资源简介

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第一章
纤维的分类及发展
分类
高强高模纤维
无机类纤维
名称
芳香族聚酯（PHBA）、聚苯并噁唑
聚苯并噁唑（PBO）、 （PBO）、氧化高性能聚乙烯（HPPE）PAN纤维、间位芳
纤维 纶（MPIA）纤维
对位芳纶（PPTA）、 聚苯并咪唑（PBI）、聚 氟纤维
（PTFE）、聚醚 酮醚（PEEK）、聚醚酰亚胺（PEI）纤维
碳纤维（CF）、高性能玻璃纤维（HPGF）、陶瓷纤维（碳化硅，氧化铝等纤维）
高性能金属纤维
主 高强（3-6GPa）、高要 模（50-600GPa）、耐特 较高的温度（120-
征 300℃）的柔性高聚物
高极限氧指数，耐高温柔性高聚物
耐各种化学腐蚀，性能稳定，高极限氧指数，耐较高的
高聚物
高强、高模、低伸长性、脆性、耐高温（>600℃）
温度（200-300℃） 无机物
主要高性能纤维的基本分类与构成
耐高温纤维 耐化学作用纤维
一、高性能纤维
高性能纤维（HPF）是指高强、高模、耐高温和耐化学作用纤维，属高承载能力和高耐久性的功能纤维。最主要特点是高强、高模、耐热。
第一节 高性能纤维
1．对位和间位芳纶
对位芳纶的中国学名为芳纶1414。
芳纶1414（Kevlar ）、芳纶1313（Nomex ）最为成熟，产量最大，使用最多。芳纶1414纤维强度高、模量高、密度轻、柔性，且化学性能也很稳定，除无机强酸、强碱外，能耐多种酸、碱及有机溶剂的侵蚀。故可以作为各种复合材料的增强纤维，用于航空航天和国防军工领域。
有机高性能纤维大多为苯环或杂环与苯环结合的刚性链高聚物，故又称刚性链高性能纤维，按链接键的方式可有芳族聚醚胺类、芳族聚酯类和芳族杂环类纤维。而相对应的柔性链高性能纤维有超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)、高强高模聚乙烯醇和高强高模聚丙烯腈纤维。相对而言，柔性链纤维的耐高温性较差。
纤维名称 密度 g/cm3 强度 cN/dtex 模量 cN/dtex GPa 伸长率 ％ Tm oC Tg oC Ts oC Td oC LOI ％ 潮率
％
Kevlar29 1.44 20.3 490 3.6 - - 250 550 30 3.9
Kevlar49 1.45 20.8 780 2.4 - - 250 550 30 4.5
Kevlar129 1.44 23.9 700 3.3 - - 250 550 30 3.9
Nomex 1.46 4.85 75 35 - - 220 415 28-32 4.5
Twaron 1000 1.44 19.8 495 3.6 - - 250 550 29 4.5
Twaron 2000 1.44 23.0 640 3.3 - - 250 550 29 4.5
Technora 1.39 22 500 4.4 - - - 500 25 3.9
Terlon 1.46 23.0 773 2.8 - 350 220 470 27-30 2～3
PBO AS 1.54 42 1300 3.5 - - 360 650 68 2.0
PBO HM 1.56 42 2000 2.5 - - - 650 68 0.6
PBI 1.4 2.4 28 28.5 - - 250 550 41 15
Dyneema SK60 0.97 28 910 3.5 144~ 155 - 80~100 - <20 0
Dyneema SK65 0.97 31 970 3.6 - - <20 0
Dyneema SK75 0.97 35 1100 3.8 - - - - <20 0
Spectra 1000 0.97 32 1100 3.3 144~ 155 - 80~100 - <20 0
Spectra 2000 0.97 34 1200 2.9 - - <20 0
高模碳纤维 1.83 12.3 2560 0.8 - - 600 3700 - -
高强碳纤维 1.78 19.1 1340 1.4 - - 500 3700 - -
E玻纤 2.58 7.8 280 4.8 - - 350 825 - -
S玻纤 2.5 18.5 340 5.2 - - 300 800 - -
钢丝 7.85 4.0 265 11.2 - - - 1600 - -
几种高性能纤维的物理指标
芳纶纤维的应用领域示意图
PBO是聚-p-亚苯丙二噁唑，简称聚苯并噁唑。
PBO纤维有非常高的耐燃性，热稳定性相比芳纶纤维更高，在 600～700℃开始热降解；非常好的抗蠕变、耐化学和耐磨性能；有4～
7GPa的强度和180～360GPa的模量；有很好的耐压缩破环性能，不会出现无机纤维的脆性破坏。但PBO纤维的耐光或耐光热复合作用的性能较差，在氙弧灯4小时照射下，强度损失30～40%；伸长损失约45%；模量约为10%的损失。
PBO纤维可以制成短纤、长丝和超短纤维浆粕，主要用于要求既耐火和耐热，有要高强高模的柔性材料的领域中。如防护手套、服装、热气体过滤介质、高温传送带、热毡垫、摩擦减震材料、增强复合材料、飞机或飞行器的防护壳体及热屏障层等。
2．PBO纤维
温度（℃） PEEK 芳纶1313 涤纶
100 100 100 90
150 100 100 0
200 100 90 0
250 95 0 0
300 80 降解 降解
PEEK统称为聚醚酮醚，是半结晶的芳香族热塑性聚合物，属聚醚酮类
（PEK）。它是芳香族高性能纤维中难得的可以高温熔体纺丝的纤维材料。
PEEK的玻璃化温度为143℃。
PEEK的密度为1.30g/cm3，结晶度为30～35%，电阻为5×1016Ω m，热容量为1.34KJ (kg ℃)-1，导热系数为0.25W (m ℃)-1, 强度为0.3～0.4N/tex, 伸长率为25～30％且高弹性，模量4～5N/tex，80℃的收缩率小于1%。可以做到3～100dtex细度的纤维。耐湿热性极其优秀。
PEEK纤维的强度保持率及比较
3．PEEK纤维
基于PEEK的耐化学 和耐热性，及其与常规涤纶相近的力学性能，它可应用于各种腐蚀和热作用场合的传送带和联接器件，压滤和过滤材料，防护带及服装，洗刷用工业鬃丝，电缆、开关的绝缘层，热塑性复合材料的增强体，土工膜及土工材料，以及乐器的弦和网球板弦线等。
化合物 23℃ 100℃ 200℃
醋酸（10%） — —
碳酸 — —
柠檬酸 — —
甲酸 △ △
盐酸（10%） — —
硝酸 — —
磷酸（50%） — — —
硫酸（<40%） △ △ △
乙醇 — — —
乙二醇 — — △
丙酮 — —
甲醛 — —
氨水 — — —
氢氧化钠（50%） — — —
CO（气） — — —
氯化铁 △ △
硫化氢（气） — — —
碘 △
臭氧 — △
二甲基甲酸胺 — △
吡啶 — —
二甲基亚砜（DMSO） △ △
二苯砜（DPS） △ × ×
不同物质对PEEK的化学作用
PEEK的耐化学性可 由表说明：其中符号“－”无作用；“△”略腐蚀； “×”严重腐蚀。
聚 氟乙烯纤维（PTFE）是已知最为稳定的耐化学作用和耐热的纤维材料。其分子式为（－CF2-CF2－）n，是化学惰性的物质，常用的物理和力学性能见表所示。PTFE可以制成膜和纤维，纤维有长丝和短纤，是氟化类纤维的最典型代表。其它相近的氟化纤维有聚氟乙烯
（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）等。PTFE的长丝可用于低摩擦系数、
耐高温和化学作用的材料，或与其它纱线加捻混合利用；短纤维可制作各种防热和化学作用的毡片，或热气体液体过滤介质，或与其它纤维混合利用。PTFE的纤维碎末可与其它高聚物混合制备耐热、耐化学作用的模具或复合材料，用于腐蚀环境。
4．聚四氟乙烯纤维
碳纤维是指纤维化学组成中碳元素占总质量90%以上的纤维。
目前商品化的碳纤维种类很多，一般可以根据原丝的类型、碳纤维的性能和用途进行分类。根据原丝类型分类的有：聚丙烯氰 (PAN)基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、木质素纤维基碳纤维、其他有机纤维基(各种天然纤维、再生纤维、缩合多环芳香族等合成纤维)碳纤维.
根据碳纤维的性能分类的有高性能碳纤维，包括高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等；低性能碳纤维，包括耐火纤维、碳质纤维、石墨纤维等。根据碳纤维的用途，品种规格分为通用型 (GP）和高性能型（HP）。碳纤维的密度约为1.5～2 g/m3，比金属材料轻得多。
碳纤维的强度为1～4Gpa (常用)，或更高为5～9Gpa(高性能)。高模量碳纤维的最大延伸率很少，尺寸稳定性好，不易发生变形。PAN基和沥青基碳纤维的强度和模量及其断裂伸长率的分布关系图如图所示。
5．碳纤维
在无氧环境下，碳纤维能够耐受3000℃的高温，这是其它任何纤维无法比拟的。碳纤维对一般的酸、碱的耐腐蚀性优良，主要用于航空、航天、国防军工、体育等领域的增强复合材料。
相类似的高强、高模、耐高温高性能纤维还有：
陶瓷纤维、
玻璃纤维、
玄武岩纤维等。
一、化学纤维制造概述
纤维的制造方法是人类从蚕吐丝过程中得到的启示，是以纤维成形为目的加工。其制造过程主要可分为三部分。
1．纺丝熔体或纺丝液的制备
化学纤维一般为高聚物，即须用有机物。对再生纤维而言，高分子 原料是从自然界生物质中获取，但须进行分离和提纯；对合成纤维而言，则需通过合成的方式生成高聚物。同时，固态的高聚物须变成液态进行纺丝。将固态高聚物转变成液态可采用溶液法或熔融法，这取决于高聚物的可溶或熔融性，对熔点低于分解温度的高聚物，一般采用清洁低耗的熔融，亦有采用溶剂的溶解，但高耗、污染。对分解温度低于熔点的高聚物，须采用溶剂溶解、或先将聚合物制成可溶性中间体，再溶解成纺丝液。
第二节 纤维的成形加工
模仿蚕吐丝过程，将纺丝熔体或纺丝液通过喷丝孔挤出后凝固成丝条的过程称为纺丝。纺丝可分为熔融纺丝法（熔体纺丝）和溶液纺丝法。
熔融纺丝法的纺丝液是熔体，纺出的丝在空气中固化。熔融纺丝的纺丝速度高，目前一般的纺丝速度为1000 ~ 2000 m / min，采用高速纺丝时，可达3000 ~ 6000 m / min 或更高。熔融纺丝加工干净、无污染、成本低，通常丝的截面为圆形。涤纶、锦纶、丙纶等均采用此法。
溶液纺丝法的纺丝液是溶解的高聚物溶液。按纺出丝的固化方式，分为湿法与干法两种。湿法纺丝纺出的丝在溶液中固化，纺丝速度低，一般为18 ~ 380 m/min。湿法纺丝易污染环境、且加工成本较高，纺出丝的截面多为非圆形，有皮芯结构。再生纤维素类纤维、腈纶、维纶、氯纶等纤维多采用此法，亦有用干法纺丝。干法纺丝纺出的丝在空气中固化，纺丝速度一般为200~ 500m/min，高者可达1000~1500 m/min，成丝的品质好，但溶剂挥发极易污染环境、且成本高。
2．化学纤维的纺丝成形
纺丝成形得到的丝称为初生丝。初生丝强度低、伸长大、沸水收缩率大、往往不能直接用于纺织加工，因此初生丝还需经过一系列的后加工。后加工随化学纤维品种、纺丝方法和产品要求而异，其中主要的工序是牵伸和热定形。
牵伸可改变纤维的取向度，进而改变纤维的力学性质，如增加模量，提高断裂强度、降低塑性变形。牵伸的方式有多种，按牵伸次数分，有一道牵伸和多道牵伸；按牵伸介质分，有干牵伸、蒸汽牵伸和湿牵伸；按牵伸温度又可分为冷牵伸和热牵伸。
热定形为消除纤维内应力和提高结晶度，以达纤维结构与尺寸的稳定和减少蠕变及沸水收缩率。热定形可以在张力下进行，也可在无张力下进行，前者称为张力热定形，后者称为松弛热定形。热定形的方式和工艺条件不同，所得纤维的结构和性能也不同。
随着化纤纺程技术的发展，纺丝及其后加工已从间歇的多道工序发展为连续、高速—步法的工艺，如超高速纺丝(纺速5500m/min以上)生产的全取向丝(FOY)；聚酯全拉伸丝(FDY)可在纺丝-牵伸联合机上 生产等，均为成品纤维。
3．化学纤维的一般后整理
TMT-FSM
1．静电纺丝（electrospinning）
静电纺丝的主体是溶液干法纺丝，其原理装置如图，喷丝头可有单或多针头式、平面或柱面多孔式、单或多伞锥面式、多元盘或滚筒式、金属丝或弹簧式、串珠链式等。亦可无喷丝头的自由液面式，即对自由液面的交变磁场扰动、超声波扰动或气泡破裂扰动产生Taylor锥射流。收集装置有接收板、转筒等。溶液电纺纤维的直径一般在亚微米尺度，少有纳米尺度。静电纺也有熔体纺丝，因需高温且熔体的低粘度和极化受限，故起步和发展缓慢。虽熔体微分（微量分段）静电纺技术可将电纺丝直径细到 0.5~0.8μm，但熔体电纺要比溶液电纺的纤维粗一个数量级。
二、静电纺丝和自生长纤维
自生长纤维：目前绝大多数为纤维状的单晶体，故主要为无机晶须，但亦含高聚物。这些晶须均属高强高模的纳米纤维，但其长径比均≤102。自生长纤维可以通过气相沉积、溶液生长和熔体生长等方法获得。
气相沉积法：按原料气化方式可分为物理和化学两种气相沉积。物理气相沉积是在真空条件下，将固体或液体表面气化成原子、分子或离子，然后引到低 温区气相凝聚形核并生长成晶须，亦称蒸发-凝聚法，适于熔点较低的金属。化学气相沉积是将气体发生化学反应或物质燃烧，其产物在低温区的生长成晶须，可制备氧化物、氮化物及碳化物等陶瓷晶须和碳纳米管与石墨烯。
溶液生长法：使溶液中溶质达到过饱和，并引入定向生长机制促使晶须的生长。定向机制中最主要和常用的是温度差（梯度）机制，故又称水热法。其按附加
作用又可细分为水热氧化还原法、水热沉淀（重力）法、水热水解法、水热重结晶法等。溶液生长法可制得分散的单晶晶须。
熔体生长法：使反应物为熔体后，经化学反应成核并连续生长而制的晶须体。但其晶须间为无序区和缺陷，故相互粘连，较气相法差、无法与溶液法相比。熔体生长法包括直接熔融法、助熔剂法(熔体中引入助熔剂)和熔盐法(加一种或数种低熔点的盐类作为反应介质)。三种方法以熔盐法的晶须产物相对较优。
2．自生长纤维
一、纤维的应用
纤维发展的起因是纤维的应用需求。纤维的应用主要作为纺织原料，可以制成纱线、织物和和绳缆，可直接制成网片或絮填物，或缠、粘结 成非织造布，还可浸渍树脂基体或分散于其中，制得复合材料。
纤维可以单独使用或不同纤维的组合、混合使用，也可以与其他物质或材料进行组合、复合，即越级、跨类的组合、复合使用。
二、纤维的未来
人类应该更多地关注已有纤维的使用和再生利用；可持续纤维资源的开发应用；纤维的低能耗、清洁化加工，尤其是关注大宗类纺织品用纤维资源的可持续性。
第四节 纤维的应用与未来
积极寻求与开发可持续天然纤维，特别是植物类纤维资源极为重要。并不是人类没用的、少用的、冠以生物质的或称作新纤维的纤维，就
一定可持续或生态。如天然彩棉的含重金属及低纺用价值；罗布麻的无节制开采利用及对生态的破坏；竹、香蕉、嫩麻纤维的高能耗初加工及更大量下脚物的污染；大豆蛋白纤维，玉米(或PLA)纤维，等等。反之，人类所熟知并依然在原始或低水平应用的传统纤维，却会在培育及加工技术上的突破，成为新的大宗类、可持续的纤维。如羊毛细化；黄、红麻的分离细化；高产、细支、抗病虫害的陆地棉棉种或转基因棉种；高性能天然蜘蛛丝，强(韧)度保持的超细和极细羊毛（<15μm）等。
为提高天然纤维的抗灾害和病虫害的能力，进而提高产率与产量；为提高纤维的性能和品质以及增加色系，目前最为常用的方法是种植与饲养技术和嫁接、杂交与种群培育技术。而突破与进展最快的是转基因技术。
目前，已有抗病虫害、抗旱的高产转基因棉，转基因彩色棉等；有转基因的高产超细羊毛；有美国科学家通过转基因桑蚕吐出的人造蜘蛛丝，用于制造防弹衣和烧伤患者的绷带等，以及中国科学家破解桑蚕基因获得的转基因彩色蚕丝及其丝绸问世。
1．在天然纤维方面
TMT-FSM
而在这方面进展相当缓慢的原因，一是受限于纤维后加工技术的针对性：如已“成熟”的麻的柔软化、棉的丝光、蚕丝的变性、羊毛的防毡缩、棉麻的抗皱等技术，以及在开始使用的等离子体、生物酶、高能电子辐射技术的应用；二是多关注于天然纤维的“猎奇”，即找到未利用的纤
维（如椰壳、笋皮、牛角瓜纤维等）和稀有、特殊类纤维（如木棉、蒲绒、驼绒、羊驼毛等） ；三是特别喜好新名词即“新”纤维，凡事都希望冠
以“新”的保守认知观，以显示不可侵犯或不可贬低。
虽然纤维广泛存在于植物、动物和矿物中，但它是有限资源。而这种寻找，其实更大的价值在于，对生物及其生长方式的发现和模仿，以便人类以更快、更可控、更生态的方式，去制造或“生长”出新纤维。
之所以提这些人们熟悉的纤维，因为其大多是大宗类、长期使用的纤维，其缺陷和问题人们十分清楚。因此，其缺陷的弥补和性能的提高，才是纤维资源扩大与提升的重大进步。
依靠天然生长的纤维在长度、细度和性能上很难控制，甚至无法用于纺纱。而且天然纤维素、蛋白质物质，并非都是纤维或满足纺用的纤维，加上人类每年废弃的约8千万吨纤维及其制品，人们极有必要解决或部分解决这些物质的再生利用。
人类已成功地解决了纤维素类纤维的再生利用，如棉浆、木浆、海藻浆、以及近年的竹浆、麻浆的制备和再生纤维加工，甚至可以进行溶剂全部 收的纤维素的清洁加工。
人们也开始蛋白质的再生利用，如角蛋白（羊毛及其他毛发和角朊物质）、丝蛋白（丝素和丝胶）、植物蛋白（大豆、花生等）、以及牛奶、酪素的再生利用和纤维的成形加工，但纯或高含量比的再生蛋白纤维加工进展缓慢而艰难。
人们还对天然淀粉类物质如玉米、小麦和谷类的利用也有很大进展， 主要以聚乳酸（PLA）纤维为主，但这动用的是最紧缺的食物资源；还对甲壳素含量高的虾、蟹壳提取，再生成甲壳素纤维。甲壳素广泛存在于虾、蟹、昆虫的甲壳和真菌与植物(如蘑菇)的细胞中。由于其生物相容无抗原，且广谱抗菌、防腐、止血和可生物降解，是极理想的生物医用和高档舒适内衣的纤维材料。
2．在再生纤维方面
其包括 用纤维（分离并保持纤维原有形态的纤维）和溶解或熔融再生的纤维（已用纤维被溶解或熔融再纺丝成形的纤维）。
3．在合成纤维方面
21世纪化学纤维无论在产量还是品种方面都占优势，但目前生产的常规品种除发展中国家外不会有太大增长，而仿生化、功能与智能化、高性能化纤维将是今后发展的方向。
更进一步，若将自然界产生和人类直接制造的纤维统称为“直接” 或“一次”或“原”纤维，那么再生纤维将是纤维分类中的另一大类。当缔造“直接纤维”的自然资源匮乏或消失时，再生纤维将成为主角，
仿生化纤维涉及两方面的仿生，即纤维性质仿生和纤维成形仿生。纤维性质仿生将超越原来差别化纤维的一般形态变化、变形、复合、吸湿、可染、混纤与异粗细特征，而向着更逼真于棉、毛、丝、麻优秀特性发展。纤维成形仿生是指超越传统仿蚕吐丝的纺丝，而进入晶须自生长或自组装的纤维成形和扰动液面的强电场溅射抽丝的自成形纺丝。
功能智能化纤维是以高吸湿吸水性、高疏水防水性、高透湿导湿性、超高比表面积（即纳米化）、发光显色、导光、发电、导电、生物兼容 性、高吸波、高分离过滤、高吸附、产生负离子、绝热保暖、能量转换、高感知性、自适应和自行修复等功能实现为目标。其纤维的功能从被动承受或与生俱来到智能响应和自适应。
高性能化纤维属功能纤维，是高技术纤维的主体。原本是高强、高模、耐高温纤维，而其发展是三超一耐，即超高强、超高模量、超耐高温、耐化学作用的纤维。这将使现有纤维的强度提高几倍~几十倍，而逼近纤维分子键的强度。如超高强高模聚乙烯、9GPa高性能碳纤维、碳化硅陶瓷纤维、碳纳米管纤维、石墨烯网等。
顾纤维的发展，
从应用上看，人类更多地关注资源丰富、生态的纤维和高利润、稀缺的纤维。因此，大宗类和特殊类纤维及其获取及初加工技术，必将成为人类更为关注的问题。
从纤维的发现上看，虽然人们在不断地寻找新纤维物种，或找到生长变异可控的纤维资源，已变得越来越少、越来越困难和不可能。
从纤维制造上看，人类已经能通过再生与合成的方法加工纤维。但人类是否能在纤维创造上走得更远，即人工合成有机物，进而形成长链分子来直接制造（仿生生长）纤维；人类是否可以利用转基因技术，在生物界寻找“加工”纤维的生物体。
从纤维的可持续性上看，人类是否可以更好地 收已有的纤维资源，并进行 用和再生的循环利用；……？
这些可能都纤维发展的新途径，甚至是必然的途径。也就是说，未来纤维的发展将依赖于纤维资源的保护、发现与拓展，乃至创造。
何谓纤维和纺织纤维？何谓纳米纤维？何为大宗类纤维？并给出它们的名称？
纤维分类和命名的依据是什么？各大类纤维的主要分类法则为何？
棉、麻、丝、毛纤维的主要特征是什么？试述理由及应该进行的评价。
试述再生纤维与天然纤维和与合成纤维的区别，其在结构和性能上有合同异？在命名上如何区分？
试给出天然纤维与生物质纤维间的区别，并比较两者间的生态性和理由。
各普通合成纤维发展与产量不一的主要原因为何？并给出国内合纤发展迅速的利弊及理由。
试述差别化纤维与功能纤维的区别，并给出差别化纤维产生的动因及利弊分析。
纺织材料可以在其各加工阶段实施功能化，而纤维功能化的意义何在？并给出解释？
试给出功能纤维与高性能纤维和与智能纤维的区别依据及其各自理由。
人工纤维的成形方式有哪些？其与天然纤维中哪些纤维的成形方式一致？有光合纤维吗？
你所认为的纤维未来应如何？你所感觉到的纤维未来及其发展中的最主要问题是什么？
作者在强调纤维资源问题，而人们在讨论需求问题，两者应如何平衡，请提供方法及理由。
试根据本章的命名和分类法，将俗称的大豆蛋白纤维、牛奶纤维、竹原 纤维、香蕉纤维、冰麻丝、PTT纤维、纳米纤维、绵羊绒、氧化硅纤维 作正确的命名和分类，并给出理由。
请根据本章表述给出再生纤维素纤维间、或普通合成纤维间的结构、组成、性能上的差异。
试比较熔体纺丝、溶液纺丝、静电纺丝、干法和湿法纺丝间的纺丝效率、清洁性和能耗。
试给出共混、混合和复合纤维的名称表达，当A组分＞B组分时如何正确赋名，并举例说明。

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