高性能纤维的性能与应用

（揭阳市质量计量监督检测所， 广东 揭阳 515300）

高性能纤维的性能与应用

罗永文，陈向标

（揭阳市质量计量监督检测所， 广东 揭阳 515300）

科技的发展对材料性能的要求不断提高，且高性能纤维材料也在人民生活和军事等各个领域得到了广泛应用。论述超高分子量聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、PBO纤维、PAN基碳纤维等几种高性能纤维的性能与应用。

高性能纤维；性能；应用

随着科技的发展和人们生活水平的提高，人们对对纤维材料的性能提出了更高的要求，比如更高的强度和模量、耐高温、耐化学药品以及更轻的比重，等等，这些高性能纤维是传统纤维如棉、毛、丝、麻等天然纤维或者涤纶、锦纶、丙纶、腈纶等合成纤维所无法比拟的。它是近年来纤维高分子材料领域发展迅速的一类特种纤维，其应用十分广泛［1］。

1 超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维（Ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）是20世纪70年代由英国利兹大学的Capaccio和Ward首先研制成功的。后来荷兰DSM（帝斯曼）公司发明了凝胶纺丝高倍拉伸法并申请了专利，使UHMWPE有了今日的产业化生产。UHMWPE纤维具有高结晶度、高取向度的特点，能在低温下保持良好的机械性能和柔韧性，但也存在耐高温性差、应力蠕变大等缺陷。

1.1 UHMWPE纤维的性能

（1）耐疲劳

纤维的耐疲劳性在绳索的应用上是一个重要指标。与一般绳索材料锦纶和涤纶相比UHMWPE纤维具有高强度、高张力、耐弯曲疲劳的特点；而与碳纤维和玻璃纤维的高模量和脆性断裂性结合的特点相比，UHMWPE纤维在具有高模量的同时还具有良好的柔韧性和耐挠曲疲劳。一项有关于绳索性能的研究表明，UHMWPE纤维有很高的耐磨损性，并远比芳香族聚酰胺和碳纤维的高。

（2）耐冲击性

UHMWPE纤维复合材料抗冲击韧性很好，抗冲击能力比玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维及高，比冲击总吸收能量分别是三者的1.8、2.6 和3倍。因此是制作防弹衣、头盔等防护设备的理想材料。

（3）耐化学性

由于UHMWPE纤维的化学结构单一，且具有高度取向和结晶的结构，因此它能耐极大多数的化学物质。与芳香族酰胺纤维比较，其耐酸性和耐碱性也很好，只有极少数有机溶胶能使纤维产生轻度溶胀。

（4）耐光照、耐辐射和耐气候性

UHMWPE纤维耐日晒性是纤维中最好的，经过1 500 h 的光照，强度保持率仍为60 %以上，而其他纤维均在50 %以下。此外，它还耐高能辐射如电子射线和γ辐射，当辐射的剂量高达3 MJ/kg纤维还能保持可使用的强度。

1.2 UHMWPE纤维的应用

（1）绳缆索类、网类产品

由于UHMWPE纤维断裂裂强度大大高于其他高强度纤维，且具有耐磨、耐辐射和耐光等特性，而且其密度小于水，所以是制造各种绳索、缆绳的绝佳材料尤其是海洋工程用绳，如游轮、货船的固定锚绳和其他绳缆。此外还应用与航空航天领域，如航天飞机着陆的减速降落伞、飞机上的悬吊重物绳缆等。在网类中可织成高强网，用于建筑安全网、拖渔网、围网、货物吊网等。在网线强度相同的条件下，用UHMWPE纤维加工成的渔网重量比普通聚乙烯纤维渔网轻50%以上，可降低渔船的能耗和拖网时候的水阻[1]。

（2）防护装备

UHMWPE纤维防弹领域应用于防弹衣、防弹头盔和防弹装甲，其制备的防弹衣具有柔软性、能抵御连发枪弹，而且对化学介质不起反应；防弹头盔则具有质量轻、寿命长；而防弹装甲则具有更好的机动性和速度。之所以具有这些特点与UHMWPE纤维的上述密度小、柔韧性、耐光等特性相关的。此外，这种材料还被广泛应用于赛车手、登山员头盔以及各种防冲击板材。

（3）体育用品及其他复合材料

UHMWPE纤维可应用与制作各种球拍、滑雪板、单车骨架等增强材料，还可用于制作球拍弦和钓鱼线，其制作的运动器材既轻便又耐用。

UHMWPE纤维及其复合材料在很多领域取代了传统金属材料。被广泛应用与高压容器、航空航天结构材料、建筑材料、生物材料等领域。比如UHMWPE纤维增强复合材料可用于牙托材料、医用缝合线等方面。临床证明其生物相容性和耐久性都比较好。

2 芳香族聚酰胺纤维

2.1 对位芳香族聚酰胺（PPTA）纤维的性能与应用

在整个芳纶生产领域，对位芳香族聚酰胺纤维（国内称为对位芳纶或芳纶1414）发展最快，目前主要日本和美国生产。主要产品有杜邦公司的Kevlar和荷兰Akzo-noble公司的Twaron。

（1）PPTA纤维的性能

力学性能方面：PPTA纤维具有高强高模、耐冲击性好的特点，PPTA纤维的拉伸强度为3.0～5.5 GPa，是玻璃纤维的1.5倍，与碳纤维相当或略高，且具有密度小的优点，如直径相同的PPTA纤维强度是钢丝的6～7倍而密度却只有后者的1/5；PPTA纤维模量高达80～160 GPa，比玻璃纤维高一倍，约为碳纤维的0.8倍。

耐热性方面：PPTA纤维的极限氧指数(LOI)大于28，具有良好的热稳定性和阻燃性能。PPTA纤维在高温下不熔融，在高温下会碳化、分解，但不会变形。且纤维的热膨胀系数很小。

化学性能方面：PPTA纤维化学稳定性好，除无机强酸、强碱外，能耐多种酸、碱及有机溶剂的侵蚀；但其耐水性较差，分子结构中的极性基团酰胺基的存在，使得吸湿后水分子易侵入纤维造成氢键的破坏，使纤维强度降低；另外，PPTA纤维耐紫外线性能较差，若长期暴露在阳光下会导致强度大大降低[2]。

（2）PPTA纤维的应用

防弹材料：由于PPTA纤维的断裂伸长低，通过防弹织物的变形可以消耗子弹的大部分动能，美、英等发达国家的普遍以PPTA作为防弹衣材料，其轻量化有效提高了军队的快速反应能力。

航空航天：芳纶增强复合材料以其质轻而强度高的特性，被广泛用于飞机、火箭的结构材料，可以增加有效负荷，减轻自身重量，节省大量燃料。如波音飞机的壳体、座椅等部件都使用了PPTA纤维从而节省了大量的动力燃料；宇宙飞船的发射过程中每减轻1公斤的重量也能降低100万美元的成本。

建筑结构加固材料：PPTA纤维复合增强材料除了具有质轻、高强高模、耐久性能好等特点外，还具有抗碱腐、抗冲击、抗疲劳性能好和不导电的优点。在高层建筑中，可用PPTA纤维作水泥增强骨架，将其编织成钢筋状作加强筋，使建筑本身的重量大大减轻，且抗剪切力强。此外，PPTA纤维也可用作建筑物的加固修复，以及绝缘性要求高的场所如地铁隧道及电气化铁路等工程得到广泛应用。

橡胶增强材料： PPTA纤维极适用于做高级帘子线，特别适宜于作汽车的子午线轮胎、飞机轮胎和大型汽车的外胎。用对位芳纶PPTA纤维帘线生产超轻超薄和低滚动阻力子午胎，使轮胎寿命长、舒适性和转向性好、节油效果明显[2]。

2.2 间位芳香族酰胺（PMIA）纤维的性能与应用

PMIA纤维，学名聚间苯二甲酞间苯二胺纤维，国内叫芳纶1313。主要产品有美国杜邦公司开发的Nome、日本帝人公司的 Conex 纤维。具有良好的热稳定性、阻燃性、化学稳定性、机械性能和抗辐射性能等。

（1）PMIA纤维的性能

热稳定性：PMIA纤维最主要的特点是能耐高温。可在220 ℃高下长期使用，在250 ℃只有1%的热收缩，于300 ℃高温下短期内也软化或者融熔，400 ℃以上就会碳化，成为一层隔热层，能阻挡外部热量传人内部，起到有效保护左右[3]。

良好的阻燃性：芳纶1313纤维被称为“防火纤维”，它的极限氧指数(LOI)大于28，在空气中不会燃烧，具有自熄性。

抗辐射性能：PMIA纤维耐α、β、χ射线以及紫外光线辐射的性能十分优异。将PMIA和涤纶同时用50 kV的χ射线辐射100 h，涤纶在强辐射下早成了粉末，而PMIA纤维仍能保持强度仍保持73%的强度。

（2）PMIA纤维的应用

高温过滤材料：PMIA纤维具有优良热稳定性以及耐化学性，是高温滤材领域的主要材料。芳纶滤材广泛用于化工厂、火电厂、冶炼厂以及焚化炉、油锅炉的高温烟道和热空气过滤，可以有效除尘，回收贵重金属并能抵抗烟雾的侵蚀[4]。

特种防护服：PMIA纤维织物遇火时不燃烧、不熔融、不发烟，在高温时会碳化成一绝热层，对穿着起到保护作用。用芳纶1313可制作消防服、电焊工作服、化学防护服、防辐射工作服等各种特殊防护服装；还用于制作保护老人、儿童的难燃睡衣[5]。

蜂巢结构材料：用PMIA纤维结构材料纸可制作仿生蜂巢结构板材，具有突出的强度重量比，其质量轻、耐冲击、抗燃绝缘、耐老化以及良好的透电磁波性等特点，适于制作飞机、卫星上的受力结构部件和透波材料和（如机翼、舱门、整流罩等）。

3 PBO纤维

聚对苯撑苯并二恶唑 (poly(p- phenylene benzobisoxazole)，简称PBO) 是一种高性能的芳杂环聚合物 ，由美国在20世纪70年代开发出来，后美国陶氏化学公司通过液晶纺丝将其制备成纤维，被认为是当今世界的高性能纤维之冠[6]。

3.1 PBO纤维的性能

（1）耐热和阻燃性

PBO纤维加热不熔融，在空气中分解温度高达650 ℃，可在300 ℃下长期使用，是迄今为止耐热性最高的有机纤维。PBO 纤维的极限氧指数( LOI )为68，远高于对位芳纶的29，在有机纤维中仅次于聚四氟乙烯纤维( LOI为95)[7]。

（2）耐冲击性和耐磨性

PBO 纤维复合材料的最大冲击载荷和能量吸收均高于芳纶和碳纤维。在同样的条件下，PBO纤维复合材料的最大冲击载荷可达 3.5 kN , 能量吸收为20 J；而高模芳纶复合材料和碳纤维T300的最大冲击载荷分别为1.3 kN和1 kN，能量吸收也在5 J左右。

PBO比对位芳纶有更佳的耐磨性。在0.88 cN/dtex初始张力下，PBO-AS磨断循环周期为5 000远高于对位芳纶的1 000次。

（3）化学稳定性

PBO纤维具有优异的化学稳定性，在几乎乎所有的有机溶剂及碱中都是稳定的，但能溶解于100%的浓硫酸、甲基磺酸、氯磺酸、多聚磷酸[8]。

3.2 PBO纤维的应用

（1）耐热难燃材料。

比如在耐热衬垫方面，目前使用的PPTA纤维与氧化纤维混合的针刺毡，但耐热性不够理想，使用寿命较短，如果用PBO纤维做衬垫可以提高使用寿命；PBO纤维良好的耐热阻燃性，使它成为制备消防服装的理想材料，比如美国萨展米尔兹公司利用日本东洋纺的Zylon纤维与Technora共聚芳酰胺纤维制成的混纺布作为消防服的高档面料，这种消防服在接触火焰后还能保持应有的强度。

（2）增强材料

例如为了避免飞机喷气发动机破损叶片击穿其他发动机及机体而造成事故，现在有研究用PBO纤维补强布来加固发动机容器及容舱板；再如，日本为了避免新干线隧道的钢筋混凝土发生崩塌，正研究用PBO纤维制的片材进行加固补强实验。

（3）防护服及体育用品

在制备防弹衣方面，用日本东洋纺的Zylon纤维制成的防弹衣，仅3.3 mm厚度就可以满足日本国标NIJ II A的要求；在防护服方面，PBO纤维可用作防切伤的保护服、安全手套和安全鞋、赛车服、飞行员服，以及以及其它体育用品如羽毛球、网球拍、高尔夫棒及钓鱼杆、滑雪板、运动服等[9]。

4 PAN基碳纤维

碳纤维是以聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青、粘胶纤维等为原料，经预氧化、碳化和石墨化而制成的含碳量达90%以上的纤维。根据原丝的类型可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等。其中的聚丙烯腈( PAN ) 基碳纤维用途最广、用量最大、发展最为迅速。是发展国防军工与国民经济的重要战略物资。

4.1 PAN基碳纤维的性能

（1）高强、高模、低密度。PAN基碳纤维的力学性能，尤其是抗拉强度、抗拉模量等为三种碳纤维之首。

（2）耐高温，在3 000 ℃的非氧化性气氛中不融不软化；热膨胀系数小，约等于零；热导率高，约为10～140 W/(m·K)。

（3）耐强酸、强碱及强有机溶剂的侵蚀。

（4）摩擦系数小，具有润滑性，不沾润在熔融金属中，可使其复合材料磨损率降低。

（5）导电性好。

4.2 PAN基碳纤维的应用

（1）航空航天

包括在客机、军用机、运载火箭、宇宙飞船等方面的应用。如波音787中结构材料有近一半使用了碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，这不仅可以减轻机身质量，提高了燃油经济性，又不损失机身的强度或刚度。

（2）建筑领域

建筑领域的桥梁、房屋、隧道地铁等相关的混凝土工程是碳纤维在民用工业中增长最快、最有前途的领域之一，主要使用在压板等加固材料、代替钢筋的筋条材料、桥梁承重材料以及直接加入混凝土以加强强度并减少钢筋使用量的碳短纤维等各个方面。

（3）汽车构件

在汽车上使用碳纤维代替钢材，可使车重减轻40%以上，车速提到120 km/h以上，并使二氧化碳排放减少30 %。虽然目前主要是用在豪华车型, 但预计未来随着大丝束碳纤维价格的下降，将使碳纤维在大众车型中推广。这不仅提高了汽车的燃油经济性，提高车的性能，也是符合世界环保发展的趋势[5]。

［1］裘愉发,等. 主要高性能纤维的特性和应用[J]. 现代丝绸科学与技术， 2010（1）:17-24.

［2］ 江 明，陆赵情，张美云,等. 对位芳纶纤维结构性能及其应用[J]. 黑龙江造纸,2013(3):3-12.

［3］郊志清，钱成或，吴小红. 芳纶1313的结构与性能[J].合成纤维工业，1993，16（6）:18-21.

［4］ 任鹏刚，梁国正，杨洁颖,等. PBO纤维研究进展[J].材料导报，2003，17(6):50-52.

［5］沈新元.先进高分子材料[M].北京:中国纺织出版社,2006.

［6］珊峦.高性能纤维的特性和发展[J].上海丝绸，2009（4）:6-10.

［7］杜艳欣.PBO纤维的国内外研究状况及应用前景[J].现代纺织技术，2007（3）:53-57.

［8］王静.21世纪超级PBO纤维的性能及其应用探讨[J].现代纺织技术，2010（3）:57-60.

［9］唐蓉聚.对苯撑苯并双噁唑材料的光电性能研究[D]. 北京: 北京交通大学.

Performance and Application of High-performance Fibers

LUO Yong-wen，CHEN Xiang-biao
（Guangdong Jieyang Institute of Supervision and Test of Quality and Measure, Guangdong Jieyang 515300，China）

The improvement of material performance is needed with the development of science, and the high performance fiber material has been widely applied in people's life, military and other fields. In this paper, performance and application of ultra-high molecular weight polyethylene fiber were discussed, such as aramid fiber, PBO fiber, PAN based carbon fiber and so on.

High performance-fiber; Performance; Application

TQ 321

： A

： 1671-0460（2014）04-0528-04

2014-03-16

罗永文（1975-），男，广东兴宁人，工程师，毕业于五邑大学纺织工程，从事纤维成分检测。E-mail：494780281@qq.com。

陈向标（1985-），男，工程师，硕士，研究方向：纺织工程。E-mail：cxb17@126.com。