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几种化学纤维的各类职能及新型使用重心

  几种化学纤维的各种性能及新型应用要点_其它_职业教育_教育专区。谈化学纤维的各种性能及新型应用 聚酰亚胺纤维是20 世纪90 年代兴起的一种 高分子有机合成纤维,纤维分子结构中含有稳定的 酰亚胺基团。聚酰亚胺纤维具有耐腐蚀、耐辐射、 耐高温和电绝缘等特性,同时还有

  谈化学纤维的各种性能及新型应用 聚酰亚胺纤维是20 世纪90 年代兴起的一种 高分子有机合成纤维,纤维分子结构中含有稳定的 酰亚胺基团。聚酰亚胺纤维具有耐腐蚀、耐辐射、 耐高温和电绝缘等特性,同时还有很好的机械性 能,其强度和模量全面超过了Kevlar-49 纤维,在 航空航天、原子能、电子、核工业等领域得到了广泛 的应用[1]。由于聚酰亚胺纤维良好的力学性能和 电绝缘性能,欧美及日本等一些发达国家已经将其 应用扩展到了造纸领域[2, 3],并且做了初步的研究。 由于聚酰亚胺纤维性质稳定,表面钝化,没有 活性基团,且经过打浆处理也不会产生分丝帚化, 经过湿法成形得到的原纸强度较低。为了提高其强 度,需要用树脂对原纸进行浸渍处理,但是浸渍量 过小纸页强度性能改善不明显,浸渍量过大则对纸 页撕裂强度和伸缩率有较大影响。聚酯纤维具有较 好的介电性能和耐高温性能,其熔点在255~260℃ 之间,在205℃时开始产生黏结,初始分解温度在 350℃以上,且纤维伸长率可达7.5%~12.5% ;同时 还有优良的耐皱性、弹性和尺寸稳定性,有良好的 电绝缘性能,耐日光,耐摩擦,不霉不蛀,有较好的 耐化学试剂性能,能耐弱酸及弱碱,能够与其他具 有耐高温性能和电绝缘性能的合成纤维混合抄造 耐高温绝缘纸[4]。在聚酰亚胺纤维原纸的抄造过程 中添加一定比例的聚酯纤维,不但能够提高纸张的 强度,还能在热压过程中发生熔融从而提高纤维间 结合力,改善纸张的电气性能。 本文主要研究聚酯纤维对聚酰亚胺纤维纸基 材料的强度性能、电气性能、耐高温性能和纸张表 面结构的影响,旨在为开发高性能聚酰亚胺纤维纸 基材料打下一定理论基础。 随着聚酯纤维添加量的增加,纤维间结合力 增强,成纸的抗张指数和伸长率逐渐增大,而撕裂 指数逐渐减小。 纸张的耐压强度和介电常数随着聚酯纤维添 加量的增大而上升,但介电损耗正切值受其影响不 大。 添加聚酯纤维后纤维间结合更加紧密,纸张 孔隙率降低,当聚酯纤维添加量为9% 时纸张有较 好的强度性能和电气性能,但是对纸张的热稳定性 有一定影响。 聚乙烯醇纤维,即聚乙烯醇羧甲醛纤维,其英文缩写 为P VA,也简称维纶、维尼纶。1924年,德国化学 家Hermann WO和Hannel W首先在实验室制得 水溶性聚乙烯醇纤维;1939年,日本的樱田一郎等人将 这种水 溶性纤维用甲醛处理,制得耐热水的聚乙烯醇羧甲醛纤 维,并 于1950年由可乐丽公司和尤尼契卡公司实现工业化生 产,商品 名为维尼纶[1~3]。聚乙烯醇纤维被认为是一种与棉花 状态相 近的合成纤维,该纤维强度、耐磨性、吸湿性较好,耐 腐蚀、耐 日晒,尤其是具有高强度、高模量的聚乙烯醇纤维发展 迅速, 作为工业原料,其应用范围日趋广泛[4]。 造纸用聚乙烯醇纤维目前主要分为易溶、难溶两种,根 据其类型不同可用来生产增强纤维纸、水溶性纤维纸, 也可 作为合成纤维纸的黏胶纤维等使用[5~7]。聚乙烯醇纤 维既可单 独抄纸,也可与植物纤维或其他合成纤维配抄,聚乙烯 醇纤维 的存在可以明显改善纸页的强度性能[4]。在合成纤维 中,聚乙烯醇纤维占据了十分重要的位置,在造纸行业中广 泛应用。 涉及聚乙烯醇纤维纸的原创专利大多为日本公司所 有,如可乐丽股份有限公司,而国内申请大多是在日本原创 专利的基础上对制备工艺进行改进。但近年来国内申请人的 专利申请量明显提升,表明国内申请人的研发热情、专利布 局意愿和知识产权保护意识都在增强,但是真正获得应用, 并在市场中产生良好经济、社会效益的专利技术从绝对数量 上来说 仍很少。此外,没有形成具有较强研发、生产能力的大 公司和企业,国内申请人呈现分散、小型企业化、高校研究 和个人申请多等特点。笔者结合上述对造纸用聚乙烯醇纤维 专利技术现状的分析,就如何发展高性能聚乙烯醇纤维纸给 出如下建 议:目前,日本的可乐丽、东丽等主要生产聚乙烯醇纤 维的企业无论是在专利拥有量,还是企业销售量方面都占据 主导地位,其中维纶纸水溶性材料专利技术已达到一个相当 成熟的地步。而最近几年国内的企业如中国印钞造币总公司 在造纸 用聚乙烯醇纤维的研发方面有所突破,其通过共混改 性、 表面改性等方式提高了聚乙烯醇纤维的强度、 防伪性能。 目前国内对导电维纶纸、核壳结构的聚乙烯醇维纶纸等并没 有行研究、开发,国内申请人可尝试从造纸用聚乙烯醇纤维 的制备过程出发, 通过工艺过程的改进, 或是通过物理共混、 化学交联等改性方式制备得到性能优越的造纸用聚乙烯醇 纤维。同时,需要国家在这方面做好产业布局和规划,出台 相应的政策鼓励和扶持企业进行研发和生产,做大做强一批 龙头企业,鼓励优势企业之间进行强强联合,使产业链逐步 完善,有利于优势互补和技术融合和促进;对具有重大开发 利用价值的环保技术与装备组织攻关、试验鉴定和成果转 化,建立范工程后进行推广应用。 聚乙烯醇( PVA) 纤维是合成纤维主要品种之 一,早在1924 年德国Hermann 和Haehnel 就将聚醋 酸乙烯醇解制得聚乙烯醇,随后又以其水溶液干法 纺丝制得纤维。目前聚乙烯醇纤维主要有湿法、干 法、凝胶法3 种纺丝方法,干法纺丝以其工艺流程 短、环保等优异特点而被用来生产聚乙烯醇水溶长 丝和其他多功能性或差别化聚乙烯醇纤维[1] 。干 法纺丝过程较复杂,纺丝原液经喷丝孔挤出后在纺 丝甬道中有拉伸流动,丝条在干燥凝固成形的过程 中伴随着传热和传质。Ohzawa 等[2 - 3] 曾对聚乙 烯 醇等几种干纺体系进行模拟,Sano Y[4]基于纺丝工 艺对聚乙烯醇干纺体系进行了较准确的数学模拟, 并对丝条径向浓度分布进行了研究。但已报道的干 法纺丝文献都采用逆流式进行模拟,而顺流式干法 纺丝纤维成形较缓和,更有利于生产聚乙烯醇水溶 长丝[1] 。本文通过建立一维顺流式干法纺丝模型, 从理论上研究了丝条凝固成形过程中速度、浓度、温 度、张力的分布规律。 在聚乙烯醇顺流式干法成形过程中,温度的 降低使丝条凝固,在纺丝速度较低的情况下,喷丝头 处的张力最大。 泵供量的增加使甬道风对丝条的干燥时间增长,使 丝条在纺程更远处凝固,丝条内溶剂含量是控制丝条温度变 化的关键因素。 提高甬道风风速不利于纺丝速度的提高,而提高甬 道风温度对纺丝速度的提高影响很小。 在相同泵供量和纺丝速度下,增加溶剂溶度会使溶 剂的蒸发速率减慢,丝条不易干燥固化。 增加卷绕速度可以加强传热传质过程,使溶剂更快 地从丝条中挥发出来,但在较高的纺丝速度范围内,丝条溶 剂含量变化不大。 采用化纤产业技术创新战略联盟研究开发的系 列新一代仿棉聚酯纤维,商品名称为“逸绵” 。其主 要通过聚合改性克服常规聚酯纤维的缺点,赋予了 聚酯纤维新的特性,使其服用舒适性大幅提高。 易染型聚酯纤维熔融温度约为236 ℃,介于锦 纶6 和常规聚酯纤维之间,比常规聚酯纤维低20 ℃ 左右,其DSC 测试结果如图1 所示[1] 。 易染型聚酯纤维的玻璃化温度比常规聚酯纤维 低10 ℃左右,聚酰胺基团的引入破坏了聚酯纤维大 分子的规整性,使纤维的无定形区增加,染料分子更 容易进入纤维内部,所以,易染型聚酯纤维可以实现 分散染料无载体常压沸染。 易染型聚酯纤维目前主推品种为棉型短纤,单 丝线 dtex,断裂强度为2. 2 ~ 2. 8 cN / dtex,初始模量≤50 cN / dtex,断裂伸长 率为20% ~ 35% ,回潮率为0. 8% 左右。与常规聚酯纤维 相比,易染型聚酯纤维的断裂强度和初始模量均大幅降低, 只有常规聚酯纤维的50% 左右,这个强 度可以满足服用要求,同时又使织物是有良好的抗 起球性能。易染型聚酯纤维的初始模量低于长绒棉 纤维,低的初始模量使织物触感更加柔软[2 - 3] , 而且回潮率是常规聚酯纤维的2 倍,有助于改善其亲水 性能和抗静电性能。 易染型聚酯纤维是常规聚酯纤维的升级换代产品,其 强度适中,手感柔软,光泽柔和,抗起球性好,在强度、外 观、手感、亲水性等多个方面都有优良的仿棉特性。 易染型聚酯纤维可常压无载体染色,摆脱了常规聚酯 纤维需要高温高压染色的限制,对染色设备的适应性更广, 其和棉混纺织物易于一浴一步染色,符合节能减排理念。 易染型聚酯纤维有良好的吸湿速干性能,其织物芯吸 高度、液态水扩散速率、干燥速率等指标均优于纯棉和常规 聚酯纤维织物,适合于各种纯纺或混纺产品,是开发各种休 闲、运动面料的优良原料,应用前景非常广阔。 上世纪80 年代悄然掀起的高端智能纺织材料, 在生物医学、航空航天、环境卫生、军事技术、建筑行 业、日常生活诸多领域得到了广泛的应用,引起了大 家的高度重视。随着时代的发展,高端智能纺织材料 还将给人们带来更加惊喜的应用研究成果 在生物医学领域的应用 智能材料的特点,使其在医用领域已有了一定 的应用,如作为药物释放载体已有了实质性的进展, 原理是利用智能材料来感知病变部位各种环境信息 的变化,使药物在预定的时间或地点释放出所需要 的剂量,实现药物的定点、定时、定量释放。目前利用 外界刺激的智能材料主要有物理、化学刺激敏感型 材料如pH 敏感材料、温度敏感材料;生物化学敏感 型材料如葡萄糖敏感型材料、酶敏感型材料、基于抗 体识别功能设计的材料等。 纺织纤维材料及纺织品以其自身优势如良好的 柔韧性、机械性在未来智能材料及其组元材料开发 中具有重要的地位。首先,从纤维加工制备的角度考 虑,可以通过纤维的功能化如内部包埋药物、纤维表 面接枝改性引入特定功能基团等,来构筑智能材料 应用于生物医用领域。当这些具有特定功能的纤维 材料或纺织品与病人病变部位接触时,智能材料能 够迅速检测出病变部位释放出的物质,并作出响应 如释放药物等,当病变部位好转到一定程度或治愈 后,与其接触的智能纺织品停止释放药物。如将药物 置于聚(N- 异丙基酰) 接枝的聚乙烯醇凝胶纤维 中,该纤维能够通过外界温度的变化(变化范围 20~30 ℃)自动开启和闭合,从而实现自动控制药 物的释放;pH 敏感型水凝胶纤维载药后在人体肠道 内部可以通过内部环境中酸碱性的改变,来实现选 择性地释放所载的药物。今后,基于智能材料对外界 刺激反馈的不同作用原理,可以着重研究温敏、光 敏、磁敏等智能材料及组元,来开发具有多用途、特 殊功能的智能纺织品。 由具有形状记忆功能的纤维织制的纺织品并包 含药物,可以在医疗领域用作智能绷带。如经聚乙二 醇处理过的棉、聚酯或尼龙/聚氯酯共聚纤维,含有 交联的多元醇,这种编织或机织的纺织品遇到血液 或酒精/ 水混合物等极性消毒溶液时会收缩。用这 种纺织品做绷带,它在血液中收缩时使伤口上所产 生的压力可以止血,而绷带干燥时可回复至原始尺 寸,压力去除。因此,它可以用于身体某些部位出血 时的包扎。 2 在航空航天领域的应用 航空航天领域使用的材料需要经受住恶劣环境 的影响,它需要对自身状况进行诊断,并能自动加固 或自动修复材料中的伤痕或裂纹,从而避免大灾难 事故的发生。航空航天飞行器的结构要求轻质、高可 靠性、高维护性、高生存能力,为此,必须增加材料的 智能性。目前智能材料结构在航空飞行器上的应用 有智能蒙皮、自适应机翼、振动噪声控制和结构健康 监测等。 3 在环境卫生领域的应用 环保用智能纺织材料在未来环境领域将会有重 要的应用前景,比如具有清洁功能的智能纺织品,它 的开发可以沿着两条思路进行,一是利用纺织品表 面特有的几何尺寸的形状界面结构,经过材料界面 技术处理后,由于织物表面尺寸低凹的表面可使吸 附气体原子稳定存在,所以在宏观表面上相当于有 一层稳定的气体薄膜,使油和水无法与材料的表面 直接接触,从而显示出卓越的拒水和拒油性能,而对 纤维的原有理化性能如纤维强度、染料亲和力、透气 性等没有影响,甚至还能增加杀菌、防辐射、防霉等 特殊效果。当这类材料表面粘附灰尘后,在有水滴出 现时,水滴就会将灰尘带走,还原来纺织品表面一个 清洁的原貌。这就是所谓的抗灰尘、防水智能纺织 品。另一条途径是通过纺织品后整理,通过在纤维表 面改性整理,引入具有光催化降解功能的二氧化钛, 纺织品在紫外光照射下,其表面的有机污染物被分 解,进而被去除,恢复到原有的清洁表面。 4 在军事领域的应用 在军事方面智能材料也有应用优势。如智能材料应用于 潜水艇上,能够改变形状,清除湍流,使流 动的噪声减弱,潜艇隐蔽性更好,这些智能材料或其 组元材料可以通过使用特种纺织纤维或纺织品织物 来实现。 5 在建筑领域的应用 利用智能材料的自诊断、自调节、自修复功能, 可快速检测环境湿度、温度,取代温控线路和保护线 路;利用热电效应和热记忆效应的聚合物材料可用 于智能化多功能自动报警和智能红外摄像,取代检 测线路;利用智能纤维制作的混凝土,可取代复杂的 检测线路。未来智能纺织品在建筑领域的应用主要 可以从材料本身的智能特性和具体使用环境角度考 虑,利用智能纤维或纺织品的特性来构筑智能混凝 土,使之成为具有自感知、记忆、自适应、自修复等特 性的多功能材料。这些特性可以有效地预报混凝土 材料内部的损伤、满足结构自我安全检测需要、防止 结构潜在的脆性破坏,并能根据检测结果自动进行 修复,从而显著提高混凝土结构的安全性和耐久性 B 纺织 114 马闪闪 1110801416

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