第九章-高性能纖維課件

1、第九章 高性能纖維第一節(jié) 概述什么是高性能纖維？高性能纖維是近些年來纖維高分子材料領(lǐng)域發(fā)展迅速的一類特種纖維，它是具有高強度、高模量、耐高溫、耐氣候、耐化學(xué)試劑等所謂高物性纖維的統(tǒng)稱。高性能纖維是國防建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展的重要材料。高強高模型碳纖維、芳綸1414、高強高模聚乙烯纖維。耐高溫型 芳綸1313、芳砜綸、聚苯硫醚纖維（PPS）、玄武巖纖維等。國外高性能纖維產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速。芳綸：2005年全世界總產(chǎn)能是4.6萬噸，而2007年則達到了5.4萬噸，增長了39。碳纖維：2005年全世界總產(chǎn)能是3.5萬噸，而2007年是5.1萬噸，增長了46。高強高模聚乙烯纖維：2005年全世界總產(chǎn)能是6

2、500噸，2007年達到了1.1萬噸，增長了69（已含我國）。現(xiàn)全世界高性能纖維的總產(chǎn)能約20萬噸，雖然只占化纖總產(chǎn)能的0.5%，但它的戰(zhàn)略意義、重要性以及銷售額和利潤都是極大的。 發(fā)展迅速的主要原因：1.政治和軍事方面中東戰(zhàn)亂及國際形勢在一些地方趨于緊張，有關(guān)各國紛紛戰(zhàn)備，使高性能纖維材料的需求量激增，用于作戰(zhàn)飛機、火箭、導(dǎo)彈、裝甲防護材料等領(lǐng)域。 2.在工業(yè)應(yīng)用方面對新材料需求增加，高性能纖維的復(fù)合材料在飛機、能源、建筑、環(huán)保、海洋產(chǎn)業(yè)等的應(yīng)用迅速增長。在運動休閑器材方面也在增加。 高性能纖維在國防領(lǐng)域的應(yīng)用（導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星、士兵防護、裝甲防護、戰(zhàn)斗機、艦艇等）高性能纖維在國民經(jīng)濟領(lǐng)域的

3、應(yīng)用（航空、風(fēng)能發(fā)電、汽車輕量、海洋產(chǎn)業(yè)、環(huán)保、建筑、工業(yè)器材等） 第二節(jié) 碳纖維一、碳纖維概念是一種強度比鋼大（重量是鋼鐵的1/4而強度是其10倍）、密度比鋁小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電，具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。碳纖維是一種纖維狀碳材料。由有機纖維或低分子烴氣體原料在惰性氣氛中經(jīng)高溫（1500C）碳化而成的纖維狀碳化合物，其碳含量在90%以上。碳纖維是一種性能優(yōu)異、應(yīng)用廣泛的新材料，號稱“材料之王”碳纖維的優(yōu)點：強度和模量高、密度??；具有很好的耐酸性；熱膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值；具有很好的耐高溫蠕變性能，一般在1900以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形；

4、摩擦系數(shù)小、潤滑性好、導(dǎo)電性高；具有纖維般的柔曲性，比強度和比模量超過一般的增強纖維；它和樹脂形成的復(fù)合材料的比強度和比模量比鋼和鋁合金還高3倍。碳纖維的缺點：價格昂貴，比玻璃纖維貴25倍以上?？寡趸芰^差，在高溫下有氧存在時會生成二氧化碳。20世紀(jì)50年代，美國研發(fā)大型火箭和人造衛(wèi)星以及全面提升飛機性能，急需新型結(jié)構(gòu)材料及耐腐蝕材料，使碳纖維重新出現(xiàn)在新材料的舞臺上，并逐步形成了黏膠基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維的三大原料體系。二、碳纖維的制造方法氣相法在惰性氣氛中將小分子有機物（如烴或芳烴等）在高溫下沉積成纖維。此法用于制造晶須或短纖維，不能用于制造長絲。有機纖維碳化法將有機纖

5、維經(jīng)過穩(wěn)定化處理變成耐焰纖維，然后再在惰性氣氛中于高溫下進行焙燒碳化，使有機纖維失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳為主要成分的纖維狀物。此法用于制造連續(xù)長絲。聚丙烯腈（PAN）基碳纖維PAN原絲制備碳纖維的過程分為三個階段：預(yù)氧化：200300的氧化氣氛中，原絲受張力情況下進行。PAN基碳纖維制備過程中化學(xué)反應(yīng)示意圖PAN原絲進行預(yù)氧化處理的原因：PAN的Tg低于100，分解前會軟化熔融，不能直接在惰性氣體中進行碳化。先在空氣中進行預(yù)氧化處理，使PAN的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的梯形六元環(huán)結(jié)構(gòu)，就不易熔融。另外，當(dāng)加熱足夠長的時間，將產(chǎn)生纖維吸氧作用，形成PAN纖維分子間的化學(xué)鍵合。碳化：在400190

6、0的惰性氣氛中進行，碳纖維生成的主要階段。除去大量的氮、氫、氧等非碳元素，改變了原PAN纖維的結(jié)構(gòu)，形成了碳纖維。碳化收率4045，含碳量95%左右。碳化后的PAN纖維石墨化在25003000的溫度下，密封裝置，施加壓力，在保護氣體中進行。目的是使纖維中的結(jié)晶碳向石墨晶體取向，使之與纖維軸方向的夾角進一步減小以提高碳纖維的彈性模量。碳纖維的表面處理目的：提高碳纖維增強復(fù)合材料中碳纖維與基體的結(jié)合強度。途徑：清除表面雜質(zhì)；在纖維表面形成微孔或刻蝕溝槽，從類石墨層面改性成碳狀結(jié)構(gòu)以增加表面能；引進具有極性或反應(yīng)性官能團；形成能與樹脂起作用的中間層。碳纖維的結(jié)構(gòu)模型Polymer Matrix Co

7、mposites，PMC 普通型 高強度型 高彈性模量型 生產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維不采用民用腈綸，而是采用特殊組分且性能優(yōu)良的專用PAN基纖維。PAN原絲經(jīng)一系列熱處理后，由有機合成纖維轉(zhuǎn)化為含碳量在92以上的無機碳纖維。聚丙烯腈基碳纖維是力學(xué)性能最佳、應(yīng)用面最廣、需求量最大、發(fā)展最快的碳纖維。瀝青基碳纖維分為兩大類：一類是通用級，由各向同性瀝青制造纖維；另一類是高性能級，由各向異性中間相瀝青制造纖維。以瀝青纖維為原料時碳化得率高達 8090成本最低是正在發(fā)展的品種。瀝青基碳纖維制備工藝示意圖瀝青基碳纖維制備過程中化學(xué)反應(yīng)示意圖粘膠基碳纖維三、碳纖維的分類根據(jù)使用要求和熱處理溫度的不同碳纖維分為耐

8、燃纖維碳纖維和石墨纖維。例如 300350 熱處理時得耐燃纖維10001500 熱處理時得碳纖維含碳量為 9095碳纖維經(jīng) 2000以上高溫處理可以制得石墨纖維含碳量高達 99以上。 按力學(xué)性能可將碳纖維分成高強度碳纖維、高模量碳纖維和普通碳纖維。四、碳纖維的用途航天工業(yè) 用作導(dǎo)彈防熱及結(jié)構(gòu)材料如火箭噴管、鼻錐、大面積防熱層；航天飛機機頭，機翼前緣和艙門等制件。大推力、高涵道比渦扇發(fā)動機大量運用了復(fù)合材料或鈦合金空心寬弦葉片、整體葉盤。衛(wèi)星構(gòu)架、天線、太陽能翼片底板、衛(wèi)星-火箭結(jié)合部件。哈勃太空望遠鏡的測量構(gòu)架，太陽能電池板和無線電天線。 CFRP在空間站大型結(jié)構(gòu)以及太陽能電池支架中的應(yīng)用碳纖

9、維制衛(wèi)星天線空間工作站碳纖維/環(huán)氧樹脂碳纖維/芳綸/環(huán)氧樹脂玻璃纖維增強塑料芳綸/杜邦聚酰胺芳綸/泡沫芯板碳纖維/杜邦聚酰胺航空工業(yè) 用作主承力結(jié)構(gòu)材料，如主翼、尾翼和機體；次承力構(gòu)件，如方向舵、起落架、副翼、擾流板、發(fā)動機艙、整流罩及座板等，此外還有C/C剎車片。機身材料的50為碳纖維復(fù)合材料美國B-2隱形轟炸機除主體結(jié)構(gòu)是鈦復(fù)合材料外，其它部分均由碳纖維和石墨等復(fù)合材料構(gòu)成，不易反射，表面具有良好的吸波性能。目前商用飛機上復(fù)合材料僅占全機重量的50%，而某些直升機早已達到90%。荷蘭計劃研發(fā)新型綠色環(huán)保飛機，外形將酷似飛碟，另一個設(shè)想就是使用復(fù)合材料，如纖維增強塑料。這種復(fù)合材料強度可與金

10、屬媲美，而重量卻比金屬輕得多，因此可以節(jié)省燃油。中國自研大飛機面臨發(fā)動機與復(fù)合材料兩大難題國防軍工復(fù)合材料軍用吉普車玻璃纖維/碳纖維增強樹脂、美洲輕木、泡沫交通運輸 用作汽車傳動軸、板簧、構(gòu)架和剎車片等制件；海底電纜、潛水艇、雷達罩、深海油田的升降器和管道。 C/C作為剎車盤超級跑車（大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料）船舶和海洋工程用作制造漁船、魚雷快艇、快艇和巡邏艇，以及賽艇的桅桿、航桿、殼體及劃水漿；風(fēng)力發(fā)電葉片目前風(fēng)力發(fā)電葉片用碳纖維基本為美國供應(yīng)。隨著全球性的清潔能源發(fā)展趨勢，我國也陸續(xù)出臺相關(guān)扶持政策，預(yù)計該行業(yè)對碳纖維的需求增長幅度100%-200%，三年后可達到萬噸的用量，主要產(chǎn)品為24K

11、-48K碳纖維。碳纖維在風(fēng)力發(fā)電葉輪中應(yīng)用據(jù)中國氣象科學(xué)研究院預(yù)測的風(fēng)能儲量 我國陸地風(fēng)能理論儲量：32.3億kw 可開發(fā)利用儲量 ：2.53億kw 近?？衫蔑L(fēng)能儲量 ：7億kw 可利用風(fēng)能儲量合計 ：10億kw ，居世界前列使用碳纖維量估算 每臺5000kw風(fēng)力發(fā)電機，葉片長達90米，需用1噸碳纖維 到2010年，新增裝機容量241萬kw，約需500噸碳纖維 到2020年，裝機容量3000萬kw，則需6000噸碳纖維 由此可見，如風(fēng)力發(fā)電的葉片都用碳纖復(fù)合材料，則碳纖用量將達500噸/年。碳纖維用于海上采油平臺結(jié)構(gòu)材料每座海洋石油鉆井平臺約需要14T碳纖維，可以替代80T鋼材。碳纖維抽油桿

12、我國已建成1000米以下的石油鉆井平臺50座以上，還幾乎都沒采用碳纖維。采油專家普遍認(rèn)為，只要解決供貨和價格問題，使用碳纖維更為輕質(zhì)高強，且耐腐蝕，今后一定要應(yīng)用。石油工業(yè)運動器材 用作網(wǎng)球、羽毛球、和壁球拍及桿、棒球、曲棍球和高爾夫球桿、自行車、賽艇、釣桿、滑雪板、雪車等。其中高爾夫球桿、網(wǎng)球拍和釣魚竿是體育用品用碳纖維復(fù)合材料的三大支柱產(chǎn)品，約占該類產(chǎn)品的80%碳纖維自行車碳纖維高爾夫球桿及保齡球滑雪桿土木建筑 幕墻、嵌板、間隔壁板、橋梁、架設(shè)跨度大的管線、海水和水輪結(jié)構(gòu)的增強筋、地板、窗框、管道、海洋浮桿、面狀發(fā)熱嵌板、抗震救災(zāi)用補強材料。 碳纖維構(gòu)件試驗碳纖維片材用于建筑物補強加固碳纖

13、維加固是近年來美日等國家開發(fā)的新型土木建筑結(jié)構(gòu)加固增強技術(shù)利用碳纖維布加固鋼筋混凝土構(gòu)件以提高承載力及延長壽命是目前比較流行的方法，在建筑業(yè)中有著廣泛的發(fā)展前景。 碳纖維補強片材施工流程圖碳纖維瓦碳纖維板2007年5月10日，荷蘭建成世界上最長的碳纖維復(fù)合材料橋。該橋長24.5米，寬5米。其它工業(yè)化工用的防腐泵、閥、槽、罐；催化劑，吸附劑和密封制品等。生體和醫(yī)療器材如人造骨骼、牙齒、韌帶、X光機的床板和膠卷盒。編織機用的劍竿頭和劍竿防靜電刷。其它還有電磁屏蔽、音響、減磨、儲能及防靜電等材料也已獲得廣泛應(yīng)用。膠卷盒音 箱復(fù)合材料被用來預(yù)防受傷，矯正生理機能，和幫助病人復(fù)原。生物醫(yī)學(xué)制品和以體育運

14、動器材為主的碳纖維復(fù)合材料制品第三節(jié) 芳綸纖維芳香族聚酰胺類纖維的通稱。凡聚合物大分子的主鏈由芳香環(huán)和酰胺鍵構(gòu)成，且其中至少85%的酰胺基直接鍵合在芳香環(huán)上，每個重復(fù)單元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接與芳香環(huán)中的碳原子相連接并置換其中的一個氫原子的聚合物纖維稱為芳香族聚酰胺纖維，我國命名為芳綸纖維。耐高溫纖維制成的消防人員的服裝一、芳綸纖維的分類全芳族聚酰胺纖維主要包括對位的聚對苯二甲酰對苯二胺和聚對苯甲酰胺纖維、間位的聚間苯二甲酰間苯二胺和聚間苯甲酰胺纖維、共聚芳酰胺纖維以及如引入折疊基、巨型側(cè)基的其它芳族聚酰胺纖維。雜環(huán)芳族聚酰胺纖維是指含有氮、氧、硫等雜質(zhì)原子的二胺和二酰氯縮聚而成的芳綸

15、纖維，如有序結(jié)構(gòu)的雜環(huán)聚酰胺纖維等。二、芳綸纖維的特點優(yōu)點（例如Kevlar，凱芙拉 ） ：（1）不熔融（2）高溫能保持高強度與高彈性模量（3）耐熱、不易燃燒（4）尺寸穩(wěn)定、幾乎不發(fā)生蠕變（5）耐藥性好，在有機溶劑及油中性能不下降（6）耐疲勞性、耐磨性好（7）對放射性射線的抵抗性大（8）非導(dǎo)電、且誘電性能優(yōu)越（9）與無機纖維相比振動吸收性好、減衰速度快缺點：（1）壓縮性差，壓縮強度僅有不到拉伸強度的1/5（2）紫外線照射時強度大幅下降三、芳綸纖維的結(jié)構(gòu)與特性對位芳香族聚酰胺纖維聚對苯甲酰胺（PBA）纖維中國于80年代初期曾試生產(chǎn)此纖維，定名為芳綸14（芳綸I）。芳綸I的拉伸強度比芳綸II低約2

16、0%，但拉伸模量卻高出50%以上。芳綸I耐熱老化性能好，這些性能用作某些復(fù)合材料的增強劑是很有利的。聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）纖維PPTA纖維是芳綸在復(fù)合材料中應(yīng)用最為普遍的一個品種。中國于80年代中期試生產(chǎn)此纖維，定名為芳綸1414（芳綸II）。PPTA纖維具有高拉伸強度、高拉伸模量、低密度、優(yōu)良吸能性和減震、耐磨、耐沖擊、抗疲勞、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)異的力學(xué)和動態(tài)性能；良好的耐化學(xué)腐蝕性；高耐熱、低膨脹、低導(dǎo)熱、不燃、不熔等突出的熱性能以及優(yōu)良的介電性能。KEVLAR纖維目前全球共有四家企業(yè)實現(xiàn)了芳綸1414的產(chǎn)業(yè)化，其中，美國杜邦公司在美國、英國、日本設(shè)有工廠，年產(chǎn)能合計約33000噸；日

17、本帝人公司在日本、荷蘭設(shè)有工廠，年產(chǎn)能合計約24500噸；韓國科隆公司僅在該國設(shè)有工廠，年產(chǎn)能約1000噸。俄羅斯的產(chǎn)品和工藝完全不同于杜邦和帝人，其產(chǎn)能為1000噸/年。 目前國內(nèi)尚未有芳綸1414規(guī)?；a(chǎn)企業(yè)，煙臺氨綸的芳綸1414已進入中試階段，為國內(nèi)芳綸1414的先行者。據(jù)了解，目前中試進展順利，公司方面正在朝著2010年底前達產(chǎn)的既定目標(biāo)穩(wěn)步前進。美國杜邦長期對我國進行技術(shù)封鎖，制約了我國在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和開發(fā)。 間位芳香族聚酰胺纖維聚間苯二甲酰間苯二胺纖維（芳綸1313 ）PMIA纖維的Tg為260270,熱分解溫度為400430,具有優(yōu)良的耐熱性和耐燃性，在260熱空氣下連續(xù)暴

18、露1000小時后,強度保持率為6570；在370發(fā)生明顯劣化,但不熔融；極限氧指數(shù)為2630, 高溫分解時產(chǎn)生的氣體主要為CO和CO2,僅CO可燃,但其釋放量明顯少于其它纖維。優(yōu)點：耐高溫性能好，高溫下的強度保持率好，以及尺寸穩(wěn)定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃燒，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化學(xué)試劑，絕熱性能也較好。缺點：強度和模量低，耐光性較差。用途：主要用于易燃易爆環(huán)境的工作服，耐高溫絕緣材料，耐高溫的蜂窩結(jié)構(gòu)。(2) 聚N, N-間苯雙-(間苯甲酰胺)對苯二甲酰胺纖維主要用作抗燃纖維及耐高溫絕緣材料芳綸共聚纖維采用新的二胺或第三單體合成新的芳綸是提高芳綸纖維性能的重要途徑。對位芳

19、酰胺共聚纖維是由對苯二甲酰氯與對苯二胺及第三單體3，4-二氨基二苯醚在N，N-二甲基乙酰胺等溶劑中低溫縮聚而成的。共聚物溶液中和后直接進行濕法紡絲和后處理而得的各種產(chǎn)品。聚對芳酰胺苯并咪唑纖維一般認(rèn)為它們是在原PPTA的基礎(chǔ)上引入對亞苯基苯并咪唑類雜環(huán)二胺，經(jīng)低溫縮聚而成的三元共聚芳酰胺體系，紡絲后再經(jīng)高溫?zé)崂於伞７季]纖維的分子結(jié)構(gòu)特點芳綸纖維是苯二甲酰與苯二胺的聚合體，經(jīng)溶解轉(zhuǎn)為液晶紡絲而成。分子鏈由苯環(huán)和酰胺基按一定規(guī)律排列而成，具有良好的規(guī)整性。致使芳綸纖維具有高度的結(jié)晶性。鍵合在芳香環(huán)上剛硬的直線狀分子鍵在纖維軸向是高度定向的，各聚合物鏈由氫鍵作橫向連結(jié)。沿纖維方向的強共價鍵和橫向

20、弱的氫鍵，造成芳綸纖維力學(xué)性能各向異性，即纖維的縱向強度高，而橫向強度低。高模量纖維的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，使它的分子鏈難于旋轉(zhuǎn)。高聚物分子不能折疊，又呈伸展?fàn)顟B(tài)。形成棒狀結(jié)構(gòu)，從而使纖維具有很高的模量。高強度聚合物的線性結(jié)構(gòu)使分子間排列得十分緊密，在單位體積內(nèi)可容納很多聚合物分子。這種高的密實性使纖維具有較高的強度。耐高溫苯環(huán)結(jié)構(gòu)由于環(huán)內(nèi)電子的共軛作用，使纖維具有化學(xué)穩(wěn)定性，不發(fā)生高溫分解。又由于苯環(huán)結(jié)構(gòu)的剛性，使高聚物具有晶體的本質(zhì)，使纖維具有高溫尺寸的穩(wěn)定性。芳綸纖維的力學(xué)性能芳綸纖維的特點是拉伸強度高，初始模量很高，而延伸率較低。 單絲強度可達3773MPa，大約為鋁的5倍，玻璃纖維的1.5倍，與

21、碳纖維相當(dāng)或略高。拉伸模量僅次于碳纖維和硼纖維。芳綸纖維的沖擊性能好，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維0.8倍。芳綸纖維的斷裂伸長率在3左右，接近玻璃纖維，高于其他纖維。芳綸纖維的熱穩(wěn)定性芳綸纖維有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，在180的溫度下，仍能很好的保持其性能，當(dāng)溫度達487 時尚不熔化，但開始碳化。由于芳綸不熔融也不助燃，短時間內(nèi)暴露在300以上，對于強度幾乎沒有影響。在-170的低溫下也不會變脆，仍能保持其性能。芳綸纖維的化學(xué)性能芳綸纖維具有良好的耐介質(zhì)性能，對中性化學(xué)藥品的抵抗力一般是很強的，但易受各種酸堿的侵蝕，尤其是強酸的侵蝕。芳綸的濕強度幾乎與干強度相等。對飽和

22、水蒸氣的穩(wěn)定性比其它有機纖維好。芳綸對紫外線是比較敏感的。若長期裸露在陽光下，其強度損失很大，因此應(yīng)加能阻擋紫外光的保護層。KevIar纖維表面缺少化學(xué)活性基團，用等離子體空氣或氯氣處理纖維表面，可使Kevlar纖維表面形成一些含氧或含氮的官能團，提高表面活性及表面能，顯著地改善對樹脂的浸潤性和反應(yīng)性，增加界面粘結(jié)強度。芳綸在各種化學(xué)藥品中的穩(wěn)定性化學(xué)試劑濃度(%)溫度()時間(h)強度損失(%)Kevlar-29Kevlar-49醋酸99.721240鹽酸37211007263鹽酸372110008881氫氟酸1021100106硝酸10211007977硫酸1021100912硫酸1021

23、10005931氫氧化鈉102110007453氫氧化鈉2821100097化學(xué)試劑濃度(%)溫度()時間(h)強度損失(%)Kevlar-29Kevlar-49丙酮10021100031乙醇10021100010三氯乙烯10021241.5甲乙酮10021240變壓油100605004.60煤油100605009.90自來水10010010002海水100一年1.51.5過熱水100138409.3飽和蒸汽1001504828氟利昂221006050003.6四、芳綸纖維的制造液晶紡絲工藝液晶從宏觀性能上看屬于液體，但從微觀角度或光學(xué)角度來研究，又有晶體的性質(zhì)。液晶是介于固體和液體之間的中間

24、相物質(zhì)。對于紡絲來說，應(yīng)用向列態(tài)液晶。此種液晶分子溶液在流動取向相中相互穿越，且其粘度比各向同性液體低。聚合物PPTA在溶液中呈一定取向狀態(tài)，為一維有序緊密排列，也就是纖維中所希望得到的分子排列。在外界作用下，分子很容易沿作用力方向取向，這就是具有液晶性質(zhì)的大分子有利于成纖的原因。PPTA溶液具有高濃度低粘度的特點 濃度增加，溶液粘度增大，達到極大值，超過此極值，濃度再增加，粘度降低，且溶液從各向同性向各向異性轉(zhuǎn)變(臨界濃度)；達到液晶最大濃度后，濃度再增加，溶液的粘度重又上升。PPTA濃硫酸溶液粘度-濃度示意圖聚對苯撐對苯二甲酰胺(PPTA)溶于100%的硫酸中，顯示液晶特性干噴濕紡工藝 高

25、濃度、高溫度的PPTA液晶溶液在較高的噴絲速度下噴絲，噴絲進入溫度低的凝固液浴，在凝固液浴中，經(jīng)過一個紡絲管，在凝固液的作用下形成絲束，繞到繞絲輥上，再經(jīng)洗滌，在張力下熱輥上干燥。最后在惰性氣體中于較高的溫度下進行熱處理。兩種干噴混紡裝置示意圖五、芳綸纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用芳綸纖維已有30年的工業(yè)化歷史。目前，主要生產(chǎn)國為美國、日本、荷蘭、韓國、俄羅斯。芳綸纖維的總產(chǎn)量43用于輪胎的簾子線（芳綸-29），31用于復(fù)合材料，17.5用于繩索類和防彈衣，8.5用于其他。 以樹脂作為基體，芳綸纖維作為增強相所形成的增強塑料，簡稱KFRP，它在航空航天方面的應(yīng)用，僅次于碳纖維，成為必不可少的材料。目前

26、世界市場供不應(yīng)求。先進復(fù)合材料航空航天領(lǐng)域、艦船、汽車工業(yè)；防彈制品：硬質(zhì)防彈裝甲板、軟質(zhì)防彈背心。纜繩基礎(chǔ)設(shè)施和建材：芳綸增強混凝土、芳綸增強木材。傳送帶特種防護服裝體育運動器材電子設(shè)備第四節(jié) 超高分子量聚乙烯纖維超高分子量（分子量150-600萬）聚乙烯纖維（Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，簡稱UHMW-PE纖維）是采用凍膠紡絲-超倍熱拉伸技術(shù)（Gel Spinning-Ultra Drawing Technology）制得的。由于該纖維密度低（0. 97）、比強度、比模量高等眾多優(yōu)異特性，它正在許多高性能纖維市場上，包括從海上

27、油田的系泊繩到高性能輕質(zhì)復(fù)合材料方面均顯示出極大的優(yōu)勢，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭和宇航、航空、航天、海域防御裝備等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。除此之外，該纖維在汽車制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運動器材等領(lǐng)域亦有廣闊的應(yīng)用前景。一、制備方法1. 纖維狀結(jié)晶生長法纖維狀結(jié)晶裝置及串晶結(jié)構(gòu)示意圖2. 單晶片-超拉伸法該方法在研究折疊鏈拉伸變形機理方面很早就為人們采用，使UHMW-PE稀溶液（0.05%0.2%）緩慢冷卻或等溫結(jié)晶得到PE單晶，將單晶聚集并壓制成片狀物進行200倍以上超拉伸，最后拉伸物的強度和模量可達45cN/dtex和2100cN/dtex。該方法主要用于實驗室規(guī)模的基礎(chǔ)研究。3. 凝膠擠壓-超

28、拉伸法將UHMW-PE溶液緩慢冷卻制成凝膠狀球晶，通過?？跀D壓成形并進行總拉伸倍數(shù)150200的超拉伸，可制成直徑為毫米級的高強度PE纖維，其工藝過程比較復(fù)雜，一般只在紡制粗纖度PE纖維時才有意義。4. 凝膠紡絲-超拉伸法凝膠紡絲-超拉伸工藝示意圖凍膠紡絲主流程紡絲 溶解脫泡擠出成型凝固凍膠絲絡(luò)筒拉伸 集束萃取干燥超倍拉伸卷繞主要溶劑 十氫萘，煤油，白油，礦物油主要萃取劑 汽油，低聚烴，鹵代烴，苯及其衍生物UHMW-PE凍膠紡工藝關(guān)鍵濃度：3% - 10%采用雙螺桿幫助溶解和脫泡用特殊的凝固浴解決并絲問題分多級達到40倍以上拉伸溶劑及萃取劑回收分離通常高強高模型高性能纖維都具有伸直鏈結(jié)構(gòu)，大分

29、子沿纖維軸方向高度取向和結(jié)晶，使纖維顯示出優(yōu)異的抗張性能，但這類纖維在垂直于拉伸軸方向分子間作用力弱，受到軸向壓縮作用時因晶面滑移而產(chǎn)生變形帶，導(dǎo)致纖維損傷和破壞。軸向壓縮UHMW-PE纖維POM圖防彈UD是無緯復(fù)合材料（荷蘭化學(xué)集團公司以超強聚乙烯纖維達尼瑪SK66為基礎(chǔ)，開發(fā)出一種防彈纖維叫達尼瑪UD66） 0 層90 層UD的組成熱熔PE層UD 0, 90 UD 0, 90 熱熔PE層面密度：145 g/m UD截面掃描電鏡照片我國的UHMW-PE纖維由東華大學(xué)開發(fā)成功，是我國自有知識產(chǎn)權(quán)。這項技術(shù)先后在寧波大成、湖南中泰和北京中紡?fù)顿Y三個單位工業(yè)化，總產(chǎn)能約3000噸，纖維已用于我軍單

30、兵防彈裝備，并部分出口。國產(chǎn)纖維性能指標(biāo)基本可以，唯CV值偏高。儀征化纖要上十氫萘新溶劑路線，以提升產(chǎn)品水平。我國高強PE技術(shù)的特征采用白油或礦物油凝固浴采用獨特的配方，解決了并絲問題各生產(chǎn)廠有自己的知識產(chǎn)權(quán)所有的生產(chǎn)廠，技術(shù)均由東華大學(xué)化纖研究所提供國產(chǎn)和進口PE纖維性能比較國產(chǎn)和進口纖維截面SEM照片第五節(jié) 國內(nèi)高性能纖維工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀（一） 已實現(xiàn)工業(yè)化的高性能纖維1、粘膠基碳纖維東華大學(xué)以棉短絨為原料，粘膠簾子線為原絲，成功地實現(xiàn)了粘膠基碳纖維工業(yè)化，成為繼美國、俄羅斯之后第三個掌握這項技術(shù)的國家?，F(xiàn)在實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的單位有兩家，一是東華大學(xué)，年產(chǎn)3噸；二是山西煤化所，也擁有噸級規(guī)模。總

31、產(chǎn)能已能基本滿足需求。其耐高溫性能優(yōu)異，用作導(dǎo)彈隔熱部件，能減輕重量，增加射程。 2、高強高模聚乙烯纖維3、芳綸1313（1）第一家實現(xiàn)芳綸1313工業(yè)化的企業(yè)是煙臺氨綸，它花了一百多萬美元從哈薩克斯坦購買基礎(chǔ)技術(shù)。在工程化試驗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)有產(chǎn)能2600噸/年。它與有實力的紡機廠和有經(jīng)驗的工程設(shè)計院合作，工業(yè)化水平較高。（2）廣東新會彩艷公司。生產(chǎn)線與煙臺氨綸相似，都采用邯鄲紡機的生產(chǎn)線。（3）吳江圣歐公司。采用東華大學(xué)研發(fā)的技術(shù)，是我國自主知識產(chǎn)權(quán)，已建成了2000噸/年的裝置，實現(xiàn)了工業(yè)化，還加工絕緣紙。目前，世界上僅美國杜邦和我國吳江能生產(chǎn)芳綸絕緣紙。（二）正在完善工程化試驗

32、、建設(shè)工業(yè)化的高性能纖維芳綸1414纖維在我國有10多年研發(fā)歷史。其工程化的難點在聚合反應(yīng)快，粘度大，生產(chǎn)線材質(zhì)要求耐酸；溶劑回收不能含水，技術(shù)要求苛刻。目前進行工程化試驗的單位有：（1）中藍晨光化工研究院（2）儀征化纖與東華大學(xué)（3）河南神馬為大型尼龍化纖企業(yè)，產(chǎn)品主要用于輪胎簾子線，有豐富的下游制品經(jīng)驗。現(xiàn)已建成500噸工業(yè)化試驗線，正在攻克試驗裝備上的難點。未來產(chǎn)品主要對口輪胎簾子布及軍警防護裝備。（4）煙臺氨綸和廣東彩艷也在開展芳綸1414的工程化試驗。總體看，現(xiàn)國內(nèi)芳綸1414的工程化試驗，產(chǎn)品水平接近kevlar29，由于技術(shù)條件苛刻，關(guān)鍵裝備仍在攻關(guān)，預(yù)計2010年可開始工業(yè)化。

33、 碳纖維在我國經(jīng)歷了40年的研究開發(fā)，國家投入已超過5億，有24個單位先后參與。后由“十五”863計劃以產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，企業(yè)為主體， T300得以進入工程化。目前，正在實施T-300碳纖維工程化的企業(yè)：（1）威海光威光威是世界上最大的釣魚器材廠，有較強的綜合實力，其碳纖維的工程化技術(shù)來源于吉化。年產(chǎn)1000噸的原絲和碳纖維生產(chǎn)線已經(jīng)建成。是目前最大的生產(chǎn)企業(yè)。 （2）揚州惠通（3）吉林化工（4）北京化工大學(xué)（5）山西恒天（6）連云港中復(fù)神鷹（7）上海金山石化有腈綸基礎(chǔ)，現(xiàn)正在建設(shè)500噸碳纖維原絲線（8）吉林化纖是大型腈綸廠（9）安徽華皖（10）東華大學(xué)東華大學(xué)在承建上海市碳纖維研發(fā)基地 ，也是“

34、十一五”973的參與單位，基礎(chǔ)研發(fā)力量較強。我國碳纖維和芳綸1414的進口情況 根據(jù)我國海關(guān)進出口數(shù)據(jù)分析1、碳纖維我國2007年進口碳纖維約8000噸（2000年進口2100噸），已占世界產(chǎn)量的1/4，但絕大部分為加工后再出口（主要是運動器材和工業(yè)制品），國內(nèi)消費僅約200300噸。2、芳綸1414纖維我國2007年進口芳綸1414約2500噸（2000年進口142噸），主要用于軍警防護裝備。日、美高性能纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略和特征1. 將高性能纖維作為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和材料，西方國家和企業(yè)都對我國嚴(yán)格封鎖技術(shù)，控制高端產(chǎn)品出口。 戰(zhàn)略性的含義首先在于高性能纖維的用途：航天（火箭、導(dǎo)彈、宇航）、防彈裝

35、備、大飛機、風(fēng)能、海上采油、汽車輕量、高溫尾氣處理、現(xiàn)代建筑、漁業(yè)和海軍專用繩纜等。 我國必須自力更生，自主建設(shè)。2.高性能纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)難度高，專業(yè)跨度大，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程和高度的集成創(chuàng)新。 高性能纖維產(chǎn)業(yè)涉及石油化工、材料工程、化纖工程、精密機械制造、電子信息、自動化控制、工程集成等，多學(xué)科、多專業(yè)的相互融合和前后銜接。3.國外高性能纖維產(chǎn)業(yè)正值快速發(fā)展期，技術(shù)和產(chǎn)品不斷升級，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，科技創(chuàng)新和市場應(yīng)用相互推進。 碳纖維從T300T7008001000； 從MJ35MJ70 芳綸從kevlar 29491291494.主要集中在少數(shù)專業(yè)相關(guān)的大企業(yè)手里，其優(yōu)勢在于：有遠見、有財力、

36、有人力、有魄力；善于創(chuàng)建新興產(chǎn)業(yè)。 如：日本東麗、東邦、三菱三家企業(yè)的碳纖維產(chǎn)能即占全世界的70；全世界芳綸1414產(chǎn)能的95集中在美國杜邦和日本帝人兩家公司。5.發(fā)展高性能纖維是企業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級的必然 如：日本東麗的碳纖維產(chǎn)值雖然僅占公司總產(chǎn)值的4，而利潤所占比例卻達13，是一般化纖利潤率的5.9倍。 又如：美國杜邦把常規(guī)化纖，包括氨綸在內(nèi)都已脫手，著力發(fā)展芳綸、M5、PTT等高新纖維。在杜邦的五個效益版塊中，“先進材料”的效益占總效益的24。6. 高性能纖維從基礎(chǔ)性研發(fā)到工程化試驗、到工業(yè)化，不斷改進成熟，需要時間較長（5年、10年、20年），投入相當(dāng)大。 不同階段資金投入比例：基礎(chǔ)研發(fā)工程化試驗工業(yè)化110100 7.產(chǎn)業(yè)擴大的方式主要是在海外辦子公司或合資公司，使用統(tǒng)一的技術(shù)和商標(biāo)牌號。 如：日本東麗（碳纖） 法（Sofica）,美（Toray Carbon） 美國杜邦（芳綸），日（東麗Kevlar），英（杜邦 Kevlar）8. 國家從政策上、項目上、投資上、產(chǎn)品應(yīng)用上進行支持。9. 對于國防需用的高性能纖維及其復(fù)合材料實施國防采辦法（從研發(fā)到產(chǎn)品采購全程支持）。 如：現(xiàn)美國對M5纖維的研發(fā)和工程化，軍方、政府和國會都專項支持。重要性和緊迫性（一） 高性能纖維具有重要的戰(zhàn)略作用沒有高性能纖維就沒有穩(wěn)固的國