工業(yè)纖維復(fù)合制品的應(yīng)用與發(fā)展

工業(yè)纖維復(fù)合制品的應(yīng)用與發(fā)展

一、阻燃聚芳酰胺纖維在增強材料中的應(yīng)用利用纖維在定向方向上的特性，選擇不同類型的纖維材料和纖維結(jié)構(gòu)方法，工業(yè)纖維復(fù)合產(chǎn)品可以獲得適應(yīng)不同用途的機械工程。廣泛應(yīng)用于熱固性或熱塑性絕緣塑料、層壓制品、復(fù)合材料和軟管領(lǐng)域的各種樹脂都或多或少地采用一些纖維材料,以獲得預(yù)期的拉伸強度、沖擊強度、壓縮強度和剪切強度等性能。近十年來,增強材料的種類和編織結(jié)構(gòu)取得了顯著進步,使工業(yè)用戶具有更多的選擇余地?？捎米髟鰪姴牧系睦w維制品有多種,其中應(yīng)用最廣、用量最大的是E、S、S2#和C幾種級別的無機玻璃纖維。聚芳酰胺纖維重量輕,耐熱性好,具有優(yōu)異的物理機械性能,但價格昂貴。碳纖維是上個世紀(jì)90年代末引入我國的新型材料,具有彈性模量高、熱膨脹系數(shù)低和重量輕的特點。二、s1#纖維材料通過調(diào)整玻璃中金屬氧化物的含量可獲得不同種類的玻璃纖維制品。用于塑料和層壓制品的玻璃纖維主要是E級玻璃纖維,其特點是堅韌性、絕緣性和性能價格比好。上個世紀(jì)60年代,美國為其軍事用途開發(fā)了高強度玻璃纖維即S玻璃纖維(歐洲國家稱為R玻璃纖維、日本稱為T玻璃纖維),由于制造成本相對較高,應(yīng)用范圍受到限制。隨后問世的S2#玻璃纖維通過加大金屬氧化硅、氧化鋁和氧化鎂的含量,在降低S級玻璃纖維成本同時,仍可保證機械強度高出E級玻璃纖維約40%～70%,同時S2#玻璃纖維的熱膨脹系數(shù)低于E和C級玻璃纖維。C級玻璃纖維具有較好的耐鹽酸和硫酸腐蝕性,但耐熱性差,使C玻璃纖維的使用受到限制。在選擇玻璃纖維的類型時,除了要考慮機械強度、耐熱性能和耐腐蝕性之外,成本亦是十分重要的因素。在國際市場上,E級玻璃纖維的價格最便宜,C級的價格比E級約高30%,S級的價格最貴(約為6美元/磅)。與有機纖維相比,各種級別的玻璃纖維的共同缺點是重量大、彈性模量小。2聚芳酰胺纖維聚芳酰胺纖維的密度低、重量輕,但卻具有良好的抗沖擊破環(huán)性能,其彈性模量約比玻璃纖維高出50%,制成的塑料制品具有良好的抗沖擊性能、抗刮性能和抗拉強度。聚芳酰胺纖維本身是優(yōu)良的電、熱絕緣材料,具有優(yōu)良的耐溶劑性、耐燃料性和耐油性,但它的抗壓強度比玻璃纖維和碳纖維差,且價格較為昂貴,在紫外線照射下會緩慢分解。世界市場上較著名的聚芳酰胺纖維品牌有美國杜邦公司的Kevlar和日本帝人公司的Twaron。我國的聚芳酰胺纖維及纖維紙全部依賴進口。聚芳酰胺纖維布是由聚芳酰胺纖維單向或雙向編織而成,其具有以下特點:高強度,抗拉強度是鋼材的7倍;重量輕,重量是鋼材的1/5;柔軟性,柔軟如編制衣物的纖維一樣;絕緣性能好;不生銹,耐久,防水耐蝕。3碳纖維在高分子材料上的應(yīng)用有兩種類型的碳纖維。以丙烯氰為基本原料的碳纖維(PAN系列)具有良好的機械強度和彈性模量,用其制作的塑料結(jié)構(gòu)件具有優(yōu)異的抗壓強度。從石油或煤焦油制取的碳纖維(PITCH系列)熱膨脹系數(shù)小,彈性模量比以丙烯氰為基本原料的碳纖維高出近一倍,主要用于航空航天領(lǐng)域。與玻璃纖維相比,碳纖維的抗拉強度與玻璃纖維的類似,但彈性模量是玻璃纖維的3～4倍。與其他纖維制品不同,碳纖維所提供的優(yōu)異的機械強度和彈性模量來自連續(xù)的、不取向的增強方式。然而,碳纖維塑料制品的抗沖擊強度較差,纖維材料與金屬材料裸露相接時易產(chǎn)生電蝕。碳纖維以較小的比例與樹脂混合后,可大大改善材料的耐磨性和受熱膨脹性能,除了廣泛應(yīng)用于航空、建材等領(lǐng)域外,在開發(fā)低電壓或電磁界面隔板塑料結(jié)構(gòu)件方面有著巨大的潛力。碳纖維材料有片材(包括碳纖維布、碳纖維板)、棒材(如碳纖維索、碳纖維筋)、碳纖維網(wǎng)格、碳纖維纏繞型材、碳纖維模壓型材等,生產(chǎn)廠商主要有德國UDO、美國赫氏、英國西克瑪,日本東麗、新日鐵、三菱、新日本石油等。4纖維增強材料的選擇原則表1列出了幾種重要的纖維增強材料的性能比較。通過比較可以看出,每種纖維增強材料都有各自的優(yōu)缺點,這就要求根據(jù)用途和需要對材料進行選擇,不僅要考慮性能的可行性,也要考慮經(jīng)濟性。三、紡織或針織結(jié)構(gòu)同一種纖維采用不同的編織結(jié)構(gòu)將給最終產(chǎn)品帶來不同的機械性能,因此,針對用途,纖維材料生產(chǎn)商開發(fā)了許多種紡織或編織結(jié)構(gòu)。雖然一些編織結(jié)構(gòu)的工藝已經(jīng)十分成熟,隨著技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)商仍在不斷改良現(xiàn)有的工藝,并推出新的編織結(jié)構(gòu),以滿足市場需求。目前,國外工業(yè)用的纖維增強結(jié)構(gòu)約有四種。1短纖粘接劑型短纖維材料無紡材料在縱橫向上的機械性能類似。市場上存在兩種工藝制造的無紡布:一種是短切纖維無紡布,纖維長度為40～70mm,通過粘接劑成型,特點是成本低,抗撕裂性能好,綜合機械性能較差,主要用于手工鋪疊或連續(xù)層合的生產(chǎn)工藝;另一種是連續(xù)長纖維無紡布,機械性能較好,主要用于模塑和模壓工藝。2雙向或三維針織,生長均勻性縫合結(jié)構(gòu)是將徑向(0°)、緯向(90°)和斜向(45°)層疊的纖維縫合制成(見圖1),能夠均勻承受機械載荷,具有良好的拉伸和彎曲強度。同時,這種結(jié)構(gòu)還有利于樹脂的均勻流動,給后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)帶來便利。編織結(jié)構(gòu)是將纖維絲經(jīng)雙向或三向編織而成(見圖2),以便獲得最佳的機械載荷承受能力。雙向編織結(jié)構(gòu)提供在15°～95°的方向上的增強作用;三向編織結(jié)構(gòu)提供在10°～80°和0°方向上的增強作用。采用多向多層纖維和垂直于經(jīng)、緯方向的Z絲(Z-Yarn),經(jīng)由特殊編織工藝可制成三維編織結(jié)構(gòu)(圖3)。Z纖維大大改善了織物的整體性,提高了能量吸收功能,使材料具有優(yōu)異的抗沖擊特性。這種技術(shù)適用于各種塑料結(jié)構(gòu)件的制造。3從壓光、加光工藝制成這種結(jié)構(gòu)主要用于增強紙的生產(chǎn)。將不同纖維按一定的比例混合制作紙漿,成型后經(jīng)壓光或不壓光工藝制成。杜邦公司的Nomex紙即是用沉析纖維與短切纖維制作的紙漿,經(jīng)不取向成形、壓光等工藝后制成。通過調(diào)諧兩種纖維的比例,可調(diào)整Nomex紙的電氣性能和機械性能。Nomex作為一種耐熱、耐燃纖維增強材料廣泛應(yīng)用于宇航、航空及特殊耐熱用途的制件中。4混紡面料用纖維可以將兩種或多種增強材料復(fù)合后獲得不同的物理機械性能。然而,對于厚度要求較薄的增強材料,需要經(jīng)由混紡工藝來獲得所要求的性能。實踐中,可以在徑度和緯度方向混紡不同種類的纖維材料。常用的方法是在經(jīng)度和緯度的各個方向上同時混入不同種類的纖絲?；旒彽目椢镄问胶徒Y(jié)構(gòu)有多種,如無紡布、編織布、單向取向和多向取向編織布。國外市場上最常用的組合形式有:碳纖維/聚芳酰胺纖維,其特點是綜合了聚芳酰胺纖維優(yōu)異的抗沖擊性和抗拉強度以及碳纖維優(yōu)異的抗壓強度和抗拉強度,混紡物的密度低、價格昂貴;聚芳酰胺纖維/玻璃纖維混紡結(jié)構(gòu)因玻璃纖維的混入導(dǎo)致抗壓和抗拉強度有所下降,但材料的密度和成本得到了改善;碳纖維/玻璃纖維結(jié)構(gòu)在利用碳纖維優(yōu)異的彈性模量的同時,改善了材料的密度和成本。四、國外主要發(fā)展趨勢1纖維基復(fù)合材料由于天然纖維可以回收利用,能滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求,并具有密度低、生物可降解、機械性能好等特性,近年來,國外已經(jīng)注意開發(fā)和利用天然纖維增強材料。在可以被用作層壓制品和塑料增強材料的天然纖維中(如棉花、椰樹和香膠樹纖維等),雖然劍麻和黃麻纖維的機械強度不如合成纖維,但它們具有良好的耐熱性和電氣絕緣性能,原料來源廣泛、成本低廉,是目前較為理想的天然纖維材料。發(fā)展混紡纖維是國際上另一個研究方向,天然纖維與合成纖維、合成纖維與合成纖維的混紡產(chǎn)品可以相互彌補性能和成本的缺陷。其中,利用聚芳酰胺纖維或碳纖維與其它類型的纖維材料進行混紡,以獲取單一纖維難以得到的性能,是目前國際上增強材料的重要研究發(fā)展方向。2維結(jié)構(gòu),滿足各種要求對于較為成熟的纖維材料如玻璃纖維、聚芳酰胺纖維和碳纖維等,織物結(jié)構(gòu)對纖維制品的綜合機械性能有著直接影響。近年來,國外一些纖維材料生產(chǎn)商不斷研究和推出新的紡織結(jié)構(gòu),以滿足市場的各種需求。例如,緯度不取向的玻璃編織布和四向玻璃編織布等。三維結(jié)構(gòu)與雙向編織結(jié)構(gòu)相比,可以大大增加塑料制件的抗壓縮和抗剪切特性;混紡結(jié)構(gòu)可以綜合兩種不同纖維的特性,向市場提供更多可以選擇的材料,因此,三維編織結(jié)構(gòu)和混紡工藝也是國外近年的研發(fā)方向,研究的重點是如何解決纖維材料的纖絲直徑、工裝設(shè)備和不同纖維混紡的工藝問題。3開發(fā)新型活性劑纖維材料的價格成本相差甚遠(yuǎn),在應(yīng)用中人們關(guān)心的是制品體現(xiàn)出的整體性能。因此,適當(dāng)選擇纖維增強材料及其編織方式,以及樹脂和填料的種類,完全可以開發(fā)出性能優(yōu)異、價格低廉的復(fù)合產(chǎn)品,不僅節(jié)約資源,還可以增加產(chǎn)品在市場上的競爭力。因此,根據(jù)用途綜合開發(fā)利用現(xiàn)有的纖維材料和編織結(jié)構(gòu),在性能與成本的框架內(nèi)研發(fā)最佳的樹脂、填料