性模量都是在其極限彈性模量的40%以下，這說明分子結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點(diǎn)尚未充分發(fā)揮出來。

造成上述結(jié)果是由于纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。“超纖維”的理想結(jié)構(gòu)應(yīng)如圖1(c)所示，纖維從一 端到另一端以—個(gè)分子連接，而且分子是直線狀致 密排列狀態(tài)，這時(shí)的強(qiáng)度和彈性模量即為纖維的極限強(qiáng)度和極限彈性模量。而實(shí)際看到的纖維形態(tài) 【圖1 (b)】是分子鏈成柬形成微原纖，微原纖成束 形成原纖，原纖再成柬而形成纖維。微原纖內(nèi)的分子鏈不全是直線狀排列，也有折疊【圖1 (a)】，這部分分子間作用力弱，成為缺陷。另外，微原纖的末端及原纖的末端也成為缺陷。由于缺陷的存在， 因此纖維的強(qiáng)度只是其極限強(qiáng)度的7%以下。

為制成“超纖維”，必須提高極限強(qiáng)度或極限彈性模量的達(dá)到率。

1.2“超纖維”的分子設(shè)計(jì)

為接近圖1(c)那樣的狀態(tài)，希望分子結(jié)構(gòu)的狀態(tài)如下：①構(gòu)成主鏈的鍵牢固；②分子鏈的構(gòu)象接近直鏈；③分子鏈的占有面積小。

首先，極限強(qiáng)度是由分子的鍵斷裂決定的，因此必須使分子鍵有強(qiáng)的結(jié)構(gòu)。表2列出了各分子鍵的鍵合能。與C_ 、C__N單鍵相比，C=C、C=N 雙鍵的鍵合能較強(qiáng)，因此最好要構(gòu)建含雙鍵多的結(jié)構(gòu)。

 

表2 鍵合能

鍵合	鍵合能/(kJ·mol-1 )
C-c	83
C= C	146
C≡C	200
C— 0	86
C— N	73
C= N	l47

其次，分子鏈的構(gòu)象要接近直線狀。構(gòu)象是連接原子和原子的鍵可旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。單鍵容易旋轉(zhuǎn)， 而雙鍵不旋轉(zhuǎn)，因此具有雙鍵的分子呈直線狀。在主鏈上有芳香環(huán)的分子，如果有與此共價(jià)的鍵，則主鏈的構(gòu)象受到抑制，呈直線狀。

另外，在側(cè)鏈上沒有大的官能基團(tuán)。一個(gè)分子鏈的長(zhǎng)度方向的截面積小，即單位體積中的分子鏈數(shù)多，分子鏈可高密度填充。

1．3 “超纖維”的結(jié)構(gòu)

按上述的設(shè)想，生產(chǎn)出代表性的高強(qiáng)度纖維有如下幾種。

(1)UHMWPE纖維，代表產(chǎn)品Dyneema，分子結(jié)構(gòu)如下：

(2)芳香族聚酰胺纖維，有對(duì)位芳香族聚酰胺纖維和共聚型芳族聚酰胺纖維。對(duì)位芳香族聚酰胺纖維，代表產(chǎn)品Kevlar、Twaron，分子結(jié)構(gòu)如下：

共聚型芳香族聚酰胺纖維，代表產(chǎn)品Technora，分子結(jié)構(gòu)如下：

(3)PBO纖維，代表產(chǎn)品Zylon，分子結(jié)構(gòu)如下：

(4)芳香族聚酯纖維，代表產(chǎn)品Vectran@， 分子結(jié)構(gòu)如下：

Dyneema是彎曲性高分子，而Kevlar、Twaron、Technora、Zylon及Vectran都是在主鏈上有芳香環(huán)，由于與酰胺基、酯基共價(jià)鍵結(jié)合，分子呈平面直線狀，是液晶剛直性高分子。按這樣的分子設(shè)計(jì)，得到的極限強(qiáng)度和極限彈性模量及目前實(shí)際的強(qiáng)度和彈性模量如表1所示。

 

表1 極限強(qiáng)度、彈性模量和市售纖維的達(dá)到率

纖維	聚合物種類	極限強(qiáng)度/GPa	市售纖維強(qiáng)度/GPa	達(dá)到率/%	極限彈性模量/GPa	市售纖維彈性模量/GPa	達(dá)到率/%
超纖維	超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙酸（UHMWPE）	32	2.60～3.50	8.1～10.8	240	86.0～173.0	36～72
	芳香族聚酰胺	30	2.80～3.60	9.3～11.9	183	50.0～134.0	27～73
	芳香族聚酯		3.00～3.70		130	62.0～110.0	48～63
	聚對(duì)苯撐苯并雙雙噁唑（PBO）	59	5.50	9.3	480	180.0～280.0	37～58
普通纖維	聚乙烯（PE）	32	0.77	2.4	240	86.4	36
	聚丙烯（PP）	18	0.74	4.1	34	9.5	28
	聚酰胺6（PA6）	32	0.96	3.0	142	5.7	4
	聚酯（PET）	28	1.15	4.1	125	20.0	16
	聚乙烯醇（PVA）	27	1.30～1.70	4.7～6.4	255	26.0～45.0	10～17
	POM	33	1.52	4.6	53	38.7	73

2 、“超纖維"的制造方法

“超纖維”的熔點(diǎn)或分解溫度如表3所示。

 

表3 各種“超纖維” 的熔點(diǎn)或分解溫度

纖維	熔點(diǎn)或分解溫度/℃
Dyneema	150
Kevlar、Twamn	500
Technora	500
Zylon	650
Vectran	320

Dyneema@熔點(diǎn)150度，但相對(duì)分子質(zhì)量大， 熔融黏度高，不能用PET那樣的熔融紡絲方法制 造。Kevlar⑥、TwarOn⑥、Technora⑧及Zylon⑧由于沒有熔點(diǎn)，也不能用熔融紡絲法制造。用熔融紡絲 法的只有Vectran@。

2．1 UHMWPE纖維的制造方法UHMWPE纖維是在凝膠紡絲后經(jīng)超倍拉伸而制得的。UHMWPE溶解于十氫萘等溶劑制成準(zhǔn)稀溶 液，保留拉伸所需的最低限度分子間絡(luò)合，將溶液從噴嘴擠出，驟冷使分子間的絡(luò)合固定，在熔點(diǎn)附近溫度高倍拉伸，使分子折疊及分子間絡(luò)合減少。

2．2 芳香族聚酰胺纖維、PBO纖維的制造方法芳香族聚酰胺纖維及PBO纖維等液晶剛直性高分子是用干噴濕紡紡絲法隙式)制得的圖2)。 樹脂溶解于溶劑，剛直性大分子的方向很混亂，但通過噴嘴的細(xì)孔時(shí)，大分子在纖維軸方向平行排列。經(jīng)氣隙法冷卻、凝固，大分子處于高度取 =向狀態(tài)，沒有必要進(jìn)行拉伸。

2．3 芳香族聚酯纖維的制造方法

芳香族聚酯也是液晶性高分子，但可通過熔融紡絲法制取。在熔融狀態(tài)熔體通過噴嘴的細(xì)孔 =時(shí)，大分子取向，但此時(shí)強(qiáng)度不夠，需再經(jīng)固相聚 合提高強(qiáng)度。

3 “超纖維"的特性

“超纖維”不僅是高強(qiáng)度、高彈性模量，而且具有各種特性(見表4)。

 

表4 各種“超纖維”的特性

纖維	UHMWPE纖維	對(duì)位芳香族聚酰胺纖維	PBO纖維	芳香族聚酯纖維
密度／(g·cm-3)	0.97	1.44	1.56	1.41
含水率／％		7.0	0.60	0.05
LOI/％		29	68	28
高強(qiáng)度	o	0	0	0
高彈性模量	o	0	0	0
耐熱性		0	0	0
耐沖擊性	o	0	0
低密度	o
耐磨性	o
耐化學(xué)試劑性	o
耐氣候性	o
耐酸性				0
低伸長(zhǎng)				0
低蠕變性			0	0
低吸濕性			0	0
振動(dòng)衰減性				0

UHMWPE纖維耐熱性差，但密度小、質(zhì)量輕，耐化學(xué)試劑性能也優(yōu)。對(duì)位芳香族聚酰胺纖維、PBO纖維、芳香族聚酯纖維由于有芳香族環(huán)，吸收紫外線后，強(qiáng)度降低很大，耐氣候性差。芳香族聚酯纖維具有聚酯結(jié)構(gòu)，因此耐酸性優(yōu)。PB0纖維、 芳香族聚酯纖維由于低吸濕性，可在低溫下使用。利用這些纖維特性的應(yīng)用列在表5中。

 

表5 各種“超纖維” 的應(yīng)用

UHMWPE纖維	對(duì)位芳香族聚酰胺	PB0纖維	芳香族聚酯纖維
繩纜	繩纜	繩纜	繩纜
防護(hù)服	防護(hù)服	防護(hù)服	防護(hù)材
釣魚絲	防彈服	防彈服	漁網(wǎng)
漁網(wǎng)	傳動(dòng)帶	傳動(dòng)帶	電材
運(yùn)動(dòng)用品	輪胎簾子線	帆布	功能紙
休閑用品	飛機(jī)上應(yīng)用材料

“超纖維”正廣泛用于高強(qiáng)度繩纜、防護(hù)材料。不同纖維的特性有不同用途，詳細(xì)情況可參照各企業(yè)的主頁(yè)介紹。

“超纖維”也有弱點(diǎn)，如染色性、耐氣候性差， 因此很難像普通纖維那樣用分散染料或陽離子染料染色，可以采用將顏料混于樹脂的原液著色法，因而色澤選擇受限。

對(duì)于耐氣候性差的弱點(diǎn)，可采用表面涂層的方法等來解決。

結(jié)語

為發(fā)揮“超纖維”的性能，進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，采用革新的制造方法。各種纖維都有優(yōu)缺點(diǎn)，但由于它們質(zhì)量都較輕，今后有望替代金屬纖維，那時(shí)要按用途進(jìn)行最適合的選用。另外，也期待對(duì)現(xiàn)有“超纖維”的改進(jìn)及再有新的“超纖維”出現(xiàn)使市場(chǎng)發(fā)展。

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