第六章 高性能纤维
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高性能纤维·定义:高性能纤维目前尚无明确而统一的定义。
一般来说,具有比普通合成纤维高得多的强度和模量,有优异的耐高温性能和难燃性及突出的化学稳定性。
·发展:合纤发展的四个阶段:第一阶段(1938~1950年)主要发展锦纶;第二阶段(1950~1956年)涤纶和腈纶问世并实现工业化生产;第三阶段(1956年开始)发展改性纤维,包括差别化纤维;第四阶段(20世纪60年代初)发展高性能纤维。
·分类:包括有机和无机两大类。
无机:碳纤维、硼纤维、硅—碳纤维、铝纤维、硅—钛—碳—氧纤维。
有机:对位、间位芳族聚酰胺纤维杂环聚合物如PBI纤维聚四氟乙烯纤维超高分子量聚乙烯(PE)纤维超高分子量PV A、PAN纤维·用途:属于特殊用途的纤维,生产量虽不大,但在国民经济中占有重要的地位。
如航天、航空工业中飞行器的结构材料,高温、耐腐蚀气体、液体的过滤材料各种复合材料特种防护服等。
一、碳纤维1.生产:以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝,通过加热除去碳以外的其它一切元素制得的一种高强度、高模量纤维。
2.种类:根据炭化温度不同,分为三种类型。
(1)普通型(A型)碳纤维:在900~1200℃下炭化得到的碳纤维。
强度和弹性模量都较低。
(2)高强度型(Ⅱ型或C型)碳纤维:在1300~1700℃下炭化得到的碳纤维。
强度很高,可达138.4~166.1cN/tex。
(3)高模量型(Ⅰ型或B型)碳纤维:又称石墨纤维。
在炭化后再经2500℃以上高温石墨化处理得到的碳纤维。
强度较高,约为97.8~122.2cN/tex。
模量很高,一般可达17107cN/tex以上,有的甚至可达31786cN/tex。
3.性能:·轴向的强度和模量高,而径向的强度和模量相对较低,因而碳纤维不宜径向受力,打结强度低。
·具有良好的耐热性和耐高温性。
能耐温度急变,热膨胀系数小,耐腐蚀且能导电。
·化学性能与碳相似,在空气中的使用温度不能太高,一般在360℃以下,但在隔绝氧的情况下,一般可达1500~2000℃,且温度越高,纤维的强度越大。
高性能纤维的制备及应用在科技快速发展的今天,高性能纤维的研发和制备技术成为了人们关注的焦点。
高性能纤维具有高强度、高模量、低密度、低热膨胀系数、高耐热性、耐腐蚀性等优异的性能,在能源、航空、航天、汽车、体育用品等领域都得到了广泛应用。
一、制备工艺高性能纤维的制备工艺主要有两种方法:一种是螺旋丝法,另一种是湿法。
螺旋丝法是通过将高分子材料拉伸成纤维状的工艺制备高性能纤维。
湿法是在高分子材料中加入化学剂,在合适的温度和湿度下制备高性能纤维。
这两种制备工艺都具有各自的优点和缺点。
1. 螺旋丝法螺旋丝法是一种利用高分子材料原有的纤维形态,通过拉伸制备高性能纤维的工艺。
该方法主要步骤如下:第一步,高分子材料被加工成粉末或颗粒状物质;第二步,将粉末或颗粒状高分子材料放置在牵伸器中,进行加热和牵伸处理;第三步,将形成的高性能纤维经过染色、热定型等加工处理。
螺旋丝法制备的高性能纤维具有均匀的强度和模量,可以制备的纤维种类较多。
但是,该方法需要高温、高压的条件,成本较高,且生产效率低。
2. 湿法湿法是一种在高分子材料中加入化学剂,通过反应和加热使其成为纤维状物质的制备方法。
该方法主要步骤如下:第一步,高分子材料和化学剂混合均匀,成为“毛茸状物质”;第二步,将“毛茸状物质”置于加热条件下,进行牵拉处理;第三步,将牵拉后的纤维进行染色和加工处理。
湿法制备的高性能纤维生产成本较低,生产效率较高,适用于小批量生产。
但是,该方法制备的纤维几乎不能选择其形状和尺寸,且纤维强度和模量不均匀。
二、应用领域1. 航空航天领域高性能纤维在航空航天领域的应用已经得到广泛推广,例如,碳纤维和玻璃纤维在飞机、飞行器和卫星的结构部件中被广泛应用,在轻量化和强度耐久性方面取得了显著效果。
2. 汽车领域高性能纤维在汽车领域的应用也已经逐渐成为趋势,例如碳纤维、玻璃纤维、UD纤维等在汽车外壳和零部件制造中得到广泛应用,提高了汽车的燃油经济性、降低了空气阻力、改善了安全性。
高性能纤维的特征及其应用一、高性能纤维的定义:具备特殊耐受力的一类材料高性能纤维,是指对外部的力、热、光、电等物理作用和酸、碱、氧化剂等化学作用具有特殊耐受能力的一种材料。
包括高强度、高模量、耐高温、阻燃、抗电子束辐射、抗射线辐射、耐酸、耐碱、耐腐蚀等的纤维。
被称为第三代合成纤维。
这类纤维由于具有比普通纤维更高的机械强度和弹性模量,更好的热稳定性、耐酸碱性及耐候性。
是20世纪60年代初发展以来,高分子纤维材料领域发展迅速的一类特种纤维。
它被称为继第一代锦纶、涤纶和腈纶及第二代改性纤维(包括差别化纤维)之后的第三代合成纤维。
二、高性能纤维类别繁多高性能纤维按化学组成可分为有机和无机高性能纤维两大类。
有机高性能纤维是由有机聚合物制成的高性能纤维或利用天然聚合物经化学处理而制成的高性能纤维,按其大分子刚柔性可分为刚性链聚合物纤维和柔性链聚合物纤维。
其中,刚性链聚合物纤维由芳香族大分子构成,大分子柔软度较差,包括芳纶、聚四氟乙烯等;而柔性链聚合物纤维大分子不包含芳香环,柔性度较好,包括超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯醇纤维、超高分子量聚丙烯腈纤维等。
无机高性能纤维一般以矿物质或金属为原料制成。
它同样具有不同的分子构象或结构,如无定形纤维、多晶纤维和单晶纤维等。
主要品种有碳纤维、玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、金属纤维等,此外尚有石棉纤维、矿渣棉、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等其他无机纤维。
三、应用集中于工业,其中高强度高模量纤维发展最快高性能纤维在国防军事和工业领域应用十分广泛。
尤其是在有特殊要求的工业和技术领域,比如宇宙开发、海洋开发、情报信息、能源交通、土木建筑、军事装备、化工和机械等诸多方面,高性能纤维起着不可缺少的作用。
有机高性能纤维中的高模量高强度纤维每年以两位数速率增长。
有机高性能纤维可分为4大类近40种,分别为高强高模纤维、耐热纤维、抗燃纤维及耐腐蚀纤维。
目前,已经商品化的高性能有机纤维当属高强高模纤维增长最快,主要品种的需求量均以2位数增长,耐热纤维次之,主要品种以5%-10%的年增长率发展,抗燃纤维和耐强腐蚀性纤维相对增长缓慢,但又不可缺。
高性能纤维一、中国高性能纤维复合材料需求将日渐强劲,尤其是航天航空、汽车、风电等领域。
根据 JEC 集团研报显示,最近几年全球复合材料需求增长一半都在亚洲,亚洲尤其中国市场增长较快,预计到2013 年中国将占据全球复合材料市场增长 43%的份额;目前国内复合材料用于交通运输的比例相对比较小,只占5%,低于全球 24%平均水平;在工业设备领域比例为10%,也低于全球26%的平均水平。
目前高性能纤维在飞机上的比例为50%-80%,波音公司预计到2025年中国运输飞机数量将是原有的3倍;国内风电和汽车领域需求旺盛,高性能纤维复合材料作为一种先进的轻质高强材料,符合风力发电机组大容量发展趋势,迎合汽车安全、轻型化发展方向。
二、世界三大高性能纤维:1)碳纤维:目前全球碳纤维产能已供过于求,虽然国内碳纤维进口依赖率高达 83.9%,进口替代空间大,但国内碳纤维技术仍待突破,目前进口碳纤维产品价格已逼近国内生产成本。
我们认为碳纤维价格若维持低位,将促进碳纤维在高端产业和工业领域中的普及应用,由于碳纤维每一级的深加工都有高幅度的增值,碳纤维下游复合材料企业将从中直接受益。
2)芳纶纤维:目前全球芳纶纤维整体已出现供过于求局面,但其中芳纶 1414 的供求形势依旧偏紧。
国内芳纶纤维消费旺盛,年复合增长率约为 30%。
我们认为,随着供给增加,国内高温滤料用芳纶 1313 或将出现产能过剩,芳纶 1313 在需有一定技术含量的防护领域、芳纶纸高端产品应用领域市场潜力大;国内芳纶1414 主要依靠进口,供给是关键。
3)超高分子聚乙烯纤维:目前全球超高分子聚乙烯纤维供不应求,供给缺口为 9万吨以上;国内供给缺口为8000吨左右,国内部分企业产品已达世界先进水平,供给是关键。
三、投资策略及重点公司。
由于高性能纤维及复合材料性能要求高、生产工艺复杂、技术壁垒高,是未来产业升级的关键要素,建议投资者关注其中具有技术、规模优势的公司,如生产航空航天复合材料产品,技术垄断优势明显的公司:博云新材(002297);具有生产芳纶纤维中间体技术优势的的供应商:浙江龙盛(600352);具备高端芳纶纤维产品生产技术和规模领先优势的龙头企业:烟台氨纶(002254);关注具有生产超高分子聚乙烯纤维技术与规模实力的上市公司:S 仪化(600871)。
高性能纤维技术了解高性能纤维在行业中的应用高性能纤维是一种具有出色强度和耐磨性的纤维材料,其在各个行业中广泛应用。
本文将从不同的角度介绍高性能纤维技术及其在不同行业的应用。
一、高性能纤维技术的概述高性能纤维是一种由特定材料制成的纤维,具有较高的拉伸强度和抗拉应力。
它们通常由聚合物、金属或陶瓷等制成,并经过特殊的加工和处理过程,以获得优异的性能。
高性能纤维广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、防护装备等领域。
二、高性能纤维在航空航天领域的应用航空航天领域对材料的要求极高,高性能纤维由于其轻量、高强度和耐高温等特性而成为首选材料。
在航空航天领域中,高性能纤维常被用于制造飞机、导弹和航天器的结构件,如飞机机身、发动机罩等。
其优异的性能可以有效提高飞行器的性能和安全性。
三、高性能纤维在汽车行业的应用汽车行业对材料的要求包括强度、刚度、热稳定性等方面,高性能纤维在满足这些要求的同时减轻了整车的重量,提高了燃油经济性。
高性能纤维可以用于制造汽车的结构件、内饰件以及汽车电池等。
其优异的性能可以提供更好的碰撞安全性和驾驶舒适性。
四、高性能纤维在体育器材领域的应用在体育器材领域,高性能纤维的应用范围广泛,如高性能碳纤维、芳纶纤维等。
这些纤维被广泛应用于制造高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等器材。
高性能纤维的轻质和高强度能够提供更好的性能,为运动员提供更好的体验。
五、高性能纤维在防护装备领域的应用防护装备领域对材料的要求非常高,高性能纤维由于其出色的抗冲击性和抗刺穿性而成为理想的材料。
在防弹背心、防刺服、安全带等防护装备中广泛采用高性能纤维制成的材料,有效保护人身安全。
总结:高性能纤维技术在航空航天、汽车、体育器材和防护装备等行业中得到广泛应用。
高性能纤维的轻质、高强度和耐磨性使其成为各行业中的理想材料,大大提升了产品的性能和质量。
随着技术的不断发展,相信高性能纤维将在更多的领域展现出其巨大潜力。
高性能合成纤维也相继问世,如具有吸湿排汗功能的Coolmax纤维、高吸水性复合纤维Hygra、纳米远红外纤维、抗菌防臭纤维、常温常压无载体易染聚酯纤维PBT、丙烯酸酯系弹性纤维阿尼姆Anidex等;天然纤维品种的创新也取得可喜的进展,如今,天然彩棉的内衣、衬衫已进入市场,让人们体验到真正意义上绿色环保纤维的优点。
除此以外,彩色羊毛、彩色兔毛、细软苎麻、拉细羊毛、抗菌功能大麻、罗布麻等纤维的研发也逐渐商业化。
纺织品后整理技术发展迅速。
如防皱、磨绒、烂花、涂层、压花、砂洗、复合、纳米接枝等技术处理,使服装面料的外观、手感、功能、风格各异,为服装设计提供无限的发展空间。
绿色环保材料已成为服装贸易的主题。
随着世界纺织品服装贸易配额的即将取消,世界发达国家对纺织品服装材料的卫生环保要求逐步严格。
如纺织品服装禁用偶氮染料、服装甲醛残留量指标、金属制品中重金属离子含量标准等。
我国也已制定相关的纺织品服装进出口环保技术标准。
新型结构的纱线和织物。
从纱线结构来看,一是多纤维混纺面料形成趋势。
利用各种纤维材料性能优势的互补性,开发多种纤维不同比例混纺,以获取性能优异的新型面料,已形成趋势,尤其在各种休闲服装面料开发上。
二是纺纱形式的创新,如新型的紧密纺、包缠纺、赛络纺,为纱线结构、手感、风格带来全新的概念,从织物结构来看,多层结构织物赋予织物种种特殊性能,如保暖、增强、吸湿导汗、起泡起皱等。
2、论述羊毛织物涤毛混纺织物和毛型化纤织物的常用鉴别方法。
首先从感官鉴别来看:全羊毛织物,一般毛纤维含量在95%以上。
用感官法判断全毛织物还有一定困难。
全毛织物特征是色泽均匀、柔和,手感柔软,用手紧握手中有明显的弹性感,放开后会有一些浅折痕,恢复较慢。
全毛织物用手搓捏时有丰糯滑腻的油脂感,这是区别化纤仿毛织物的特征。
涤毛混纺织物,布面光洁明亮,织纹清晰,光滑挺爽,与全毛相比手感稍有硬挺之感,弹性好,手抓握放开几乎没有抓痕。
仿毛织物,原料有涤纶、腈纶、粘胶,普遍的特性是有毛感,但缺乏羊毛的油润感。
高性能纤维目录编辑本段定义高性能纤维是具有特殊的物理化学结构、性能和用途,或具有特殊功能的化学纤维,一般指强度大于17.6cN/dtex,弹性模量在440cN/dtex以上的纤维。
如耐强腐蚀、低磨损、耐高温、耐辐射、抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、反渗透、高效过滤、吸附、离子交换、导光、导电以及多种医学功能。
这些纤维大都应用于工业、国防、医疗、环境保护和尖端科学各方面。
编辑本段分类高性能纤维按性能可分为耐腐蚀性纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、高强度高模量纤维、功能纤维和弹性体纤维等。
①耐腐蚀纤维:即含氟纤维。
有聚四氟乙烯纤维(Teflon TFE)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚纤维(TeflonFEP)、聚偏氯乙烯纤维(Kynar)、乙烯-三氟氯乙烯共聚纤维(Halar)等。
②耐高温纤维:有聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(No-mex)、聚酰亚胺纤维(Αримид ∏Μ)、聚苯砜酰胺纤维(СульФон-Τ)、聚酰胺酰亚胺纤维(Kermel)、聚苯并咪唑纤维(PBI)等。
③抗燃纤维:有酚醛纤维(Kynol)、芳香族聚酰胺表面化学处理纤维、金属螯合纤维、聚丙烯腈预氧化纤维(Pyromex)等。
④高强度高模量纤维:有聚苯二甲酰对苯二胺纤维(Kevlar)、芳香族聚酰胺共聚纤维(HM-50)、杂环族聚酰胺纤维(Βниивлон СΒΜ)、碳纤维(Carbon fiber :Torayca)、石墨纤维(M40)、碳化硅纤维等。
⑤功能纤维:有中空纤维半透膜(B-9、B-10、PRISM等)、活性碳纤维(KF等) 、超细纤维毡(Ф∏∏15等)、吸油纤维毡(Tafnel等)、光导纤维(Crofon、Eska等)、导电纤维(Antron Ⅲ)等。
⑥弹性体纤维:有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维(Spandex)、聚丙烯酸酯类纤维(Anidex)、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维(Fibre-L)等。
大多数高性能特种纤维采用湿法纺丝制成。