有机耐高温纤维的性能和应用

赵 影，刘 丽

(河北科技大学，河北 石家庄 050018)

耐高温纤维是指温度在200 ℃以上，可以连续使用而不发生降解，并保持主要的物理机械性能的一类高性能纤维。热对纤维性能的影响有两点，一是高温下纤维的拉伸性能；二是经一定时间的高温作用后，室温下纤维的拉伸性能。前者指纤维承受高温作用的能力，后者则常用作抵抗热降解的分级标准[1]。由于许多热降解与氧有关，和纤维接触的氧气量越多，降解速度也越快，因此极限氧指数是很重要的衡量纤维耐热性能的指标[2]。

耐高温纤维的性能除表现在：高温下尺寸大小无变化；软化点及熔点高；着火点、发火点高；热分解温度高；长期暴露在高温下，也能保持一般特性；具备纤维制品所必需的一般性能，如柔软性、弹性和加工性能。它还应具有较强的耐化学侵蚀和氧化作用[2]。

耐高温阻燃纤维是21世纪我国重点研究开发的一类高性能纤维，随着国防工业、宇航事业、尖端技术以及民用工业的不断发展，现已在航天、航空、国防、石化、海洋、通讯、汽车等行业得到了进一步的应用[3]。在此介绍了有机耐高温纤维的性能和应用。

1 有机耐高温纤维的性能及应用

根据材料的不同，耐高温纤维可分无机耐高温纤维和有机耐高温纤维[4]。相对而言，有机耐高温纤维的相对密度小、强度高、延伸度较大、柔软性好、伸长回弹性较高。有机耐高温纤维品种很多，如聚苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维、聚苯并咪唑(PBI)纤维、聚苯硫醚(PPS)纤维、聚对苯二甲酰草酸双脒腙金属螯合(PTO)纤维、聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA，芳纶1313)纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺 (PPTA，芳纶1414)纤维、聚四氟乙烯(PTFE)纤维、三聚氰酰胺(MF)纤维、聚酰亚胺(PEI)纤维、聚醚醚酮 (PEEK)纤维、酚醛纤维、聚砜纶(PSA)纤维、碳纤维等[5]。下面就上述一些具有代表性的耐高温纤维分别作介绍[7]。

1.1 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维

1.1.1 性能

聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)纤维，在我国称为芳纶1313纤维。PMIA纤维是以间苯二胺(MPD)和间苯二甲酰氯(ICI)为单体，采用界面缩聚法或低温溶液缩聚法，然后经纺丝制得。PMIA纤维玻璃化转变温度为270 ℃左右，热分解温度高达430 ℃; 在200 ℃条件下工作时间长达20 kh，强度保持原来的90%; 在260 ℃热空气中连续工作1 kh，强度维持原来的70%左右，PMIA纤维不熔融，LOI为28～32; 能耐大多数的酸，但是长期受强酸或强碱的作用，强度会有所下降; 在高温水蒸气下能缓慢脆化，且分解时放出少量可燃性一氧化碳气体。

1.1.2 应用

与其他纤维相比，PMIA纤维在温度升高时也具有优良的物理机械性能。PMIA纤维可以单独使用，也可与其他高性能纤维混纺，加工成各种耐热阻燃制品。PMIA纤维具有良好的防火、耐热、耐化学药品等性能，因而可用于航天飞行员的宇航服、赛车运动服、防火工作服、耐高温滤布、烘干机衬布、传送带基布、电绝缘纸板以及特殊的复合材料制品等。

1.2 聚对苯二甲酰对苯二胺纤维

1.2.1 性能

对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维，在我国称为芳纶1414纤维，它主要是以浓硫酸为溶剂，采用液晶纺丝技术制成。PPTA纤维大分子的刚性很强，分子链几乎处于完全伸直状态，这种结构不仅使纤维具有很高的强度和模量，而且还使纤维表现出良好的热稳定性以及耐疲劳性、耐摩擦性、电绝缘性等; 通常，PPTA纤维的极限氧指数为30，玻璃化转变温度为345 ℃，热分解温度高达560 ℃。与PMIA纤维相比，在相同的工作温度下，PPTA纤维的强度和模量将高出3～7倍。

PPTA纤维(Kevlar)通常有着以下一些主要性能: 具有很高的强度和模量，低断裂伸长，强度是钢纤维的5倍; 热分解温度高达560 ℃，因而具有很好的热稳定性; 低导电性和低的热收缩性; 具有高耐化学腐蚀性; 具有良好的电绝缘性; 阻燃、自熄; 耐摩擦性、耐疲劳性、耐切割性能好; 纤维纺织品兼具轻质、柔软、舒适的特点。

1.2.2 应用

PPTA纤维可单独使用，也可与其他纤维混纺，加工成各种纺织品，如以60/40混纺的Kevlar/PBI纤维面料可用于消防员的防护服，此外更多的则是应用于复合材料领域。PPTA纤维应用范围十分广泛，如用于高性能轮胎帘子线、强力传送带、防弹服、头盔、降落伞、机翼或火箭引擎外壳、压力容器、绳索以及纤维增强复合材料等。尽管PPTA纤维阻燃耐高温性能极其优异，但由于产量少，价格昂贵，因而目前仍主要应用于宇航和国防工业，少量作为防弹衣之类的防护用品。

1.3 聚苯并咪唑纤维

1.3.1 性能

聚苯并咪唑(PBI)纤维又称聚2，2’-间苯撑-5，5’-二苯并咪唑纤维。该纤维通常采用间苯二甲酸二苯酯(DPIP)和四氨基联苯胺(TAD)等原料聚合后，再经干法纺丝制成。PBI纤维通常有着以下一些主要性能:热分解温度为600 ℃，具有较好的热稳定性和较低的热收缩性，在310 ℃热空气中可连续使用，在500 ℃热空气中可短时间使用; 高温下的机械强度、硬度和蠕变强度保持持久; 优异的电隔离性和绝缘性，在空气中不会燃烧和熔融; 极限氧指数LOI高达41; 优良的耐化学腐蚀性和回潮率; 具有良好的纺织加工性和穿着舒适性，可以在大多数的纺织设备上进行加工。

1.3.2 应用

聚苯并咪唑纤维耐热、抗燃性能突出，可与其他纤维混纺(如与棉纤、聚酰胺纤维等混纺)，制成各种具有阻燃、吸湿功能的高性能纤维材料。聚苯并咪唑纤维主要用于制作太空飞船的密封垫、耐高温的防护手套、火箭发动机的绝缘层、宇航服、赛车服以及消防员和冶炼工人使用的理想防护服。

1.4 聚苯撑苯并双噁唑纤维

1.4.1 性能

聚苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维是一种芳香族杂环聚合物纤维，主要以4，6-二氨基间苯二酚盐酸盐和对苯二甲酸为单体，采用液晶纺丝技术制成。聚苯撑苯并双噁唑纤维通常具以下主要性能: 优异的轴向链取向和结晶结构，耐热性好; 拉伸强度为37 cN/dtex，超过现有的合成纤维，为钢纤维的10倍，芳纶(Kevlar)的2倍; 机械力学性能卓越，甚至比Kevlar还要好，而耐冲击强度则为Kevlar的2倍; 具有优异的热稳定性，LOI为68，使用温度和热分解温度分别为350 ℃和650 ℃，阻燃性能是Kevlar的2倍; 具有优良的耐磨损性、耐化学稳定性。

1.4.2 应用

PBO纤维作为一种高性能纤维，现已在耐热产业用纺织品和纤维增强材料中得到了广泛的应用，如用于太空飞船的复合材料、消防服和冶炼服及防护手套等。

1.5 碳纤维

碳纤维是指有机纤维或沥青基材料经碳化和石墨化处理后形成的含碳量在85%以上的碳素纤维。根据制备的原料不同可分为沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维等。

1.5.1 沥青基碳纤维性能及应用

沥青基碳纤维主要采用廉价的沥青进行生产，生产中通常需先对沥青进行热固性处理，然后再进行熔融纺丝、碳化、石墨化，最后制得所需的碳纤。通常它们是由许多分子质量在200～800的芳香族碳氢化合物组成的，这些碳氢化合物大约在50～300 ℃下软化熔融。当热处理的温度在400～450 ℃之间，产生分子液晶相。沥青基碳纤维生产中，采用沥青或焦油，在350 ℃热处理时转化成各向同性和各向异性的中间体。

沥青基碳纤维具有极高的热导率和高热稳定性，可用作导热材料、高温润滑材料等。沥青基碳纤维主要用于精度要求高的人造卫星部件、桥墩及土木建筑用补强材料、高速公路路面，以及吸音材料、吸微波材料、耐磨防水防腐地面材料、密封衬垫材料等。

1.5.2 黏胶基碳纤维的性能及应用

采用黏胶纤维制备碳纤维与制备PAN基碳纤维类似，也需经过低温(<400 ℃)处理与高温(>1 000 ℃)碳化、石墨化过程两阶段。低温下对黏胶纤维进行处理使纤维分子发生裂解脱去含H、O、C的小分子，最终形成石墨状结构的碳聚合物，然后再对其进行高温碳化和石墨化，即可制得符合要求的碳纤维。黏胶基碳纤维密度小，耐烧蚀，热稳定性好，导热系数小，断裂延伸率大，深加工的工艺性好，生物相容性好，因而黏胶基碳纤维在军事、卫生、采暖等方面应用较广泛。

1.5.3 聚丙烯睛基碳纤维的性能及应用

聚丙烯睛基碳纤维主要以制取碳纤维用的特殊聚丙烯睛(PAN)纤维为原丝，经一定温度和一定时间的处理制得。聚丙烯睛基碳纤维通常有以下一些主要性能: 纤维阻燃性优良; 具有优越的光学表面作用; 在火焰中不熔滴，不软化，也不收缩; LOI高达62，热稳定性高; 在900 ℃火焰中可保持3 min以上的时间，直至碳化几乎仍保持原状。

聚丙烯睛基碳纤维主要用于太空飞船、火车、公共汽车和轿车的阻燃密封垫，消防人员、军人、警察、赛车手和炼钢工人的防护服。此外可替代石棉作为太空飞船制动摩擦盘、轮胎刹车、工业密封垫，以及自动化交通工具用的防火毡。

1.6 聚酰胺-酰亚胺纤维

1.6.1 性能

聚酰胺-酰亚胺纤维采用4，4’-二氨基苯酰氨代替苯胺和均苯四甲酸在DMAC中缩聚成聚酰胺酸，纺丝、拉伸后，再于高温下亚胺化，最后得到新型的聚酰胺-酰亚胺纤维。其性能如下：以芳环和杂环为重复的基本结构单元，形成的梯形结构稳定，故具有良好的耐热性能；暴露在高温和火焰下不收缩，其使用温度为260 ℃，分解温度为380～400 ℃。

1.6.2 应用

可纺制高温防火的保护服，法国赛车协会决定用它作为赛车员的防燃服；在西欧和美国几年前考虑用它作为装甲部队的防护服和飞行服。Kermel纤维的针织物与其他纤维相比，其绝热性更为优越，可作为强热源辐射热的绝热屏地毯。工业上可做滤布、高温焦炉气的滤材、高温输送带、电绝缘纸、高速缝线及研磨布等。此外，由于Kermel对光及紫外线辐射灵敏，不适合做未涂层油布及装饰布。

1.7 聚酰亚胺纤维

1.7.1 性能

聚酰亚胺(PEI)纤维由于分子主链为酰亚胺结构，因而纤维的耐热性能独特。聚酰亚胺纤维通常采用二苯酮四羧酸二肝和二异氰酸二苯甲酯及二异氰酸甲苯酯合成聚酰亚胺树脂，然后经二甲基甲酰胺(DMF)和N-甲基吡咯咯烷酮(NMP)等溶剂处理，并通过干法纺丝制成。其主要性能有：有优异的耐热性能，LOI达到38; 纤维热分解温度高达700 ℃，在280 ℃时可长期使用; 具有卓越的耐辐射性，纤维经高能量射线多次照射后(800次)，仍可保持原来的有机物性和电性能; 耐化学腐蚀性好，耐化学药品性类似间位型芳香族聚酰胺纤维。

1.7.2 应用

聚酰亚胺纤维有着许多优异的性能，因而应用前景很好，该纤维目前主要用于制作高温防护服、手套、绝热地毯、耐高温过滤材料等。

1.8 聚砜基酰胺纤维

1.8.1 性能

聚砜基酰胺纤维(简称芳砜纶纤维)是耐高温性能优异的高性能纤维之一。它主要是以对苯二甲酰氯和4’4-二氨基二苯砜及3’3-二氨基二苯砜为主要原料，通过聚合制成成纤聚合物，然后溶解于二甲基乙酰胺中，经湿纺工艺或干纺工艺加工而成。它的主要性能如下：优良的热稳定性，如在250 ℃和300 ℃时的强度保持率分别为70%、50%，比Nomex高5～10个百分点，即使在350 ℃的高温下，依然保持38%的强度，又如芳砜纶纤维在250 ℃和300 ℃热空气中处理100 h 后，其强度保持率分别为90%和80%，而在相同条件下，Nomex仅为78%和60%；芳砜纶纤维可在200 ℃的温度下长期使用；芳砜纶纤维的高温尺寸稳定性能优良，在沸水中的热收缩率仅为0.5%～10%，在300 ℃热空气中的热收缩率也只有2.0%，其高温尺寸稳定性比Nomex好得多。芳砜纶纤维的阻燃性优良，LOI值高达33；芳砜纶纤维具有良好的化学稳定性、自润性、耐磨性、抗冲击性和回弹性。

1.8.2 应用

芳砜纶纤维的加工性能良好，因而可采用普通设备加工成纱线、机织布、针织布、非织造布和绝缘纸等，在防护制品、电绝缘材料、过滤材料、蜂窝结构材料等方面用途广泛。芳砜纶纤维还可用作飞机和赛艇的蜂窝结构材料、隔音、隔热和自熄材料、摩擦材料(如垫片、盘根等)、耐热输送带，造纸和印染用衬布和毛毯、缆绳、熨烫台布、体育用品、复印机清洁毡、涂层织物等。

1.9 聚苯硫醚纤维

1.9.1 性能

聚苯硫醚(PPS)纤维是一种阻燃性能优良的有机耐高温纤维。通过采用对二氯苯和硫化钠缩聚制成树脂后，再经熔融纺丝而成。聚苯硫醚纤维通常有如下性能: 较高的极限氧指数(LOI)35，因而纤维阻燃性能优良，长期处于240 ℃高温下仍具有较好的力学性能; 耐化学试剂性优异，特别是耐非氧化性酸和热碱液的能力突出。在强酸、强碱和有机溶剂中，纤维强度稳定性仅次于聚四氟乙烯纤维，但不耐硝酸; 具有罕见的热稳定性，在200 ℃下，54天后，其断裂强度基本上没有损失; 在260 ℃下，48小时后，其断裂强度保持原来的60%; 产品尺寸稳定，可在191～210 ℃温度范围内连续工作，而不会产生热降解。具有良好的纺织加工性能。

1.9.2 应用

PPS纤维主要用于高温烟道气或特殊热介质的过滤材料，如用在燃煤锅炉中可过滤处理150～200 ℃含硫酸性气体，以及造纸工业中的干燥带、电缆包胶层、复合材料等。

2 结语

谁掌握高科技，谁就将主宰世界的未来。各发达国家从这一战略高度出发，积极研究开发高性能纤维，耐高温纤维就是其中主要的一类品种，其具有耐高温阻燃特性，且附加值高，具有很好的经济效益和社会效益，因而各国对耐高温纤维的发展非常关注。国内市场中应用的耐高温纤维大部分依赖国外进口。由于此类纤维材料长期以来一直被国外技术垄断，价格十分昂贵，制约了我国相关下游产业发展。因此，高科技耐高温纤维产业将是近期我国化纤产业发展的重要方向。

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