高性能高分子材料-纤维课件

第一单元 高性能高分子材料纤维第一单元 高性能高分子材料纤维1纤维与人口时 间197020002050世界人口/亿37 6094纤维需求总量/亿吨0.20.511.2人均纤维消耗量/kg5.88.11112纤维与人口时 间197020002050世界人口/亿32纤维发展趋势n基于仿生学 从剖析研究棉、毛、丝等天然纤维的形态组织结构得到启发，研制。例如：从分析蜘蛛丝的分子结构着手，仿造试制高强度纤维；具有荷叶拒水功能的纤维及织物的制备；具有仙人掌高保水、缓释作用的高分子材料的制备。纤维发展趋势基于仿生学3纤维发展趋势n基于绿色资源和绿色生产工艺路线可再生性资源纤维 天然蛋白质与高聚物复合纤维 糖类与高聚物复合纤维优点：可持续性、可降解性，对环境没有污染，有利于人类健康。纤维发展趋势基于绿色资源和绿色生产工艺路线4纤维发展趋势n纤维细旦化特点：几何特性：单丝直径变小，纤维比表面积增大，表面的补偿效应增加；物理机械特性：纤维弯曲阻力小，具有高的可挠性和扭曲性；光学特性：反射光泽柔和；其它：高保温性、吸音性、透湿防水性。纤维发展趋势纤维细旦化5纤维发展趋势n高性能纤维 强度在2.5GPa、模量在55GPa以上。如：芳香族聚酰胺纤维 芳香聚酯纤维 高强度聚乙烯纤维纤维发展趋势高性能纤维6芳香族聚酰胺纤维（Aramid）nPoly(p-phenylene terephthalamide)(PPTA)nPoly(m-phenylene isophthalamide)(PMIA)芳香族聚酰胺纤维（Aramid）7高强高模芳酰胺纤维n抗张强度：2GPan模量：40GPaPPTA纤维：Kevlar、Twaron、Technora高强高模芳酰胺纤维抗张强度：2GPa8高强高模芳酰胺纤维n制备PPTA纤维的新工艺、新技术 聚合反应溶液直接纺丝制备PPTA共聚体纤维；（强度达5.5GPa；模量达140GPa）高强度、高模量纤维技术；（完善PPTA结晶，提高结晶取向程度，减少缺陷）功能化PPTA纤维技术：具有粘合性能 细旦、中空PPTA纤维技术高强高模芳酰胺纤维制备PPTA纤维的新工艺、新技术9高强高模芳酰胺纤维nPPTA纤维的用途 产业用纺织品；防护服；增强材料；石棉替代品；水泥补强材料。高强高模芳酰胺纤维PPTA纤维的用途10耐高温芳酰胺纤维 能够在高于200以上温度下连续使用而不出现热分解，同时保持一定的物理机械性能的纤维。耐高温芳酰胺纤维 能够在高于200以上温度下连续使11超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）n实现纤维高强化的途径 1.高分子量 分子量提高，分子末端基数减少，同时初生纤维有利于进行有效的高倍拉伸。2.高取向度和高结晶度 3.高环化度和环化取向度 4.高致密度超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）实现纤维高强化的途径12UHMWPE纤维的结构和性能n结构 高结晶度、高取向度和“羊肉串”型的结晶结构n性能 低温下保持柔软，高强度、高模量；耐化学性、耐辐射；耐高温性差、表面粘结性能差、应力蠕变大。UHMWPE纤维的结构和性能结构13UHMWPE纤维的主要用途n安全防护用品n绳类产品n渔网n休闲体育用品n布、带类n在复合材料中的应用 高性能薄壁高压容器、雷达透射和吸收材料、航空航天结构材料、生物材料UHMWPE纤维的主要用途安全防护用品14UHMWPE纤维的改性n冷等离子体改性n紫外光处理n表面氧化和刻蚀n表面接枝n本体改性UHMWPE纤维的改性冷等离子体改性15生物大分子纤维n蛋白质 牛乳蛋白、蚕丝蛋白、胶原蛋白、蜘蛛丝蛋白、大豆蛋白、玉米蛋白、蓖麻蛋白；n糖类 纤维素（达2.61010吨）、淀粉、甲壳素（每年10101011吨）、木质素、海藻酸。生物大分子纤维蛋白质16蛋白质与高聚物复合纤维1.玉米蛋白质纤维（Dupont公司）将玉米蛋白溶解于碱液，加入甲醛或多聚羧酸类交联剂，进行湿法纺丝制备玉米蛋白纤维，纤维具有：n耐酸、碱、溶剂和防老化性，不蛀不霉；n棉的舒适性、羊毛的保暖性和蚕丝的手感。蛋白质与高聚物复合纤维1.玉米蛋白质纤维（Dupont公司172.大豆蛋白质纤维n堪萨斯州立大学 以亚甲基联苯二己氰酸为交联剂，将蛋白质与聚己酸内酯交联复合，增强了二者的相互作用，改善了相结构，增加了相容性，提高了力学性能。n美国乔治亚大学 大豆蛋白与聚乙烯醇复合纤维n日本东洋纺公司 大豆蛋白与丙烯腈接枝纤维2.大豆蛋白质纤维183.蜘蛛丝蛋白质纤维静电纺丝法制备纳米蛋白纤维（大阪大学）n纤维直径：50500nm，纤维表面积大；n强度高，韧性好，耐冲击，耐低温，可生物降解。生物转基因纤维（加拿大、美国）n将蜘蛛丝蛋白基因注入山羊体内，用山羊奶做成柔滑可生物降解的蛋白质纤维，强度比钢丝大10倍；n1只羊1个月产的奶可做一件防弹背心。3.蜘蛛丝蛋白质纤维19n4.蚕丝蛋白质纤维日本信州大学（丝蛋白与纤维素复合再生纤维）n蚕丝直径15m，由1000根原纤维的小纤维束形成集合结构；n继承了丝绸独特的、丰富的染色性；n热分解温度较丝绸上升40；n生物分解性，吸水、吸湿，抗菌；n原料植物是短期再生型资源，对土壤和水有净化作用。4.蚕丝蛋白质纤维20糖类与高聚物复合纤维1.纤维素纤维（Lyocell纤维）n直接将纤维素溶于有机溶剂N-甲基吗啉-N-氧化物中，经溶液纺丝法成型；n柔软、吸湿、丝绸般美丽色泽和手感。糖类与高聚物复合纤维1.纤维素纤维（Lyocell纤维）21n高吸水性棉纤维（京都工艺纤维大学）棉纤维素和无水琥珀油酯化反应，生成一氯乙酸后，用NaOH处理；酯化反应时，用4-二氨基吡啶作促进剂，将反应体系胶凝化；部分一氯乙酸发生生成二酯类的交联反应。纯水中是自重的400倍，生理盐水中是自重的100倍。高吸水性棉纤维（京都工艺纤维大学）22n2.聚乳酸纤维（PLA）n特点：原料来源丰富（淀粉经发酵而成）良好的生物相容性和安全性，对人体无毒无害；在体内及自然环境中逐渐降解，最终成为CO2和H2O。2.聚乳酸纤维（PLA）23n应用：手术植入材料；缓释药物的包囊材料；人工血管、止血剂及生物降解的外科粘合剂；可吸收型手术缝合线。应用：24细旦、超细旦聚丙烯纤维n传统聚丙烯纤维：地毯底衬布、地毯面纱、低级装饰织物，用即弃尿布和袋子。n细旦化聚丙烯纤维：织物能够导湿排汗、透气滑爽、不粘身；高性能运动服、牛仔裤、流行袜类、贴身内衣，汽车用产品、非织造用过滤材料。细旦、超细旦聚丙烯纤维传统聚丙烯纤维：25n聚丙烯纤维染色改性n接枝改性 在聚丙烯纤维的分子上通过接枝共聚引入可染基团，赋予纤维对染料的亲和力。缺点：接枝过程繁琐，对纤维有一定损伤，目前主要停留在实验室阶段。n表面改性 通过光、辐射或化学处理，在聚合物的表面接上活性基团。聚丙烯纤维染色改性26n共混改性技术 在聚丙烯中加入可染性组分：低分子化合物 金属盐类（主要是有机金属盐类）；高分子聚合物。共混改性技术27n新型多功能细旦聚丙烯纤维 细旦抗菌保健聚丙烯纤维 细旦防紫外线聚丙烯纤维新型多功能细旦聚丙烯纤维28