新型纤维的性能及应用

新型纤维的性能及应用（精选七篇）

新型纤维的性能及应用篇1

我国2000年前后从日本引进丽赛纤维，成为当时我国攻克高档纤维素纤维生产技术的代表项目。丽赛纤维的生产线建立过程几乎秘而不宣，经过四年多的精心准备，2004年丽赛才在上海揭开面纱亮相业界。两年来对丽赛的好评如潮，国内外纺织行业专家学者多次在公开场合表示丽赛是我国高档纤维素纤维的代表性产品，丽赛一进入市场，就高扬“价值从纤维开始”的理念，塑造市场价值链，塑造新世纪的纺织、服装审美价值。健康、绿色、舒适成为丽赛纤维产品永远的主题[1,2,3,4]。

1 纤维形态结构

由于莫代尔、丽赛纤维都是粘胶纤维，故将莫代尔、普通粘胶纤维、丽赛纤维从形态结构上做以比较。

1.1 纤维表面形态和纤维截面形态

从表面形态来看，莫代尔、普通粘胶纤维有1～2根沟槽;而丽赛纤维无沟槽、表面光滑，见图1。从截面形态来看，莫代尔、普通粘胶纤维都呈锯齿形、有皮芯层，但莫代尔的皮层比粘胶纤维要厚得多，而丽赛纤维截面形态呈圆形的全芯结构，见图2[5]。

1.2 纤维的形态结构分析

再生纤维素纤维都是由纤维素大分子构成，但由于原料特征的不同和受纺丝凝固条件的影响，它们在形态结构(皮层、内芯层)上存在着明显的差异，一般皮层(简称表层)和内芯层(简称芯层)的结构也有相当大的区别：再生纤维素纤维表层大分子的取向度较高，结构紧密，结晶区颗粒小，结晶度较低;芯层大分子取向度较低，结构疏松，结晶颗粒较大，结晶度较高，利用特殊的纺丝工艺条件，可以使纤维截面中皮层增厚，芯层变薄，甚至几乎没有芯层，全是皮层;也可制得几乎没有皮层结构只有芯层结构的纤维。丽赛纤维即是这类全芯结构的纤维。独特的纵、横向结构使丽赛纤维比较柔软、表面顺滑，织成的面料极富弹性，悬性好，手感柔软滑爽。

实验数据表明丽赛纤维的取向度、聚合度均高于莫代尔和普通粘胶纤维，即丽赛纤维具有更高的沿纤维轴向的规整性。因此决定了丽赛纤维的断裂强度高、结晶度适中、断裂伸长适中。

2 丽赛纤维性能

丽赛纤维是一种新型再生纤维素纤维，该纤维从根本上克服了粘胶纤维的缺点，秉承了该系列纤维的所有优点，具有超爽、超滑、超软的“超棉”特质。

2.1 柔软性

丽赛纤维的柔软性来源于纤维素大分子无规则的粒子型结晶和全芯结构，这一点与天然棉纤维的微结构非常相似，但它的柔软性却比棉要好得多，这与它光滑的圆柱形表面有关。更可贵的是，经过多次洗涤后，丽赛纤维织物仍然能保持这种柔软性，而棉织物经过多次洗涤后，由于易吸附钙皂，而逐渐变糙变硬。

2.2 亲肤性

丽赛纤维超天然的亲肤性来源于植物纤维素大分子上的亲水性基团以及天然纤维素的柔韧性。它的吸湿导湿性比天然棉纤维要好得多，吸湿性接近羊毛，亲肤性和舒适性胜过羊毛。它优良的吸湿导湿性来源于纤维微结构中通透性极好的互相连接的非结晶区，这使丽赛纤维纺织品的服用性能提升到一个新的高度。

2.3 高模量和弹性

丽赛纤维的高模量和刚性弹性来源于极好的纤维素大分子取向度，这在再生纤维素纤维中是佼佼者。高取向度的实现，是生产丽赛纤维的关键技术之一。丽赛纤维的断裂强度接近于涤纶的强度，湿断裂强度是粘胶纤维的3倍，因此，它大大改善了纤维的纺、织、染的加工性能和纺织品的服用性能。

2.4 悬垂性

丽赛纤维光滑的圆形横截面和全芯结构使纤维光泽好，容易制成桃皮绒风格的纺织品，具有极好的悬垂性和滑爽感。

2.5 染色性

丽赛纤维具有纤维素纤维的属性，具有较高的取向度和适量稳定的结晶度，可染性好，鲜艳度极佳，并适合所有纤维素纤维的染整工艺和染料应用。

2.6 耐碱性

耐碱性好，与棉混纺织物还可进行丝光处理，改善织物手感与光泽，使混纺织物更具有特色[6]。

2.7 吸湿和干燥性能

该纤维具有高吸湿度和干燥度，使该纤维的织物具有良好的舒适感和身体亲和性，是一种全新的绿色亲肤纤维。

2.8 拉伸性能

该纤维良好的干伸与湿伸性能，使所制织的织物具有良好的尺寸稳定性。

2.9 环保性

丽赛纤维废弃物可自然降解，绿色环保，因此也是生态纺织品的主要原料之一[2,3,4,5,6,7]。

3 应用

3.1 丽赛纤维织物产品

丽赛纤维广泛应用于服装、家纺等领域，有纯纺、混纺、复合纺产品及交织产品。目前，已经面世的产品有丽赛纯纺;与棉、亚麻、大麻混纺;与羊毛、羊绒混纺;与天丝、PTT等复合。

除此之外，丽赛纤维还能够生产一些特殊产品，如针织色纺纱、花式纱、色织布等。

3.1.1 针织产品

由于丽赛短纤卷曲度较好，织物中存留静态空气较多，因而具有较好的保暖性。同时，作为绿色环保纤维，丽赛纤维与人体皮肤具有良好亲和性，而且十分柔软，许多舒适性指标都接近于羊绒，被业界称之为“植物羊绒”。这些特性使其成为保暖内衣原料上乘之选。丽赛纤维初始模量较大，回弹性好，利用这一性能，可制成蓬松度较好、手感丰满的仿毛类毛衫织物。由于丽赛纤维吸湿性较好，由其织成的织物具有良好的导湿透气性，同时纤维对人体皮肤无刺激性，且柔软滑糯，因而是生产T恤面料的理想选择。

针织工艺设计原则为：

纯纺是最佳选择;

与弹性纤维结合，可织造出高弹、舒适的内衣;

与棉、绢、羊绒和大豆蛋白纤维及其它功能性纤维混纺，可以织制透气、手感柔软、滑爽，保暖、抗菌、抗紫外线等保健功能的针织产品。

3.1.2 机织产品

纯纺高支高密平纹织物透气、平挺、细腻、滑爽。纯纺纱线和涤纶交织的平纹织物平挺、细腻、滑爽、抗皱性好。纯纺斜纹织物厚实、透气、保暖，抗皱性好，采用高捻度纱线，织物悬垂性与弹性更佳。纯纺提花织物透气、厚实、丰满、柔软、色泽光亮。

与棉、麻混纺，经过碱及生物酶处理，可以制得表面光洁、滑、挺、爽、尺寸稳定、且成本较低的轻薄织物及家纺用品。

与细羊毛或羊绒混纺，可制得厚实、丰满、保暖、弹性好的外衣织物。

与其它合成纤维、弹性纤维混纺，可以制得导湿、透气、手感柔软、滑爽、色泽鲜艳、富有光泽、尺寸稳定的服装面料。

由于该纤维初始模量较大，纤维弹性较好，由其制成的衬衫面料形态尺寸稳定性好，挺括有骨感，且手感滑糯。作为纤维素纤维，丽赛纤维染色鲜艳，富有光泽，且织物成形性好，因而可被广泛用于制作女装面料[8]。

3.1.3 用丽赛纤维生产家纺产品

由该纤维制成的家纺产品较为柔软，且富有弹性，对人体皮肤具有很好的亲和性，是新一代家纺产品的良好选择。

丽赛纤维用来制作毛巾产品非常合适。这是由于该纤维具有良好的吸湿性能，并且非常柔软。同时可直接将该纤维用来生产毛巾产品，而不需像棉那样先要对棉纤维进行丝光处理以除掉纤维上的蜡质，然后再用来生产成品。丽赛纤维本身具有极佳的弹性，通过与弹力丝混纺制成弹力布，不但使织物具有良好的弹性，而且还兼有丽赛纤维本身所具有的系列优良性能。

3.1.4 特殊产品

3.1.4. 1 针织色纺纱

先将各组分纤维分别进行染色，然后将不同颜色纤维混纺制成色纱。由此色纱制成的织物颜色较为鲜艳，同时还具有各组分纤维的优越性能。

3.1.4. 2 花式纱

良好的可纺性使丽赛纤维可像其它再生纤维素纤维那样进行纺纱织造，因而也可制成各种风格不同的花式纱，以拓宽产品应用范围。

3.1.4. 3 色织布

将不同颜色的纱线与上色后丽赛纱线相互交织，织成色织布。该布具有丽赛纤维各项优良性能，可用来制作各种色织服装。

3.2 织物性能

丽赛纤维的织物主要具有以下性能特点：

织物平滑性好;

织物悬垂性好;

织物有身骨，软而弹;

织物形态、尺寸稳定性好;

织物导湿透气、亲肤性好;

染色鲜艳，富有光泽;

耐碱性好，可作轻度丝光处理。

4 发展前景

4.1 进行特殊风格整理

4.1.1 桃皮绒风格整理

由于丽赛纤维全芯结构和高取向度，可以通过工艺、助剂、专用设备等条件使纤维表面产生原纤化，这种微原纤的长度一般不超过0.2mm，原纤化等级可达3级以上。经过整理后的纤维织物具有桃皮绒风格。

4.1.2 仿真丝风格整理

丽赛纤维是光滑的圆柱形表面，本身就具有滑爽、光泽、亮丽的特点，但由于该纤维是短纤维，要想达到理想的效果，纺纱时尽可能采用赛络纺、紧密纺等纺纱工艺使毛羽降到最低。织纹设计中，缎纹组织更具有表现力，染整过程也要注意尽可能地去除毛羽保持纤维表面的光亮。

4.2 利用混纺技术开发差别化丽赛纤维

4.2.1 生理舒适功能类纤维

吸湿排汗、超吸湿、充气型、温湿度调节等。

4.2.2 保健功能类纤维

抗菌防臭、蓄热保温、防紫外线和芳香保健等。

4.2.3 人体防护功能类纤维

如防焰耐燃、电磁波屏蔽等。

4.3 拓展使用领域

作为制造粘胶基碳纤维的纤维材料;

作为制造非织造布的纤维材料[7,8,9,10,11]。

5 结语

丽赛纤维紧紧抓住了21世纪的服装面料发展的三大特点：一是突出以人为本;二是绿色环保健康;三是服装面料功能化的特性，集时尚、品质、功能于一身，尤其是它和不同产品的结合时，将会产生明显不同的效果。它既符合“可持续发展”的要求，又满足人们日益追求自然、舒适、美观和卫生保健的时尚需求，因此，该纤维将会得到更广泛的应用，具有很好的市场前景。

参考文献

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[3]赵博.丽赛纤维混纺纱产品的开发与研制[J].广西纺织科技, 2005, 34 (4) :21-23.

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[6]刘森, 李发学等.Richcel纤维的耐碱性能研究[J].纺织科学研究, 2004, 21 (2) :12-14.

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[9]徐森.Polynosic纤维的几个突出性能及应用探讨[J].纺织导报, 2006, 24 (1) :55-57.

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聚醚醚酮纤维的制备、性能及应用篇2

1 PEEK纤维的制备

关于PEEK纤维的报道最早始于上世纪80年代,Zyex公司首先向市场推出了PEEK单丝,商品名为“Zyex”,之后于80年代末期又推出了PEEK复丝和短纤维[1]。

目前所报道的PEEK纤维都是通过熔体纺丝方法制得的。将PEEK树脂经过高温熔融后进行纺丝,可以制成耐高温、耐化学腐蚀的高性能特种纤维。其制备过程可分为干燥、纺丝成型、拉伸、松弛热定型等几个工序。纺丝过程较为重要的工艺参数有:(1)适宜的纺丝温度范围为370～420℃;(2)经喷丝板挤出的PEEK熔体料条要通过一个热甬道进行延时冷却,以阻止从喷丝板挤出的初生丝迅速冷却,以降低初生丝的取向程度,有助于初生丝的牵伸,通常热甬道温度在260 ～330℃之间[2];(3)PEEK初生丝的拉伸宜在190～260℃温度范围内进行,拉伸比2.0～3.5∶1,此时牵伸丝具有大的取向度和结晶度,力学性能较好;(4)PEEK纤维的松弛热定型温度为250～320℃,松弛定型比为0.8～0.98∶1[2],经过松弛热定型,PEEK纤维的结晶更加完善,力学性能进一步提高。

通过高温熔融纺丝工艺,由PEEK切片最初可以制备直径约0.2～0.8mm,断裂强度25～40 cN/tex,断裂伸长25%～40%,180℃空气中热收缩率2%以内的PEEK单丝。随着合成技术的进步,PEEK聚合物的质地和均匀度都有所提高,目前已经可以纺制出直径在70μm以下PEEK单丝、直径在20μm以下的短纤维,以及线密度在5～15dtex之间、断裂强度65cN/tex以上、断裂伸长小于20%、热收缩率小于1%的PEEK复丝[3],并完成了商品化生产和推广。

另外,Zyex公司还研制出了一种可耐高温并可用于制造轻质耐磨损织物的中空纤PEEK纤维,并申请了专利[4]。这种空心纤维首先从环状模具挤出,之后淬火,在加热滚轴上拉丝,并再进行拉伸和张弛处理,然后卷绕包装。这种纤维的外径为0.07～0.8mm,其体积空隙率达80%,其耐磨损性可达实心单丝的3～4倍之高。用相对昂贵的PEEK中空纤维制得织物的性能与实心纤维织物相当或更优,但其空隙可节省成本并减轻重量。

2 PEEK纤维的性能

PEEK纤维是一种半结晶的热塑性高性能纤维,表1列出了其主要的一些性能参数。

PEEK是一种线性全芳香族结晶聚合物,由于其分子链具有刚性的苯环、柔顺的醚键及提高分子间作用力的羰基,并且分子链段结构规整,因此PEEK纤维的许多优异性能[5]表

现在以下几个方面:

(1)耐高温性:PEEK纤维无论在空气中还是在水蒸汽中所具有的良好耐高温性能都是其它纤维无法比拟的。有研究表明,PEEK纤维在270℃热空气中老化50d后,强力保持了79.7%[6],在300℃还能保持一定强度,其连续使用温度接近260℃。另外PEEK纤维的热稳定性很好,在空气中的起始分解温度达560℃[6]。

(2)阻燃性:PEEK纤维有难燃性和自熄性,极限氧指数为33[7],充分燃烧时只产生H2O 和CO2,不产生任何有毒气体,其在燃烧过程中放出的烟气和毒性是高性能纤维中最低的,并且燃烧时形成残留焦炭,不会熔化或滴落[8]。

(3)耐化学药品性:PEEK纤维具有优异的耐化学药品性。在通常的化学药品中,PEEK纤维只溶解于浓硫酸,并且在高温下耐酸碱性也比其他大多数高性能纤维好[9],具有优良的耐腐蚀性。

(4)耐磨性:PEEK纤维一个比较突出的性能是使用过程中具有良好耐摩擦能力,常温下即表现出很好的耐摩擦性能,并且其耐磨性不随温度、压力等的改变而发生明显变化[10],160℃高温下PEEK纤维使用寿命是尼龙的3倍多。

(5)优良的弹性回复能力:PEEK纤维产品不仅具有低应变(在恒定负荷下保持固定的延伸率),而且还能在冲击负荷下具有很好的弹性回复能力,因此这类产品可以用作网球拍弦和管弦乐器的乐弦。

(6)绝缘性稳定性:PEEK纤维具有优良的电绝缘性能,且其绝缘性随温度、湿度、频率的改变变化极小。

(7)耐紫外光老化性:PEEK纤维随紫外光老化时间增加,断裂强度、断裂伸长率降低,出现明显的脆化现象,但即使在紫外光照射6d后,PEEK 纤维的断裂强度仍保留56%左右,具有比较优良的耐紫外光老化性能[11]。

(8)耐水解性:PEEK纤维的吸水率很小,平衡吸水率约为0.5%。其在高达200℃,并有气压的蒸汽环境中长时间放置几乎没有强力损失,甚至温度达到250℃时,强力损失也只有10%/月[1]。

(9)清洁性:通过前面所述工艺加工制备的PEEK纤维,具有很高的纯度和清洁性,能够满足医用注射以及食品包装的要求。

(10)可回收性:除了比大多数纤维更经久耐用外,PEEK纤维还可以回收再利用,用100%的PEEK纤维可以回收得到90%的原材料,甚至可以生产出一级聚合物[12]。

3 PEEK纤维的应用

PEEK主要有单丝、复丝和短纤维。由于PEEK纤维具有优良的耐摩擦、耐高温、耐腐蚀等性能,目前已在许多领域得到了应用,如工业、航空、医疗等领域,主要用作高温传送带、耐热滤布、耐热耐腐蚀纺织带、航天部件、医疗器械及能源工业的耐高温材料等。

(1)传送带:

PEEK纤维可在高温条件下用于传送带和运输带,造纸、织物热定型、纺织印花、无纺布粘合和食品加工等领域。在造纸工业中,选用直径为0.4～0.5mm 的PEEK单丝织成双层结构作为干燥用织物,它带着湿的纸张通过烘箱或一系列大的热压滚筒使水分快速蒸发[13]。虽然PEEK纤维的价格比经常用于该场合的聚酯和PTFE涂层玻璃纤维贵,但使用PEEK可以减少生产过程中更换传送带的次数,从而使生产中断和时间损失降到最少,进而提高生产效率。

PEEK纤维由于优良的清洁性还被大量地应用于网眼传送带,在制药及加工各种食品时用于高温烘干。这种传送带不仅耐用,且非常干净容易除菌,因为传统的金属传送带在使用过程中由于磨损会造成金属污染,这种传送带还有逐步取代金属带的趋势[1]。

(2)过滤织物:

由于优良的耐高温和耐磨性,PEEK纤维常用于制作过滤筛和高温气体过滤毡等。用直径0.05～0.3mm的细PEEK纤维或用交替的束丝经过密织制成具有特定要求的精密网孔筛布或过滤布,可用于化学药品生产中过滤热的熔融粘合剂以及造纸工业中帮助粉末浆脱水等。用短纤维附在PEEK纤维增强织物上针刺而制成高温气体过滤毡,可对高温蒸汽中的小颗粒进行分离,常作为高温烟道气滤材或用于航空飞机和汽车的燃料过滤器等。与其他材料制成的气体过滤毡相比,PEEK基过滤网的的热稳定性好、抗撕拉能力强、尺寸稳定性好,并可在对耐磨要求高的场合下使用[13]。另外PEEK纤维作为过滤织物也广泛应用于医学领域,在透析、层析仪器或诊疗设备中使用,可保证纯净度。

(3)编织物、绳索和弦:

由于PEEK纤维优良耐磨损性、耐弯曲疲劳性和耐剪切性能,经常使用直径0.2 ～0.3 mm之间染成黑色的PEEK单丝编织成衬套,来保护飞机发动机、汽车排气系统或与之相近的电子线路[14]。

还可以使用PEEK复合丝做成缝纫线或绳索,用于过滤织物和带的增强体。

PEEK纤维不仅具有低应变,而且在高速交变应力的作用下还具有很好的弹性回复能力,因此还可以用作体育和乐器用弦,如网球拍弦和吉他、小提琴弦等。

(4)复合材料:

PEEK纤维用于复合材料织物是PEEK纤维最重要的应用领域,可用于航空航天、高级轿车、医疗及体育领域,尤其在航空航天领域发展很快。因为宇航工业所要求的结构材料是质轻、具有杰出热性能及物理机械性能、并且在着火时对乘客及机务人员危害性小的材料,PEEK纤维作为一种高性能纤维完全满足上述要求。这种复合材料织物通常是以PEEK纤维与其他增强纤维,如玻纤、对-芳纶、碳纤维按一定比例和方式结合起来的复合材料。用PEEK复丝与高强高模的碳纤维进行三维编织制得预制件,预制件加热后在一定压力下固化,这样PEEK纤维就会熔融流动并覆盖碳纤维,从而制得具有优异性能的三维编织碳纤维增强PEEK复合材料[15]。采用三维编织技术与热压方法结合,可以解决因PEEK熔点高、熔体黏度大等特点造成的预浸料的铺敷困难,而且可以保持碳纤维的单向强度,从而制备出具有优异的抗蠕变、耐湿热、耐老化、耐磨损的高性能热塑性树脂基复合材料。另外,用PEEK纤维制成复合材料还可用作增强高压蒸汽管、热水膨胀波纹管、耐热耐压的增强化学药品管等,应用于需要耐高温、耐水解、耐高机械作用和化学应力作用的场合[16]。

(5)医用材料:

PEEK纤维最新的一个用途是在医疗技术方面。由于其纯度高、无毒(FDA认可)、并且具有非常好的耐消毒性、射线透射性和良好的人体相容性,使得PEEK纤维的医用前景也十分广阔。复合的PEEK材料可用作人造器官、手术器具、手术骨钉和螺丝、骨骼替代材料、导管和气管的代用材料等。好的弹性回复能力和高的能量吸收能力使得PEEK很适合用作韧带材料,另外特制的PEEK纤维作为缝合线用于移植的器官上,并可长期使用[12]。

4 PEEK纤维的研究现状及发展前景

PEEK纤维作为一种性能优良的高性能特种纤维,从问世以来就引起了学者的广泛关注。其中Martia H G Deeg等对PEEK的可纺性及纺丝工艺进行了研究[17];Lee L H等对拉伸温度与拉伸速率对PEEK纤维结晶及力学性能的影响进行了研究[18]; Brunig H等还用自己组装的高温螺杆纺丝装置制得了单丝直径小于0.1dtex的复丝[19]。目前PEEK纤维工业化生产最有代表性的是英国Zyex有限公司,该公司从20世纪80年代就开始从事PEEK纤维产品的生产和市场的开发,并陆续推出了PEEK单丝、复丝和短纤维,产品种类有10多种。最近美国Zeus公司也宣布开始商业化生产PEEK纤维。

但由于PEEK这种高性能材料的军用背景,自问世后西方国家就对其进行垄断和封锁,目前我国PEEK纤维的开发及应用尚处于萌芽状态。吉林大学特种塑料研究中心于80年代初期开始对PEEK树脂进行研究,首先成功合成PEEK并于2003年实现产业化,从而使我国成为在国际上继英国Victrex 公司之后第二个能用本国独立自主知识产权技术生产这种材料的国家。随着PEEK合成技术的进步,国内PEEK纤维的研究也日益增多。天津工业大学于建明[20]、华南理工大学许忠斌[21]、先进复合材料国防重点实验室益小苏[22]、北京服装学院张天骄[6]、四川大学叶光斗[11]等从纺丝工艺、纺丝设备及纤维性能上对PEEK纺丝进行了较为细致的研究;吉林大学王贵宾课题组研究开发出了PEEK 纺丝专用料及高性能PEEK特种纤维,获得了PEEK 特种纤维的稳定制备技术,申请了专利[2],并于2005年与德阳科吉高新材料有限责任公司和四川大学合作,在国内共同开发率先生产PEEK纤维,填补了国内空白,之后于2009年研究了一种改性PEEK纤维的制备方法并申请了专利[23]。

但由于原料和市场等原因,目前我国PEEK纤维的研究基本还处于实验阶段,尚无规模化生产,PEEK纤维及其产品主要靠国外进口。目前国内PEEK纺丝存在的问题主要有:(1)原料问题。纺丝级PEEK对树脂的纯度及相对分子质量及分布等要求很高,目前国内能满足纺丝要求的PEEK树脂品种很少;(2)纺丝技术和设备问题。PEEK熔体黏度大,流动性差,要求的纺丝温度较高,因而对纺丝设备也提出了更高的要求。

作为新一代纤维,PEEK纤维的开发及应用基本还处于萌芽状态,但PEEK纤维作为一种高性能纤维具有许多其它潜在的应用领域,因此具有广阔的市场前景,其必将在国防及民用各工业领域中起到越来越重要的作用。目前各国都在加紧对PEEK纤维的研究,我国更应加大对PEEK纤维的研发扶持,尽快促使国产PEEK 纤维商品化,提高纤维制造的自动化程度和生产率,降低PEEK纤维生产成本,以带来更大的社会效益和经济效益。

摘要：介绍了聚醚醚酮(PEEK)纤维的制备方法及纺丝工艺,总结了PEEK纤维的优异性能;阐述了PEEK纤维的应用领域;综述了PEEK纤维当前国内外的研究开发概况;并提出我国应加大PEEK纺丝级原料及相应纺丝设备的研发,尽快实现PEEK纤维国产化。

新型海藻酸铜纤维的制备和性能研究篇3

1 实验部分

1.1 原料

原料:海藻酸钠,青岛明月海藻集团有限公司;水合硫酸铜,分析纯,莱阳市经济技术开发区精细化工厂。

1.2 纤维的制备

将一定量的海藻酸钠溶解于去离子水中,制得一定浓度的海藻酸钠溶液,经过滤,脱泡后运用湿法纺丝法制备得到海藻酸铜纤维,将纤维充分水洗,烘干后得到测试样品。

2 纤维的结构与性能测试

SM-6390LV型扫描电镜观察共混纤维的表面形态。

FAVIMAT AIROBOT型全自动单丝测试仪测试纤维的纤度、强度、断裂伸长及应力应变情况。样品测试次数为50次;测试长度为15mm,名义线密度为2.4dtex;强伸度测试速度为20mm/min,预加张力为0.06cN/tex;线密度测试速度为20mm/min,预加张力为0.06cN/tex;修正值为0.0%。

3 结果与讨论

3.1 能谱测试结论

表1、表2中数据均是根据化学归一法计算所得,表1为表2的标准样。

由表1可知,根据化学归一法计算所得的海藻酸钠粉末中所含的主要为C、O、Na、Ca 4种元素。

根据“蛋盒结构”理论,铜原子的个数与氧原子的个数比最大应为1∶13,但从表2可见,铜原子个数与氧原子个数的比值远远大于1∶13。笔者认为“蛋-盒结构”理论可以解释海藻酸钙成纤的原理[3,4],但是能谱数据表明:铜离子与海藻酸的结合方式可能并非单纯图2中所指的螯合作用。据已有的研究结果[5,6,7,8,9]和理论推测海藻酸钠对铜离子的吸附作用机制,可能是由于海藻酸钠微粒表面具有不饱和离子和具有孤对电子的羧基、羟基等化学基团,一方面海藻酸钠的不饱和离子与铜离子发生离子交换反应;另一方面海藻酸钠微粒表面的羧基、羟基等与铜离子发生螯合作用。所以实验中纺制的纤维含有过量的铜离子,并且笔者认为,二价金属离子既具有防电磁波的功效,又能消除静电,平衡人体电位,在受到摩擦和外界温度的影响时,离子可加速运动,使离子的机械能转换为热能,起到改善人体微循环和保暖的作用,所以此种纤维可以作为防电磁辐射、抗静电和抗菌的新型多离子纤维,可以广泛应用于民用防电磁辐射衣物和纺织品,是目前国际最先进的第六代屏蔽电磁辐射材料[10]。

3.2 扫描电镜分析

扫描电镜观察海藻酸铜纤维表面形态如图3。

从图3可见,纤维粗细均匀,纤维直径大约为50μm,纤维表面凹凸不平且沿轴向方向有筋状结构出现。原因可能是丝条凝固后交联度大、形成致密结构,而在热水中的牵伸倍数较大,这导致纤维内部的大分子的取向度提高;再者,由于经过烘干处理,随着纤维内部水分的蒸发,纤维间可能因为形成氢键而紧密结合,致使原有的结构被破坏,形成塌陷,而使得纤维表面不够光滑。这有可能会提高纤维的强度,但致密的结构同时也有可能降低纤维的吸湿性能。

3.3 单纤维拉伸性能分析

单纤维拉伸测试结果可见表3。

海藻酸铜纤维的粗细均匀(从图3可见),因此线密度比较均匀;比较样品的50次测试结果发现,纤维的断裂伸长度和强度略有变化,但总体上比较均一。这可能是由于丝条在凝固时形成了较均匀的皮层和芯层结构,而且热水牵伸浴的温度不是很高,因此虽然牵伸倍数比较大,但还不至于造成纤维内部大分子间的滑移,从而使得纤维的整体质量比较高。将测试结果与文献报道的海藻酸钙纤维相比较发现,平均断裂强度26.10cN/tex要比相关文献[11,12]报道的11.56cN/tex和13.8cN/tex高,但平均断裂伸长度4.45%却要比文献的20.41%和21.5%低很多。笔者认为,相对于文献中的钙离子,铜离子的体积要大,这使得铜离子与海藻酸的结合更紧密,其间的作用力要强于钙离子与海藻酸的螯合作用,这就增加了纤维的取向度,从而提高了纤维的强度和纤度。在提高纤维强度和纤度的同时,紧密的结构也造成了离子间的滑动受到了较大抑制,在宏观上表现为断裂伸长度相对于海藻酸钙纤维低。

4 结论

(1)以铜盐作为纺丝凝固浴生产的海藻酸铜纤维中含有大量铜离子,而铜离子与海藻酸的结合方式并非像海藻酸钙的“蛋-盒结构”一样,同时大量的铜离子的存在使得此种纤维可以作为防电磁辐射、抗静电和抗菌的新型多离子纤维,可以广泛应用于民用防电磁辐射衣物和纺织品。

(2)所制得的海藻酸铜纤维表面大分子在轴向上的取向度高,结构致密;平均断裂强度为26.10cN/tex,线密度为5.62dtex。

摘要：用自制的湿法纺丝机制备了海藻酸铜纤维,并用扫描电镜及能谱对其进行了表征,且对纤维进行了单纤维拉伸测试。拉伸结果表明,海藻酸铜纤维的平均断裂强度为26.10cN/tex,线密度为5.62dtex。

关键词：海藻酸钠,铜离子,结构,防电磁辐射

参考文献

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新型纤维的性能及应用篇4

中华民族的竹文化源远流长, 自古就有“宁可食无肉, 不可居无竹”一说。随着现在科技的不断发展, 竹原纤维作为一种源于绿色植物的天然纤维用于纺织行业中, 具有一系列其它纤维无法比拟的优点, 如抗菌性、耐磨性、吸湿性、透气性。在产业用方面也具有及其广阔的发展前景。

竹纤维又称“BAMBOO纤维”, 也有人称其为“天竹纤维”, 是继彩棉等纤维素纤维及蜘蛛丝等蛋白纤维之后我国自主研发成功并投入生产的天然纤维素纤维, 也是近年来开发的唯一的凉爽性纤维素纤维[1]。据测定它的化学成分主要是纤维素、半纤维素和木素, 另外还有灰分等少量物质。

1 竹纤维优良的性能

1.1 天然抗菌性

众所周知, 由于竹子本身有抗菌的特性, 所以在其生长过程中一般不会出现虫蛀、腐烂等情况, 也无需使用任何农药。这一特性让竹纤维制品不仅具有许多天然产品的优点外, 让其拥有独特的抗菌性能成为了可能。经研究, 如果在生产过程中采用特殊工艺技术处理, 保持竹纤维的抗菌性不被破坏, 让抗菌物质始终结合在大分子上, 就能有效实现竹纤维的抗菌特性。经有关部门检测, 优秀的竹纤维产品抗菌率高达71%, 而通过显微镜观察同样数量的细菌[2,2], 在竹纤维制品中无法长时间生存, 并会在短时间内减少, 甚至消失, 而像在棉纤维和木纤维等天然纤维制品中则无减少这一现象, 细菌会正常繁殖。另外, 竹纤维的抗菌性为天然抗菌性, 不会对皮肤造成任何过敏性反应, 这与在后处理过程中加入抗菌剂的纤维织物有很大不同, 这也赋予了竹纤维制品有更加优异的适用性。

1.2 优异吸湿性

竹纤维由于其优异的吸湿性被誉为“会呼吸的纤维”, 与之密切相关的一个特点是其横截面上布满空隙, 呈现高度天然中空。这一物理特性使得竹纤维及其制品拥有了更加优异的吸湿、解吸和导湿性能。研究发现, 竹纤维在标准状态下的回潮率为12%, 与近似于普通粘胶纤维l3%～15%的回潮率, 而在空气温度为36℃、相对湿度100%的特殊状态下, 竹纤维的回潮率可高达45%, 且回潮率从8.75%增加到45%仅需6h[3,3], 具有快速吸湿的特性。

1.3 绿色环保性

前文提到, 竹子由于自身具有天然抗菌性, 所以在生长期内不必使用任何农药, 对环境和产品本身不产生任何污染, 确保了竹纤维从一开始就能达到生态纺织品的要求。特别是完全采用物理方法而制成的原生竹纤维, 其在原料的生产和提取过程中, 可保证全部实施绿色生产, 因此原生竹纤维制品也同样是绿色产品[4,4]。同时, 由于竹纤维及其制品源自天然, 生长周期短, 非化学合成, 具有优良的生物可降解性, 可完全分解回归自然, 符合当前提倡的对资源的可再生循环利用。

由上述竹纤维的优异性能可以看出:竹纤维将有广阔产业用前景, 加上其生长周期短, 可生物降解, 对环境无污染, 质轻价廉等特点。对于充分利用天然资源, 坚持环境保护, 走可持续发展的道路我国现今经济与环境保护政策, 具有积极的意义。而如何提高竹纤维产品的附加值, 扩大纺织物的品种和用途, 特别是研究原生竹纤维的规模化制造和提取, 促进传统纺织工业的科学发展, 都将用有极大的市场潜力和可预见的良好发展前景。

2 竹纤维的制取方法

2.1 原生竹纤维

原生竹纤维是完全采用物理方法而制成, 即利用物理的方法将原料经去青, 然后经反复轧压, 再采用脱胶工艺进行脱胶, 经部分脱胶后, 利用余胶将纤维一根根相互连接起来, 从而达到制成原生竹纤维的目的。

2.2 再生竹纤维

再生竹纤维是采用化学物理相结合的方法而制成, 即以竹子为原料, 经过化学物理方法将竹纤维提纯, 使其纤维素含量达到93%以上, 然后采用水解、蒸煮及多段漂白等工艺去处纤维素中会影响反应的物质, 从而制成能满足拉丝生产要求的竹浆, 再加工制成粘胶纤维[5,5], 即再生竹纤维。

两种纤维因来源不同, 必然会造成性能上的极大差异。研究结果表明:天然竹纤维具有优异的抗菌性能, 夏季干爽舒适性好, 热稳定性好, 结构上属结晶度高、大分子排列紧密的典型的纤维素型结晶。竹浆粘胶纤维则由于纺丝过程而在性能上受到很大损伤, 强力低、结晶度低、大分子排列较稀疏, 回潮率高, 属于与普通粘胶纤维相似的再生纤维素纤维[6,6]。失去了竹纤维的很多优异的特性。

3 竹纤维在产业上的应用

竹纤维的多项性能优势, 为竹纤维的市场开发奠定了一个光明的前景, 也使得竹纤维纺织产品的附加值高。竹纤维被重点用于生产具有特效功能的产品上, 如内衣、贴身T恤衫、衬衣、袜子、浴巾、浴衣、毛巾、床上用品、脚垫、凉席、地毯以及纱布、口罩等医用产品。竹纤维产品市场广阔, 产业前景远大。

3.1 竹纤维医用产品的研发

竹纤维具有天然的抗菌功效。日本纺织检查协会的检验证实, 由竹纤维制成的纺织品24h抗菌率可达到71%, 大大高于其他种类的纤维。竹纤维的天然抗菌性使其面料在服用时不会对皮肤造成任何过敏性反应, 而也有研究表明, 竹纤维织物经过反复洗涤、日晒也不会失去其独特的抗菌作用。这也是其抗菌性与在后整理过程中加入抗菌剂的纤维织物的根本区别[7,7]。所以竹纤维非常适用于医用产品的研发, 并且顺应了人们崇尚绿色环保、卫生保健的心态。

3.2 竹纤维复合材料的研发

(1) 用于汽车内饰件的竹纤维/聚丙烯纤维复合材料研制

以竹纤维/聚丙烯纤维复合材料作为汽车内饰件用复合片材。该类复合片材, 主要是以竹纤维的高强度来增强聚丙烯材料, 通过复合显著增强其比模量和比强度, 非常适合制作高强的汽车内饰件, 并且具有加工方便的特点, 在国外已作了大量的研究和发展。但是该类研究在我国起步较晚, 因此, 开展高性能的竹纤维复合材料及其制品的应用开发研究, 对充分利用我国丰富的竹资源优势, 利用已有的复合材料技术优势改造传统的农林业和工业, 进一步加强环境保护, 坚持可持续发展的科学道路具有重大意义[8,8]。该类复合材料以其优越的性能以及其可再生性而日益用受到重视。从未来发展趋势看, 复合材料在汽车工业以及其它高科技产业的应用将越来越广泛。

(2) 竹塑复合材料的研制开发

纤维增强复合材料是一种新型结构材料, 它利用具有良好力学性能的竹纤维与塑料进行复合, 使复合产品具有比强度高, 比刚度大, 可设计性等一系列的优点, 并具有强度高, 材质轻, 抗腐蚀好, 抗高温好, 抗老化性优的特点, 具有极大的使用价值。另一方面, 能利用我国竹资源十分丰富, 且价格非常低廉的情况, 使该类材料又具有良好的经济价值。再次, 竹纤维是一种具有绿色环保性天然材料, 无污染, 又具有极高的环境保护和社会价值。在建筑和民用公共建设等方面具有极大的发展潜力及应用前景。

竹纤维在其他产业方面也有较广泛的应用。Panasonic和日本京都同志社大学共同开发出款采用竹纤维作为原料的高级HiF音箱产品。Panasonic利用竹纤维代替日前HiFi音箱中普遍采用的人造纤维, 拥有韧性强, 音域广等诸多优点一一成本也更为高昂。Panasonic已在2007年推出首款市场化产品一一不仅音色更迷人, 还是标准的绿色环保产品[9,9]。

4 结语

新型纤维的性能及应用篇5

超高分子量聚乙烯纤维是自上个世纪80年代发展起来的一种高性能纤维,工业化生产采用凝胶纺丝超倍拉伸技术,是凝胶纺丝技术中的代表产品。一问世便以出色的性能受到市场的关注。20多年的发展过程中,生产技术不断改进,性能、产量均有长足的进步。现如今,该种纤维世界范围内生产能力超过1万吨/年,商业级顶级产品的强度能达到40cN/dtex。

超高分子聚乙烯纤维具有高取向度,高结晶度,微纤沿拉伸方向排列规整度高,使用电子显微镜还能够观察到“串晶”结构。这些结构赋予其良好的机械性能:沿纤维轴向方向,纤维具有很高的耐拉伸性,比强度,比模量都较高;即使在很低的温度下,该纤维仍能够保持柔软,有研究表明,即使在-150℃的条件下,纤维也无脆化点[1]。该纤维的缺点也很明显,不耐高温,表面加工困难,不易染色,不易与其他材料粘接,耐蠕变性能差。

通过对超高分子量聚乙烯纤维的结构与性能进行比较、联系,人们对这种纤维诸多性能的内部结构原因有了较深入的认知。

用于制作超高分子量聚乙烯纤维的原料分子量较高,一般在100万以上;具有比较高的结晶度,产品的结晶度一般不低于75%;有较高的取向度,微纤轴方向与纤维轴方向之间的夹角COSΨ值一般不低于0.9697;这些特点赋予其沿拉伸方向有着较高的强度,一般在24cN/dtex以上;较高的模量,一般在700cN/dtex以上。可通过提高分子量,增加纤维中伸直链结构等方法进一步提高其强度和模量。

超高分子量聚乙烯纤维的基本结构为聚乙烯,聚乙烯分子本为非极性分子,无极性基团,分子间作用力小,分子易发生内旋转。这些结构特点导致聚乙烯纤维熔点较低,通常不高于170℃;耐蠕变性能差,70℃,72h,20%负荷蠕变实验,原纤伸长率不低于3.0%。如若提高其耐高温,耐蠕变性能,需要对纤维进行改性处理,引入极性分子或使其内部发生交联。目前这方面还没有听说有实质性的研究进展。

因为聚乙烯分子结构简单没有极性基团,也使其表面加工性能差,不易做染色及粘结处理,如需改善其表面加工性能,还需在其表面引入极性基团。

1.1 耐高能辐射性能

超高分子量聚乙烯纤维在受到高能辐射,如电子射线或γ射线的照射时,分子链会发生断裂,纤维强度会降低。有研究表明当吸收剂量达到1×102kJ/kg时,会对纤维的性能发生显著的影响。但当吸收剂量高达3×106kJ/kg时,纤维还可以保持可用的强度。在正常生产和储存期间无需对日照进行特殊防备[2]。

1.2 耐化学性能

由于聚乙烯结构中不含有任何羟基,芳香环等能够易与接触物质发生反应的基团,而且经过超倍拉伸后,超高分子量聚乙烯纤维具有较为致密规整的内部结构,这些特点使超高分子量聚乙烯纤维非常耐受化学试剂的腐蚀,对于常见的酸碱腐蚀,耐受性明显高于同为高性能纤维的芳香族纤维。但受制于聚烯烃结构的特点,超高分子量聚乙烯纤维对氧化较为敏感,在强氧化作用下,会很快的失去强力。但是在正常的空气环境中,纤维能够稳定的存在很多年。

1.3 耐疲劳性

在绳索应用领域,耐疲劳性是一项重要的质量指标。通常绳索使用的材料为涤纶和锦纶,与它们相比,超高分子量聚乙烯纤维不仅强度高、模量量,还有着良好的抗弯曲疲劳能力,具有长挠曲寿命,这与其低压缩屈服应力有关。因为聚乙烯的自润滑性,超高分子量聚乙烯纤维制成的绳索也具有很好的耐磨性能。

2 超高分子量聚乙烯纤维的主要用途

2.1 绳缆

由于超高分子量聚乙烯纤维高强力,高模量,耐腐蚀,耐磨损,耐光照,柔韧性好,其用于制作绳索是一种非常优秀的材料。因为其密度为0.98g/cm3,能够漂浮在水上,在水中的自由断裂长度为无限长,因此尤其适用于海洋用绳。随着我国经济发展水平的提高,高性能船用绳缆必将逐步替代现有普通船缆。在许多低温应用领域,如航天降落伞,飞机悬吊重物的绳索,高空气球的吊索等,超高分子量聚乙烯纤维绳缆也是首选。

2.2 安全防护

超高分子量聚乙烯纤维与树脂复合材料的抗冲击韧性非常好,具有较强的比冲击吸收能量,分别是E玻璃纤维复合材料、芳纶及碳纤维的1.8倍、2.6倍及3倍[2]。因此该种复合材料在防冲击吸能领域具有非常好的应用。例如用于防弹的避弹衣、头盔、复合装甲等;用于安全生产的防切割手套,护具,防冲击板材等;用于高危环境下的防冲击护具,如警用防刺服,矿工防砸头盔等。随着世界热点地区的紧张局势加剧及该生产成本下降,民间消费水平的提高,该纤维在防冲击吸能领域有着非常好的发展前景。

2.3 渔业

目前,合成纤维已成为制作渔网的最普遍的材料。在网线强度相同的条件下,用超高分子量聚乙烯纤维加工成的渔网比普通的纤维要轻至少40%,能够极大的提高捕捞作业的劳动效率,减少渔船能耗。超高分子量聚乙烯纤维用作深海养殖网箱,可以制作的无限大,良好的机械性能又能够很好的防治食肉鱼对经济鱼类的猎杀,有效地控制养殖成本及风险。

2.4 休闲体育用品

由于超高分子量聚乙烯纤维复合材料比强度比模量高,韧性和损伤容限好,因此制成的运动器械重量轻且结实耐用。如今,超高分子量聚乙烯纤维被用作网球拍,滑雪板,冲浪板等体育用品的骨架材料,以其优良的性能,赢得了使用者的喜爱。

2.5 其他复合材料的应用

超高分子量聚乙烯纤维作为一种性能优异的材料,很多科研人员希望能够通过界面改性,合理结构与混杂形式的优化等方面,研究开发新一代高性能复合材料,拓展其应用领域。一些相对比较成熟的研究成果给超高分子量聚乙烯纤维的应用提供了更多的可能。

2.5.1 航空航天结构材料

由于超高分子量聚乙烯纤维复合材料质轻,高强,耐冲击,适用做于飞机一些非高温部位的金属替代材料,现在飞机翼尖等领域有所使用。

2.5.2 薄壁耐压容器

利用超高分子量聚乙烯纤维高强高模的性质,耐化学腐蚀性能好,以其为原料制作的复合材料制成的高性能薄壁高压容器,能够用于存储较为广泛的气体或液体介质。它的形状转化效率高达97%,耐压容器性能系数比芳纶制品高45%。

2.5.3 水上结构材料

以超高分子量聚乙烯纤维复合材料制成的船身具有重量轻,使用寿命较长的特点[3],还可以用它制作潜望镜和海上平台等结构材料,它还被用作制作帆船风帆。

2.5.4 高性能轻质雷达罩

超高分子量聚乙烯纤维的介电常数低,介电损耗值低,电信号失真小,透射系数高,用于雷达罩基材各方面的性能参数均高于现在常用的玻璃纤维,是制作高性能轻质雷达罩的首选材料[4]。

2.5.5 医用高分子材料

超高分子量聚乙烯纤维的生物相容性和耐久性都较好,化学稳定性好,不会引起人体的过敏反应和生物排斥反应。可以用作医用缝合线及人造器官,例如人造关节,人造韧带,人造肢体等[5]。

3 结束

在“十一五”规划中,将超高分子量聚乙烯纤维项目列为重点发展的高科技项目,并将该种纤维作为国家鼓励发展的特种纤维之一。随着经济水平的提高,生产技术的进步,超高分子量聚乙烯纤维有着广阔的应用前景。

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新型纤维的性能及应用篇6

关键词：壳聚糖,非织造布,性能,应用

0 引言

壳聚糖纤维是以壳聚糖为主要原料, 在适当的溶剂中将其溶解, 配制成一定浓度的胶体纺丝原液, 再经喷丝、凝固成形、拉伸等工艺, 制备成具有一定机械强度的高分子功能性材料。早在1942年, 美国就首先研制成功壳聚糖纤维, 由于当时对壳聚糖纤维的特性研究不太深入, 尤其是壳聚糖纤维的抗菌性未被发现, 因而未被人们接受。20世纪80年代, 日本开展壳聚糖和甲壳素及其衍生物纤维的研究, 到20世纪90年代初期, 日本的富士纺织株式会社实现了壳聚糖纤维的工业化生产[1,2]。我国自20世纪90年代中期才真正开始对壳聚糖纤维制备及对其功能性进行广泛研究。壳聚糖纤维的生物相容性, 广谱抗菌性、生物可降解性等特殊功能, 已为人们所关注。

1 壳聚糖纤维的制备及主要性能

1.1 壳聚糖纤维的制备[3]

由于壳聚糖的化学结构与纤维素比较相似, 人们自然而然地想到了用它们去生产纤维。普遍采用的纺制壳聚糖纤维的方法是湿法纺丝法[4,5,6]。一般的工艺过程是先把壳聚糖溶解在合适的溶剂中配制成一定浓度的纺丝原液, 经过滤脱泡后, 用压力把原液从喷丝头的小孔中呈细流状喷入凝固浴槽中, 在凝固浴中凝固成固态纤维, 再经拉伸、洗涤、干燥等后处理就得到壳聚糖纤维。工艺流程:虾壳→壳聚糖→溶解→纺丝原液→过滤→脱泡→喷丝→凝固→拉伸→淋洗→干燥→切断→成品。

主要工艺过程:首先在搅拌下把壳聚糖溶解在由5%乙酸水溶液和1%尿素组成的混合液中, 经过滤脱泡后得到浓度为3.5%、粘度为1.52Pa·s的纺丝浆液, 用孔径0.4mm, 180孔的喷丝头, 将纺丝浆液挤出到室温的凝固浴中, 凝固浴为不同浓度的氢氧化钠与乙醇的混合液, 凝固的纤维用温水洗涤, 按1.25倍的伸长率卷绕, 在80℃于张力状态下干燥0.5h即得壳聚糖纤维。

1.2 壳聚糖纤维的主要性能

1.2.1 机械强度

机械强度是衡量纤维品质的重要指标之一。壳聚糖是2-氨基-2-脱氧葡萄糖单体通过9- (1, 4) 糖甘连接起来的直链多糖, 其分子量通常达100万以上, 经溶解、凝固、拉伸制备成分子排列规则、结构紧密的壳聚糖纤维, 其干强一般为0.97～2.73cN/dtex, 湿强为0.35～1.23cN/tex。

1.2.2 吸湿性

纤维吸湿性的强弱与纤维分子中亲水性基团的数量、纤维结构的微孔性及纤维之间的饱和性有关。壳聚糖纤维因其大分子结构中含有大量的亲水性基团, 同时又是通过湿法纺丝而成, 分子间形成了许多微孔结构, 致使纤维具有很好的透气性和保水率, 一般保水率在130%以上。

1.2.3 广谱抗菌性

壳聚糖具有广谱抗菌性。自1979年Allan提出壳聚糖的抗菌性以来, 其抗菌性和抗菌机理一直是国内外学者研究的热点, 尽管对其抗菌机理尚有争议, 然而其抗菌性能已是一个公认的事实。

1.2.4 生物相容性和可降解性

壳聚糖作为低等动物组织中的纤维成分, 从大分子结构上来看, 它们既相似于植物组织中的纤维素结构, 又与高等动物组织中的胶原质结构相类似。因此它们不但与人体有着极好的生物相容性, 同时又可被生物体内的溶解酶分解成糖原蛋白为人体吸收。

2 壳聚糖纤维非织造布研究进展

2.1 针刺、水刺壳聚糖非织造布

壳聚糖纤维具有纺织加工性, 但它不是热塑型纤维, 在熔融之前就分解, 不能进行熔融纺丝。在非织造领域, 作为原料一般用干法生产壳聚糖产品。因其生物降解性能, 使其在固网时不能用化学粘合和热粘合方法, 一般采用针刺或者水刺方法。

工艺流程:壳聚糖纤维原料→开松→梳理机梳理→铺网→牵伸→固网 (针刺、水刺) →后处理→成品卷绕。

利用针刺、水刺方法加工制成的产品除了具备壳聚糖本身的优点外, 还兼有各种加工方法制造的非织造布的优点。例如, 采用针刺法生产的壳聚糖非织造布密度大、强度较高、结实;水刺法生产的壳聚糖非织造布柔软, 悬垂性、适形性、透气性都很好[7]。

壳聚糖纤维表面粗糙, 弹性较差, 较为硬挺, 对梳理成网造成一定影响;且由于壳聚糖纤维卷曲度较低, 对水刺固结中纤维之间缠结力有一定负面影响;此外, 壳聚糖纤维单纤维断裂强度比常规纤维低。以上因素导致壳聚糖纤维针刺、水刺非织造布的强力比常规非织造布强力低一些。并且在壳聚糖纤维生产过程中, 应将纤维表面溶剂及杂质彻底清洗干净, 否则会导致所生产的非织造布有异味, 对水刺法的水循环系统造成影响[8]。

2.2 静电纺壳聚糖纳米纤维非织造布

静电纺丝是目前制造纳米级纤维的基本方法, 它所纺制的纤维直径范围在几十纳米到几微米之间。静电纺丝过程是带电聚合物溶液或熔体在电场力的作用下流动变形, 形成喷射细流, 在外加电场中发生不稳定运动并分裂, 同时溶剂挥发或熔体固化形成超细纤维, 之后纤维落在接收装置上, 形成非织造布[9]。

工艺流程:壳聚糖→溶解→纺丝液→挤压→静电牵伸→成网→产品。

利用静电纺丝法生产的壳聚糖产品, 其纤维直径小, 形成的非织造布在力学性能、导电性、吸附性等方面表现出优良的性质, 再配合壳聚糖本身独特的性能, 使其在纳米纤维材料的复合、过滤、生物医学应用和防护服等领域得到很好的利用[10]。

2.3 壳聚糖/粘胶混纺改性[11]

目前这方面的应用还不是很多, 但是随着技术的进步, 一定会得到广泛的应用。

基本工艺流程就是将纤维素预处理、溶解, 再加入适量壳聚糖, 经纺丝、后处理, 制成壳聚糖改性粘胶纤维。这种方法制成的粘胶纤维对环境无污染, 也具有壳聚糖的抗菌性能, 具有良好的纺织加工性, 适用于纺织和无纺加工, 其产品可应用于保健内衣裤、女士内衣、婴儿服装及各种床上用品, 医疗卫生用品以及军队和野外工作人员服装等。

3 壳聚糖纤维生产存在的问题[12]

经过多年的研究与发展, 壳聚糖纤维的生产已取得了很大的进步, 但仍然存在着一些问题, 有待于解决。

3.1 壳聚糖纤维的纯度低

纺丝液在凝固浴中形成了初生纤维, 初生纤维中存在着溶剂和凝固剂, 大部分溶剂在后面的拉伸浴中可以被去除, 但仍有少许溶剂残留在纤维中, 而且为了提高壳聚糖的溶解性和成纤性, 纺丝过程中通常使用了一些化学助剂, 这些助剂在纺丝的后道工序中很难被完全去除。纤维中溶剂、凝固剂和助剂的存在不但使壳聚糖纤维的成本提高, 而且降低了壳聚糖纤维的纯度, 限制了壳聚糖纤维在医用领域的广泛使用。

3.2 壳聚糖纤维的可纺性能差

目前, 国内外的科研机构、高等院校和一些企业为提高壳聚糖纤维的可纺性做了大量的研究[13]。研究表明, 通过改进壳聚糖纤维的纺丝工艺, 对壳聚糖纤维进行改性处理等方法可提高壳聚糖纤维的强度等可纺性能, 但壳聚糖纤维的可纺性仍然很差。壳聚糖纤维仍存在着强度偏低, 线密度偏粗, 纤维之间容易粘连等缺陷。为克服这些缺陷, 壳聚糖纤维可与粘胶纤维、涤纶、丙纶长丝、粘胶长丝等纤维混纺[14], 亦可做成无纺布, 但纯纺壳聚糖纤维仍有一定的困难。

3.3 产业化程度低

目前, 国内生产壳聚糖纤维的厂商有几十家, 但几乎没有年产量超过10T的生产厂家。壳聚糖纤维生产存在着产量低、产业化程度低、生产厂家规模小的问题。这就要求一些具有实力的生产厂家进行技术整合和技术创新, 扩大壳聚糖纤维的生产规模, 提高壳聚糖纤维的生产质量, 满足对壳聚糖纤维日益增长的需求。

4 展望

高性能陶瓷纤维的性能及其应用篇7

在复合纤维中, 增强材料的主要作用是增加强度, 改善复合材料的力学性能。理想的增强材料应具备高比强度、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、耐辐照等性能。因此, 材料科学的研究人员开发出许多新的增强材料, 如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维和陶瓷纤维等[1]。其中的陶瓷纤维是一种纤维状的高性能增强材料, 具有高强度、高模量、低密度及耐高温等特性, 作为高温结构和耐磨耐蚀材料的应用很有前景[2]。

1 陶瓷纤维的结构与性能

1.1 陶瓷纤维的分类

陶瓷纤维的种类较多, 常用的一种分类方法是根据其微观结构形态分为非晶质 (玻璃态) 纤维和结晶质纤维两大类。非晶质纤维具有各向同性、含较大的内能、处于介稳态、可自发放热转变为晶体以保持能量最低状态的特性。晶质纤维则是一种具有多晶相结构的纤维状陶瓷材料, 其特点是晶粒较小并分布广泛。

1.2 陶瓷纤维的化学组成

陶瓷纤维的化学组成见表1。从中可看出非晶质纤维大都属中、低档品种, 使用温度一般不超过1300℃, 而晶质纤维属高档品种, 性能更优, 其使用温度在1300~1600℃。

1.3 陶瓷纤维的一般物理性质

陶瓷纤维直径多为2~5μm, 长度为30~250mm, 呈表面光滑无缺陷的圆柱形, 截面往往是圆形。与传统轻质耐火材料相比, 陶瓷纤维具有气孔率高、气孔孔径和比表面积大等优点。一般陶瓷纤维气孔率大于90%。

1.4 陶瓷纤维的热学性质

陶瓷纤维中的传热不单纯是固态纤维的导热, 同时还存在着空气的导热、空隙中气体的对流传热和孔壁之间的辐射传热。对均质材料来说, 导热系数代表材质本身的热性能, 多孔混合结构的陶瓷纤维的导热系数则表征了其内传导、对流及辐射等三种传热效果的总和。影响陶瓷纤维导热系数的主要因素包括温度、纤维密度、熔体中的渣球、纤维直径、纤维温度、使用气氛和纤维集合体的堆砌方向及形态等。

1.5 陶瓷纤维的使用性能

1.5.1 耐热性能

由于纤维的结晶、晶粒生长、晶型转变和纤维中杂质对结晶的影响, 聚晶及纤维接触处的烧结、高温蠕变等因素, 会造成纤维结构收缩、失弹、脆折, 甚至发生烧结, 丧失纤维状结构。因此各类陶瓷纤维都有一个最高使用温度, 国际上习惯将其分成四个等级温度, 即1000℃型、1260℃型、1400℃型和1600℃型。

1.5.2 抗热震性能

陶瓷纤维具有优良的抗热震性, 这和它的集合体构造 (由直径2~5μm的纤维缠结而成, 气孔率大于90%) 有关, 该构造使其质地柔软富有弹性, 并能在各个方向自由伸长。

1.5.3 化学稳定性能

在氧化性和中性气氛条件下陶瓷纤维具有优良的化学稳定性;但在还原性气氛及真空条件或含有硫酸盐、氟化物碱金属等物质的条件下, 陶瓷纤维的化学稳定性差。

1.5.4 隔音性能和电绝缘性能

陶瓷纤维集合体是一个多孔物质, 可用作消音材料。体积密度小的陶瓷纤维制品对于高频声波的吸音效果好, 而对低频声波则相反。

陶瓷纤维具有优良的电绝缘性能, 但这一性能会随温度的升高而降低, 但在高温时仍有很高的介电常数和低介电损耗。

1.5.5 抗风蚀性能

陶瓷纤维制成纤维集合体常用作耐高温材料使用, 无纺针刺技术引入陶瓷纤维二次制品生产之后, 使陶瓷纤维针刺毯的抗风蚀性能提高至20m/s。

1.5.6 弹性及抗透气性

陶瓷纤维用作高温气体的密封材料和衬垫材料, 应具有一定的弹性和抗透气性。当温度超过400℃时, 随着温度升高将会产生一定的蠕变, 从而使纤维制品的回弹性逐渐减小[3]。

2 陶瓷纤维的制备方法

2.1 涂层法

化学纤维通过陶瓷粉、粘合剂和分散剂混合液的喷涂, 在纤维表面涂覆一层陶瓷粉, 就制成了陶瓷纤维。该法也存在着制品手感、耐久性差等问题, 因此目前采用这种方法的较少。

2.2 溶液纺丝法

预先将陶瓷粉分散于聚合物原液中, 聚合制成含陶瓷的切片, 再经纺丝制成纤维。此法成本较低且成纤性好, 但由于直接将陶瓷粉加入聚合釜中, 会使釜受到污染, 因此在多品种小批量生产中一般不采用此法。

2.3 熔法纺丝法

2.3.1 全造粒法

将陶瓷粉与成纤聚合物先经熔融造粒和干燥, 然后直接用于纺丝。陶瓷粉与成纤聚合物均匀混合, 纺丝稳定性好, 但由于再造粒工艺的引入, 使得生产成本增高。

2.3.2 母粒法

将陶瓷粉与成纤聚合物经熔融造粒和干燥后, 用做母粒再与定量成纤聚合物混合纺丝。设备投资较少, 生产成本降低, 但陶瓷粉与成纤聚合物混合可能不均匀, 影响纺丝稳定性和产品质量。

2.3.3 注射法

采用注射器将陶瓷粉直接注入到成纤聚合物中。技术路线简单, 但陶瓷粉与成纤聚合物的均匀分散有困难[4]。

2.4 水热法

水热法, 又名热液法, 是指在密封压力容器中以水 (或其他流体) 作为溶媒 (也可以是固相成分之一) , 在高温 (>100℃) 、高压 (>9.81 MPa) 的条件下制备材料的一种方法[5]。

2.5 碳纤维灌浆置换法

碳纤维灌浆置换法是利用多孔碳纤维的吸附特性, 将碳纤维束在含有陶瓷组分的浆料或溶液中浸泡, 然后在高温下氧化除掉有机组分而形成陶瓷纤维。该法制备的纤维相互粘连严重, 影响复合材料的均匀性和机械性能[6]。

2.6 超细微粉挤出纺丝法

采用熔融拉丝的方法要求初始材料须具有较低的熔融温度, 但是一般陶瓷的熔点都在2000℃以上, 难以直接在熔融状态下拉制纤维。为此研究人员在纺丝助剂 (可热分解的有机聚合物) 的作用下, 将陶瓷超细微粉配成浆料, 经挤出、蒸发溶剂、煅烧和烧结等过程便可得到所需的陶瓷纤维。

2.7 基体纤维溶液浸渍法

为了制备工艺的简便, 科技人员又开发出了一种基体纤维溶液浸渍法。此法是采用无机盐溶液浸渍基体纤维, 然后烧结除去基体纤维而得到陶瓷纤维。

2.8 化学气相沉积法 (CVD法)

CVD法需要以一种导热、导电性能较好的纤维作为芯材, 利用可以气化的小分子化合物在一定的温度下反应, 生成目标陶瓷材料沉积到芯材上, 从而得到“有芯”的陶瓷纤维。由CVD法制备的陶瓷纤维, 其纯度很高, 抗拉强度和弹性模量都非常理想[7]。

例如:由钨芯硼纤维氮化而成, 制造时先将硼纤维加热至560℃进行氧化, 再将氧化纤维置于氨中加热至1000~1400℃, 反应约6h后即可制得BN纤维。

2.9 化学气相反应法 (CVR法)

CVR法需要以一种可以通过反应转化成目标纤维的基体纤维为起始材料, 与引入的化学气氛发生气—固反应形成陶瓷纤维。

例如:以B2O3为原料, 经熔纺制成B2O3纤维, 再置于较低的温度和氨气中加热, 使B2O3与氨气反应生成硼氨中间化合物, 再将这种晶型不稳定的纤维在张力下进一步在氨气或氨与氮的混合气体中加热至1800℃, 使之转化成BN纤维, 其强度可高达2.1GPa, 模量可达345GPa[8]。

2.1 0 其他制备方法

除了上述介绍的制备方法外, 还可通过悬浮瓷粉纺丝法、溶胶—凝胶法、混炼—煅烧—干燥法、模板法、电解法和激光加热支承生长技术等方法来制备陶瓷纤维。目前, “电阻法喷吹成纤、干法针刺制毯”和“电阻法甩丝成纤、干法针刺制毯”仍为国际上陶瓷纤维生产的两种典型的工艺技术。

3 陶瓷纤维的应用

3.1 高温绝热材料

近年来, 国外在钢铁工业中越来越多地应用各种陶瓷纤维制品, 其应用范围也在不断扩展。在各种工业炉中应用陶瓷纤维炉衬, 可以节能20%~40%, 还可以使工业炉的自重降低90%, 钢结构重量降低70%。

3.2 过滤材料

陶瓷纤维具有强度高、抗热冲击性好和耐化学腐蚀等特点, 是一种理想的高温过滤材料。近年来已经使用陶瓷纤维成功开发出各种过滤器, 广泛应用于火力发电厂、金属冶炼厂及化工厂的消烟除尘中, 还可用于消除柴油发动机废气中有害物质。

3.3 填密材料和摩擦材料

用硅酸铝纤维、丁腈橡胶、无机粘结剂、云母和非膨胀蛭石可以制得一种无石棉的高温填密材料用陶瓷纤维;高铝水泥、合成橡胶和吸水聚合物还可以制得一种在水中具有良好粘接性能的耐水密封材料。陶瓷纤维同玻璃纤维、岩棉一样, 可以用来制造无石棉摩擦材料。这类摩擦材料的特点是摩擦系数稳定、耐磨性良好、噪音低。

3.4 绝热涂料

陶瓷纤维用作高温绝热涂料的网架材料可以改善涂料的强度、减少收缩率、降低容重、增加绝热效果。陶瓷纤维与耐热结合剂等组成的喷涂涂料可用专门的喷射设备进行喷涂施工。

3.5 铁电压电材料

Li Nb O是一种重要的铁电压电材料, 可用于SAW器件和电光器件中, 它的单晶纤维可用作电光调制器、谐波发生器和参量振荡器。非晶Pb Ti O纤维可用于非线性光学领域, 而结晶的钙钛矿结构Pb Ti O, 纤维可用于热释电传感器件。PZT是最重要的铁电压电材料, 是目前应用最广泛的压电铁电陶瓷纤维, 它在超声材料、智能材料等方面有着很大的应用潜力。PLZT陶瓷纤维是新型的铁电压电材料, 从图1中可以看出其具有良好的铁电性能[9]。

4 结语

陶瓷纤维具有质量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低和比热小及耐机械震动等优点, 因而广泛应用于石化、冶金、电力、航空、航天、消防、家电、汽车、船舶及纺织等各个领域。随着应用技术的提高, 陶瓷纤维还在不断拓展新的应用领域。近年来, 陶瓷纤维在高温烧成窑炉方面的应用日益扩大, 以陶瓷纤维制成的各类制品以隔热效果好、使用简便, 特别是蓄热小等特点, 普遍用于各式窑炉中, 显示出很高的节能效率。目前, 在全球能源价格不断上涨、节能已成为国家战略的背景下, 比隔热砖与浇筑料等节能达10%~30%的陶瓷纤维在我国得到了更多、更广的应用。

摘要：作为先进复合材料的增强剂, 高性能陶瓷纤维日益引起材料研究人员的广泛关注。现简要叙述了陶瓷纤维的结构与性能, 介绍了陶瓷纤维的制备方法以及应用领域。

关键词：陶瓷纤维,性能,制造工艺,应用

参考文献

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