聚芳酯纤维的特性和应用.pdf

1、合 成纤维 Synthetic Fiber in China 2012 年第 41 卷第 1 期以对位芳香聚酰胺 （ PPTA） 纤维为代表的有机类高强度纤维于 1970 年开始工业化生产 。 有机类高强度纤维的制造方法有干湿法纺丝和熔融纺丝法 。 市售熔融纺丝法的有机高强度纤维的代表是仓丽公司的 Vectran。熔纺高强度纤维目前只有仓丽公司的“ Vectran” 还在生产和销售 。 本文介绍了 Vectran的纤维特性 、 应用以及最近的开发情况 。1 Vectran 纤维高强度纤维的力学性能比较如图 1 所示 。 与通用的工业用聚酯纤维相比 ， Vectran 的拉伸断裂强度是其 3 倍

2、 ， 与 PPTA 纤维处于同一水平 。 Vectran纤维具有与 PPTA 纤维一样的两种拉伸弹性模量牌号 ， 根据所要求的特性而分别使用 。图 1 各种纤维的强度与拉伸弹性模量1.1 聚合物原料和制造方法Vectran 高强型 （ HT） 的聚合物分子结构如图2 所示 。Vectran 是将苯环成分和萘环成分以酯键连接组成的共聚物 。 PPTA 是苯环以酰胺键连接构成的聚合物 。 由于这一结合基团的差异 ， 同样是高强度纤维 ， 两种纤维特性不同 。 Vectran 纤维的制造方法 ， 首先将熔融液晶性聚合物经高温熔融纺丝 ， 纺成强度 78 cN/dtex 的原丝 ， 然后原丝在高温气雾

3、中热处理 ， 使拉伸强度增加 ， 最后涂覆按用途分的油剂层及其它表面处理剂而成产品 。熔融纺丝法的优点是 ： 与产业用聚酯纤维一样 ， 纺的丝纤度从细到粗 ， 生产比较容易 ， 因此在Vectran 纤维产品中 ， 有 27 种纤度品种 ， 特别是560 dtex 以下的品种丰富 ， 满足织物等各种制品的要求 。 另外 ， 添加颜料的原液着色丝也可纺丝生产 ， 商品开发多样性程度高 。 Vectran 高弹性模量型 （ HM） 是用与 HT 品种不同的聚合物作为原料制成的产品 ， 用途更为广泛 。1.2 纤维特性Vectran 一般物理性能列于表 1 中 。表 1 Vectran 一般物理性能

4、以下内容介绍了 Vectran 超常的物理性能 。特性Vectran PPTA1.41 1.40 1.44 1.44400 400 400 4000.1 0.1 7.0 3.528 30 30 30束丝 （ 总纤度 /根数 ）/(dtex/f) 1670/300 1580/200 1670/1000 1670/1000拉伸断裂强度 /（ cNdtex-1） 24.2 21.5 20.3 20.8拉伸断裂伸长率 /% 4.0 2.8 3.6 2.4拉伸初始弹性模量 /（ cNdtex-1）530 740 490 781湿收缩率 （ 热水 100 ，30 min）/%0.15 0.04 0.10

5、0.04干收缩率 （ 180 ，30 min）/%0.15 0.01 0.15 0.04湿态拉伸断裂强度 /（ cNdtex-1）24.0 21.4 18.3 18.7干湿强度比 /% 99 100 90 90密度 /（ gcm-3）分解温度 /含水率 /%阻燃性 （ LOI）/%高强度型HT高弹性模量型 UM高强力常规 高弹性模量纤维聚芳酯纤维的特性和应用赖光周平图 2 Vectran 聚合物的分子结构46DOI:10.16090/ki.hcxw.2012.01.0122012, 41(1)1.2.1 非吸湿性Vectran 具有高疏水性 ， 含水率极低 ， 干 /湿环境下强度差小 （ 图

6、3） 。 经反复干湿时的尺寸稳定性好 ， 即使在高温氛围下纤维内部也不保留水 ， 所以作为增强材料使用时 ， 可保持材料性能稳定 。 另外 ， 作为纤维增强材料 ， 在加热环境下成形时 ， 不放出带有的水分 。 因此成形加工时的干燥可简化 ，对基材树脂的影响很小 。图 3 反复干湿状态下的尺寸变化1.2.2 低蠕变性室温下 ， 在相当于拉伸断裂强力 30 %的负荷时的蠕变特性如图 4 所 示 。 从 图 4 可 以 看 出 ，Vectran 的伸长随时间变化率极小 ， 尺寸稳定性高 。这表明 ， Vectran 纤维用作像绳索电缆那样经常承受重负荷用途时 ， 有良好的尺寸稳定性 。 加上吸湿特

7、性及低温特性 ， 环境变化引起的物性变化小 ，Vectran 纤维适合在严格条件下使用 。图 4 蠕变特性1.2.3 其它Vectran 的优势特性还有干湿环境下的耐热老化性 、 耐纤维间磨损性 、 耐药品性等 。2 应用举例2.1 绳索及网Vectran 原液着色丝可用作排球和网球用的网 、替代牵引绳用的金属丝 。 Vectran 丝具有质量轻 ，使用中不下垂 ， 低伸长 （ 高弹性模量 、 低蠕变性 ） ，不生锈的特性 。 黑色和青色等原液着色丝受到运动爱好者的好评 。2.2 片材 、膜材主要利用 Vectran 纤维高强高模 、 非吸湿 、 低温力学物性 、 耐切割性等特性 ， 结合树脂

8、加工 ， 用于飞行船膜体 、 高压水龙带和导管增强基布 、 竞技用基布等 。1997 年 7 月及 2004 年 1 月 ， 美国 NASA 火星探测器 2 次在火星着陆 ， 着陆时的气囊 （ 图 5） 基布中使用了 Vectran 纤维 。 所用基布为 110 dtex 丝织成的面密度为 40 g/m2的织物 ， 6 层 。 最内层为了保持气密性 ， 用 220 dtex Vectran 丝织成 ， 涂覆有机硅 。 据说火星温度 -50100 ， 因此 ， 有了Vectran 低温特性和耐切割性的评价结果 。图 5 NASA 火星探测器着陆用气囊2.3 膜式防潮堤用 Vectran 膜可制成

9、人工防潮堤 ， 涨潮时开口处张开膜体 ， 作用于膜的水压传到绳索两端固定点 。防潮堤轻薄容易装卸 ， 结构柔软可耐受较大水压 。2.4 安全防护材料Vectran 纤维具有高强度 、 耐切割损伤 、 耐热 、耐磨损等特性 ， 可用于手套 、 围裙 、 猛兽防护网等防护材料 。 Vectran 纤维燃烧时不产生氰化物气体 ，国外化纤技术 47合 成纤维 Synthetic Fiber in China 2012 年第 41 卷第 1 期芳香族聚酰胺燃烧时会产生氰化物 ， 因此 Vectran更安全 。肉制品加工时使用的手套用后需经灭菌处理 ，因 Vectran 具有优良的耐次氯酸钠处理性 （ 图

10、 6） ，因此用 Vectran 制作的手套可反复使用 。处理条件 ： 次氯酸钠 10 %水溶液 ， 处理温度 70 图 6 Vectran 耐次氯酸性3 最近的开发概况3.1 纤维表面处理剂海洋中使用的绳索 、 提高重物用的绳索等 ， 在高拉伸张力的同时 ， 纤维之间或纤维金属之间有很大的摩擦力 。 为了提高绳索制品的耐久性 ， 需添加适合的纤维表面处理剂 。 用耐摩擦磨损方法 CBOS 法 （ 图 7） 进行试验 。 试验结果可知 ， 具有特定相对分子质量的有机硅化合物最为适合 （ 图 8） 。图 7 简易耐磨试验3.2 粗纤度单丝最近纳米技术制造的超细纤维极受人关注 。但粗纤维也有种种优

11、点 ， 例如磨损性 ， 粗纤维表面即使受到损伤 ， 由于达不到纤维内部 ， 结构体的强度容易保持 。 特别是产业用材料 ， 按照用途有时需用粗纤度单丝 。 Vectran 由于是熔融纺丝 ， 单丝纤度变化范围广 ， 特别是可以容易地制造出湿法难以做到的粗纤度纤维 。如图 9 所示 ， 单丝纤度为 46 dtex 和 5 dtex 比较时 ， 根据上述简易耐磨试验 ， 可知 46 dtex 的耐磨次数大幅增加 。 今后将在要求耐磨性的产业用绳索及防护用具上展开研究 。图 9 单丝纤度和耐磨性关系4 结语有机高强度纤维将在安全防护领域 、 轻质节能领域 、 极限环境等领域发挥更大作用 ， 应用范围也将进一步扩大 。高强聚芳酯 Vectran 由于可以向原料聚合物中加入添加剂而赋予纤维功能性 ， 熔融纺丝也有利于制造差别化产品 ， 因此 Vectran 市场前景良好 。译自 纤维学会志 ， 2010， 66 （ 3）： 6-10刘辅庭译，山田校图 8 简易耐磨试验结果48