・54・2005年2月
高性能纤维性能分析
章 伟 李 虹
(中原工学院 河南郑州 450007)
摘 要:分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双 唑
(PBO)纤维和M5纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况关键词:高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;中图分类号:TS1021528 文献标识码:A --0054-04
高性能纤维(High2PerformanceFibers)20世纪60,20世纪70年代出现,具有,高取向度,且分子间距很近,使纤维具备高强高模的特征,其密度具有0197g/cm3,是唯一能浮在水面上的高强高模纤维。除此之外,其他机械性能亦比较突出,如良好的韧性和耐疲劳性能,耐高速冲击性等。114 芳香族聚酰胺纤维
20世纪70年代,人们开始从事液晶态纺丝技
、耐磨擦、高
的耐破坏力、低比重(m3)等优良物性的纤维材料,它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维可用于防弹服、蹦床布等特种织物的加工及纤维复合材料中的加固材料,其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双 唑(PBO)纤维、M5纤维等高性能纤维的特性以及它们的应用状况。1 高性能纤维111 高性能纤维分类
术的研究,用于纺制高性能纤维,与普通纺丝的分子结构截然不同,液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构
。
无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。
有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双 唑(PBO)纤维、M5纤维等。112 碳纤维
图1 液态高聚物分子的构型示意图
(a)为典型普通大分子,为无规则线团;(b)为刚性大分子,
碳纤维的生产始于20世纪60年代末70年代初,由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、粘胶纤维或沥青纤维经预氧化、炭化和石墨化加工而成。碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度大、模量高等优良性能,如日本东丽公司生产的T—400碳纤维,拉伸强度可达412GPa,断裂伸长率为115%。碳纤维不燃烧,化学性能稳定,不受酸、盐等溶媒侵蚀。
113 超高强聚乙烯纤维
收稿日期:2004-10-19
作者简介:章 伟(19622)女,中原工学院高级讲师。
在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状
液晶;(d)为向列型液晶
芳香族聚酰胺是最为人所熟知的,通过液晶纺丝纺制的高性能纤维,如Kevlar(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)、Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、Technora(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)等,如图3所示,为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较均衡,具有高强伸性能,高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性,不导电,除了强酸和强碱外,具有较强的抗化学性能。
北京纺织 第26卷 第1期・55・
表1 PBO纤维的性能
性能密度(g/cm3)
抗拉强度(GPa)拉伸模量(GPa)断裂延伸率(%)
)热分解温度(℃
LOI(%)
PBO-AS[***********]
PBO-HM[***********]
表2 PBO纤维与其他纤维的主要性能比较
性能
PBO-HM1156215650
Kevlar-[***********]50
宇航级碳纤维
[**************]
图2 液晶和普通高聚物在
成形工中的取向
密度(g・cm3)
m)纤维直径
Gpa)())
)(℃
—
聚合物:聚[2,5
Ο二羟基Ο1,4Ο苯撑吡啶并二咪
唑],简称“M5”或PIPD,化学结构为:
图3 芳香族聚酰胺晶体结构图
115 聚对苯撑苯并双 唑(PBO)纤维
1998年国际产业纤维展览会上,日本东洋纺
M5纤维的结构与PBO分子相似———刚棒结
展出了商品名为Zylon的PBO纤维,其化学名为
聚对苯撑苯并双 唑,化学结构为
:
构。在M5分子链的方向上存在大量的ΟOH和ΟNH基团,容易形成强的氢键。如图4所示,与芳香族聚酰胺晶体结构不同,M5在分子内与分子间都有氢键存在,形成了氢键结合网络。
图4 为M5纤维沿分子链轴方向的晶体结构,虚线为氢键。
PBO纤维采用液晶纺丝法纺丝,由苯环和苯
杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高取向度,决定了它的优良性能。PBO初纺普通丝(AS丝-标准型)就具有315N/tex以上的强度和10184N/tex以上弹性模量,经热处理后可得到强度不变、模量达17614N/tex的高模量丝(HM丝Ο高模量型)。PBO作为一种新型高性能纤维,具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性4大特点,其强度与模量相当于Kevlar(凯夫拉)的2倍,限氧指数(LOI)为68,热分解温度高达650℃,在有机纤维中为最高,被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。116 M5纤维
PBO纤维推出的几年后,阿克卓・诺贝尔(AkzoNobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂环
图4 M5晶体结构
比较图3与图4可以清楚地看出,M5大分子
所形成的双向氢键结合的网络,类似一个蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用,使M5纤维具有良好的压缩与剪切特性,压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。
・56・2005年2月
2 高性能纤维特性分析比较
碳纤维石墨层面上碳Ο碳共价交键的存在,使作用于碳纤维上的应力,从一个石墨层转移到相邻层面,这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。但这些共价键为纯弹性键,一旦被打破,不可复原,即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时,应力—应变曲线是线性关系,纤维断裂是突然发生的。
有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述,超高强聚乙烯纤维、PBO纤维都具有优良的性能,但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱的范德华键,使其纤维易产生蠕变,压缩强力较低,另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘合性有限,用作加固纤维。而PBO形成氢键结合、作用力较弱,能较低,较差,,有明显的界面层,从而影响也限制了PBO的应用。
芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构,使其具有高强伸性能,也是由于大分子链间弱的作用力(范德华键),造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形,薄片相对容易断开,在严重过载时会出现原纤化,最终导致压缩失效。
分子链间结合键以M5比较理想,在M5大分子间和大分子内的N—H—O和O—H—N的双向氢键结构,是其具有高抗压性能的原因所在,热处理后的M5纤维,拉伸模量可达360GPa,拉伸强度超过4GPa,剪切模量和抗压强度可达7GPa和117GPa。此外M5大分子链上含有羟基,使它与树脂基体的粘结性能优良,采用M5纤维加工复合材料产品时,无需添加任何特殊的粘合促进剂,且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示,以M5为加固纤维的复合材料,在压缩过载的情况下,测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷,
接近,极限氧指数(LOI)为59,在阻燃性方面也优于芳纶
。
图5
图6 M5纤维料测试条的失效
表1为几种高性能纤维力学及物理特性。
表1 高性能纤维的力学和物理特性
特 性抗拉强度
(GPa)
高模量芳高模量高强度超高强聚高模量
香族聚酰M5纤维
碳纤维乙烯纤维PBO纤维
(实验值)胺纤维
[***********]1180010
[1**********]
[***********]14531529
[***********]15601668
[***********]17021059
伸长率(%)
拉伸模量
(GPa)
压缩强度
(GPa)
——
0197
压缩应变
(%)
密度(克/
cm3)
标准回潮率
(%)
——
限氧指数
(LOI)
与之相比,碳纤复合材料会粉碎,而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图5、图6分别为一个碳纤维和一个M5纤维复合材料的失效测试条,显示了脆性与韧性失效之间的明显差异。此外,M5纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性,空气中热分解温度达到了530℃,超过了芳香族聚酰胺纤维,与PBO
—
空气中热老化起始温度(℃)
[**************]
从表1看,M5纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维,为综合性能优良的高性能纤维。
北京纺织 第26卷 第1期・57・
3 应用与前景
目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳香族聚酰胺纤维常见的品种Kevlar、Twaron、Technora纤维等,主要应用有作为复合材料的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料,应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品,还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO纤维从问世以来就受到人们的关注,面的加固补强材料、,防护的防弹服、防弹头盔、温传动带、、架桥用缆绳、耐热垫材等与各种高性能纤维相比,M5纤维的综合性能更优越,这使得它的应用领域更广泛。尤其是M5纤维的抗冲击力和耐破坏性,使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用前景,如应用于航空航天等高科技领域,在高性能纤维增强复合材料中M5也具有很强的竞争力。当前M5纤维的研究
比较活跃,随着研究的深入,其性能和应用将得到不断的提高和拓展。
高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步,随着世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展,以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的迫切需要,高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。
参考文献
[1]王善元等1[M]1上海:中国纺织大
学出版社,1998,11～1
[2]1:东华大学出版社,
42“M5”概述[J]1上海纺织科技,
3):131
]1世界高性能纤维现状[J]1化工新型材料,
2002,29(5):11
[5]DoetzeJ1Sikkema,MauritsG1Noftholt,BelmalnPourdey2
himi,AssessmentofNewHigh2PerformanceFibersforAd2vancedApplications[J]1MRSBULLETIN2003,281[8]:5791[6]姚 穆等1纺织材料学[M]1北京:中国纺织出版社,
2000,第二版,194～2021
[7]肖长发等1化学纤维概论[M]1北京:中国纺织出版社,
2003,255～3031
[8]张化鹏1超高性能PBO纤维Zylon的结构、力学性能及
应用[J]1产业用纺织品,2001,19(2):38～411
Performanceanalysisofnovelhigh2performancefibers
ZHANGWei LIHong
(ZhongYuanInstituteofTechnology,Henan450007,China)
Abstract:Importantpropertiesandapplicationsofseveralhigh2performancefibers,includingpolythylene,aramid,polybenzobisoxazole(PBO),M5,andcarbonfibersarediscussed.
Keywords:high2performancefibers;advancedcomposites;molecularstructure;importantspecialty;application
节约用水 人人有责