几种高强度、高弹性模量超纤维的制备及其特性概论

文佳皮业

“超纤维” 具有超过普通纤维的性能：①强度、 弹性模量很高；②耐热性优。狭义的定义是：①拉伸断裂强度 2GPa 以上；②拉伸初始弹性模量 50GPa 以上。本文介绍了几种高强度、高弹性模量纤维的制备及其特性。

1、纤维的结构

1.1 纤维的微细结构

表 1 列出了从纤维的分子结构求出的理论强度 （极限强度）和理论弹性模量（极限弹性模量），以及市售纤维的强度和弹性模量。普通纤维的强度只有其极限强度的 7% 以下；除聚甲醛 (POM) 纤维外，普通纤维的弹性模量都是在其极限弹性模量的 40% 以下，这说明分子结构的力学特点尚未充分发挥出来。

造成上述结果是由于纤维的内部结构。“超纤维” 的理想结构应如图 1 (c) 所示，纤维从一 端到另一端以 — 个分子连接，而且分子是直线状致 密排列状态，这时的强度和弹性模量即为纤维的极限强度和极限弹性模量。而实际看到的纤维形态 【图 1 (b)】是分子链成柬形成微原纤，微原纤成束 形成原纤，原纤再成柬而形成纤维。微原纤内的分子链不全是直线状排列，也有折叠【图 1 (a)】，这部分分子间作用力弱，成为缺陷。另外，微原纤的末端及原纤的末端也成为缺陷。由于缺陷的存在， 因此纤维的强度只是其极限强度的 7% 以下。

为制成 “超纤维”，必须提高极限强度或极限弹性模量的达到率。

1.2 “超纤维” 的分子设计

为接近图 1 (c) 那样的状态，希望分子结构的状态如下：①构成主链的键牢固；②分子链的构象接近直链；③分子链的占有面积小。

首先，极限强度是由分子的键断裂决定的，因此必须使分子键有强的结构。表 2 列出了各分子键的键合能。与 C_ 、C__N 单键相比，C=C、C=N 双键的键合能较强，因此最好要构建含双键多的结构。

表 2 键合能键合键合能 /(kJ?mol-1)
C-c83

C= C146
C≡C200
C— 086
C— N73
C= Nl47

其次，分子链的构象要接近直线状。构象是连接原子和原子的键可旋转的状态。单键容易旋转， 而双键不旋转，因此具有双键的分子呈直线状。在主链上有芳香环的分子，如果有与此共价的键，则主链的构象受到抑制，呈直线状。

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另外，在侧链上没有大的官能基团。一个分子链的长度方向的截面积小，即单位体积中的分子链数多，分子链可高密度填充。

1．3 “超纤维” 的结构

按上述的设想，生产出代表性的高强度纤维有如下几种。

(1) UHMWPE 纤维，代表产品 Dyneema，分子结构如下：

(2) 芳香族聚酰胺纤维，有对位芳香族聚酰胺纤维和共聚型芳族聚酰胺纤维。对位芳香族聚酰胺纤维，代表产品 Kevlar、Twaron，分子结构如下：

共聚型芳香族聚酰胺纤维，代表产品 Technora，分子结构如下：

(3) PBO 纤维，代表产品 Zylon，分子结构如下：

(4) 芳香族聚酯纤维，代表产品 Vectran@， 分子结构如下：

Dyneema 是弯曲性高分子，而 Kevlar、Twaron、Technora、Zylon 及 Vectran 都是在主链上有芳香环，由于与酰胺基、酯基共价键结合，分子呈平面直线状，是液晶刚直性高分子。按这样的分子设计，得到的极限强度和极限弹性模量及目前实际的强度和弹性模量如表 1 所示。

表 1 极限强度、弹性模量和市售纤维的达到率纤维聚合物种类极限强度 / GPa市售纤维强度 / GPa达到率 /%极限弹性模量 / GPa市售纤维弹性模量 / GPa达到率 /%
超纤维超高相对分子质量聚乙酸（UHMWPE）322.60～3.508.1～10.824086.0～173.036～72
芳香族聚酰胺302.80～3.609.3～11.918350.0～134.027～73
芳香族聚酯 3.00～3.70 13062.0～110.048～63
聚对苯撑苯并双双恶唑（PBO）595.509.3480180.0～280.037～58
普通纤维聚乙烯（PE）320.772.424086.436
聚丙烯（PP）180.744.1349.528
聚酰胺 6（PA6）320.963.01425.74
聚酯（PET）281.154.112520.016
聚乙烯醇（PVA）271.30～1.704.7～6.425526.0～45.010～17
POM331.524.65338.773

2 、“超纤维 " 的制造方法

“超纤维” 的熔点或分解温度如表 3 所示。

表 3 各种 “超纤维” 的熔点或分解温度纤维熔点或分解温度 /℃
Dyneema150
Kevlar、Twamn500
Technora500
Zylon650
Vectran320

Dyneema@熔点 150 度，但相对分子质量大， 熔融黏度高，不能用 PET 那样的熔融纺丝方法制 造。Kevlar⑥、TwarOn⑥、Technora⑧及 Zylon⑧由于没有熔点，也不能用熔融纺丝法制造。用熔融纺丝 法的只有 Vectran@。

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2．1 UHMWPE 纤维的制造方法 UHMWPE 纤维是在凝胶纺丝后经超倍拉伸而制得的。UHMWPE 溶解于十氢萘等溶剂制成准稀溶 液，保留拉伸所需的最低限度分子间络合，将溶液从喷嘴挤出，骤冷使分子间的络合固定，在熔点附近温度高倍拉伸，使分子折叠及分子间络合减少。

2．2 芳香族聚酰胺纤维、PBO 纤维的制造方法芳香族聚酰胺纤维及 PBO 纤维等液晶刚直性高分子是用干喷湿纺纺丝法隙式) 制得的图 2)。 树脂溶解于溶剂，刚直性大分子的方向很混乱，但通过喷嘴的细孔时，大分子在纤维轴方向平行排列。经气隙法冷却、凝固，大分子处于高度取 = 向状态，没有必要进行拉伸。

2．3 芳香族聚酯纤维的制造方法

芳香族聚酯也是液晶性高分子，但可通过熔融纺丝法制取。在熔融状态熔体通过喷嘴的细孔 = 时，大分子取向，但此时强度不够，需再经固相聚 合提高强度。

3 “超纤维 " 的特性

“超纤维” 不仅是高强度、高弹性模量，而且具有各种特性 (见表 4)。

表 4 各种 “超纤维” 的特性纤维UHMWPE 纤维对位芳香族聚酰胺纤维PBO 纤维芳香族聚酯纤维
密度／(g?cm-3) 0.97 1.44 1.56 1.41
含水率／％  7.0 0.60 0.05
LOI/％  29 68 28
高强度 o 0 0 0
高弹性模量o 0 0 0
耐热性  0 0 0
耐冲击性 o 0 0
低密度o   
耐磨性o   
耐化学试剂性o   
耐气候性o   
耐酸性    0
低伸长    0
低蠕变性   0 0
低吸湿性   0 0
振动衰减性    0

UHMWPE 纤维耐热性差，但密度小、质量轻，耐化学试剂性能也优。对位芳香族聚酰胺纤维、PBO 纤维、芳香族聚酯纤维由于有芳香族环，吸收紫外线后，强度降低很大，耐气候性差。芳香族聚酯纤维具有聚酯结构，因此耐酸性优。PB0 纤维、 芳香族聚酯纤维由于低吸湿性，可在低温下使用。利用这些纤维特性的应用列在表 5 中。

表 5 各种 “超纤维” 的应用UHMWPE 纤维对位芳香族聚酰胺PB0 纤维芳香族聚酯纤维
绳缆绳缆绳缆绳缆
防护服防护服防护服防护材
钓鱼丝防弹服防弹服渔网
渔网传动带传动带电材
运动用品轮胎帘子线帆布功能纸
休闲用品飞机上应用材料  

“超纤维” 正广泛用于高强度绳缆、防护材料。不同纤维的特性有不同用途，详细情况可参照各企业的主页介绍。

“超纤维” 也有弱点，如染色性、耐气候性差， 因此很难像普通纤维那样用分散染料或阳离子染料染色，可以采用将颜料混于树脂的原液着色法，因而色泽选择受限。

对于耐气候性差的弱点，可采用表面涂层的方法等来解决。

结语

为发挥 “超纤维” 的性能，进行分子设计，采用革新的制造方法。各种纤维都有优缺点，但由于它们质量都较轻，今后有望替代金属纤维，那时要按用途进行最适合的选用。另外，也期待对现有 “超纤维” 的改进及再有新的 “超纤维” 出现使市场发展。