超纤维在产业用纺织品中的应用和技术开发进展

日本合成纤维制造正慢慢从农用纺织品撤退，而转向产业用纺织品。2010年5月，KB salen发表文章称，开发了高强度、高模繁的液晶聚酯纤维以及耐热性蚶的聚苯硫醚（PPS）纤维，应用于工业材料领域。帝人公司于2011年下半年在荷兰芳纶厂内建设新生产设备，商业化生产超高相对分了质最聚乙烯纤维。

本文介绍了超纤维在产业用纺织品中的应用和技术开发进展。

所谓超纤维，是与一般纤维相比，其强度及弹性模量高，或者耐热性、阻燃性优的纤维。超纤维的强度达到2GPd以上，见表1。

 

表1 高强度高弹性模量纤维

纤维	公司及其商品	特征	主要用途
对位芳香族聚酰胺	帝人Technora,东丽杜邦Kevlar	高强高模、耐热性	耐热摩擦材料（管道）、轮胎帘子线、带、防弹服、防护服、绳、航空部件、混凝土增强材料
超高相对分子质量聚乙烯	东洋纺Dyneerma	高强高模、低比重、耐磨、耐药品、耐冲击、耐气候	绳、张紧材料、保护服、运动及休闲用品、钓鱼丝、渔网
聚芳酯	可乐丽Vectran	高强高模、耐热、耐酸、低伸长、低蠕变、低吸湿、振动衰减性	绳、保护服、运动及休闲用品、渔网、电器材料、保护材料、成型品功能纸
聚对苯撑苯并双恶唑（PBD）	东洋纺Zylon	高强高模、耐热、阻燃、耐磨、耐冲击、耐蠕变、低吸湿	防弹材料、防护服、带、绳、增强材料、耐热缓冲材料
碳纤维	东丽Toreka、东邦Besfite、三菱人造丝Pilofil	高强高模、耐热、阻燃、耐冲击	运动及休闲用品、X射线器件、宇航部件、火车部件、船舶部件、汽车部件、风力发电部件、土建材料

1、对位芳香族聚酰胺纤维的用途和技术开发方向

对位芳香族聚酰胺纤维的特征是：①高强度、高弹性模量；②耐热，即在高温下不熔融、不收缩而碳化；③耐疲劳、耐冲击、耐切割、耐药品性、振动衰减性、非研磨性：④自灭性、低介电常数、不导电、蠕变小、威力松弛小；⑤尺寸稳定性好。需要进行研究的课题是：①染色困难；②电绝缘性不良。

1.1芳香族聚酰胺纤维（对位、间位）有望扩大的应用

1.1.1防护服（防弹、耐切割）等各种防护材料

帝人和赤尾公司将已经很轻的消防服（约27kg）又减轻了10%，实现了世界顶级轻量（2.5kg）水平。另外，在隔热性试验中，火伤率减少60%， 达到了轻量和隔热同时提高。轻量化方面，3层结构的消防服最外层使用的是耐热性和难燃性优的间位芳纶，与高强度的对位芳纶以最佳比例混纺，保持布料强度的同时实现薄型化、轻量化。隔热性方面，用作消防服衬里，开发出有最大空气层的波型织物结构。空气层作隔热层，延迟热传导，隔热性大幅提高。消防服外层采用特殊的两重织物，隔热性进步提高。

1.1.2 土建材料（代替钢筋增强混凝)

以芳香族聚酰胺纤维为芯，用环氧树脂等热固性树脂加固的芳香族聚酰胺棒，可替代钢筋，具有轻而不生锈的优点，如用在核聚变炉建筑物混凝土结构中。还可将芳香族聚酰胺纤维片材用于抗震增强施工中，如桥梁和桥座由芳香族聚酰胺棒连接以防地震时桥梁落下（见图1）。

1.2 对位芳香族聚酰胺纤维的新应用开发

1.2.1 芳香族聚酰胺纤维的染色技术

为了使染料留在纤维中，开发出了在纤维表面形成分了级气孔的特殊加工方法和使染料进入纤维而固定的技术。芳香族聚酰胺长丝可筒子染色， 利用该丝可开发芳香族聚酰胺嗣l聚酯混纺织物。

1.2.2 超临界二氧化碳巾的芳香族聚酰胺纤维的非电l解化学镀膜

福井大学与尔丽、杜邦进行了在芳香族聚酰胺纤维上非电解化学镀铜的研究，开发了制备芳香族聚酰胺铜线的技术，应用于自动化机器的金属线。

专利(特开2010-100934）——导电性高强力纤维及其制造办法提到了相同的技术：长丝高强力丝束，经开松形成甲板状丝束，再经等离了体处理或电了射线照射处理，再浸于含有机金属络含物的超临界流体或弧临界流体中，使长丝表面附有金属络合物，使金属络合物还原而活化，长丝浸于镀液中进行非电解镀膜处理，形成金属镀层。

1.2.3 汽乍朋碳纤维及芳香族聚酰胺复合材料

在汽午中推荐用碳纤维增强树脂材料可减轻汽车质量，但有耐冲击性差的问题。为提高其耐冲击性，提出用芳香族聚酰胺等纤维增强热塑性树脂的办案，开发容易浸渍热塑性榭脂的织物，并利用现有近红外线照射的成型加工机制成实用化片材。

1.2.4深海电缆

对位芳香族聚酰胺纤维“Technora”用作电缆材料，用于深海探测机（1万m，以下） （见图2）。Technora除具有高强力外，还具有耐水、药品耐久性，分离、回收电缆时不会因压缩使弯曲强力降低，耐疲劳性好。

1.2.5 其它

将火车车厢的连接车篷从左右屏风型式改为全周型以减轻对地面的噪音，所用材料是以芳香族聚酰胺纤维针织多层布为基布贴俞透湿防水膜，由于噪音减轻、防风能力提高，因此更加节能。新透湿防水膜将特殊纳米技术材料运用于聚氨酯树脂上，气孔为0.5—3um，大小均匀的多孔膜，膜的厚度为原来的二分之一，具有柔软风格。另外，新开发的试剂和纤维表面技术配合，耐磨性、疏水性极大提高。

2、聚芳酯纤维的用途和技术开发动向

2.1 Vectran的特征

Vectran除高强度、高弹性模量外，还有以下特点：①不吸湿，由于分了结构内亲水基因少，含水率低，在干湿环境下强度相差小，反复干湿环境时的尺寸稳定性优良；②低温下，保持高强度物性， 即使在-70℃氛围中也能保持与在室温时相同的力学性能；③低蠕变性，伸缩随时间变化率极小，尺寸稳定性好。

2.2 应用

2.2.1 片材、膜材料

利用Vectran的高强度、高模量、非吸湿性、低温力学性能、耐切割性等，结合树脂加工可开发飞船膜体、赛艇、高压管和高压软管等的增强基布，如美国航空和航天局火星探测器着陆用气囊基布。

在平流层巡航的无人飞行船用于通讯及地球观测等，其膜体基布是Vectran织物，飞行高度达 16.4km。这种膜村是在Vectmn织物上有EVOH游膜和其两面为聚氨酯薄膜的含层结构，具有使产生浮力的氦气不漏失的特点及耐气候性。

2.2.2 线、张力绳及网

利埘高强度、高弹性模量、不吸湿、耐磨损性、低蠕变等特性，Vectran可用作窗帘、纱窗线、钢丝替代线（网球、排球网的支持线、室内牵引粗绳）、耳机线、光缆承受张力部分、棒球挡球网等。

2.2.3 安全及防护

利用高强度、耐切割、耐热、耐磨损等特性， Vectran可用于手套、围裙等防护服及猛兽防护网等防护材料。

2.3 新用途扩展

Vetran织物涂聚氨酯树脂后可制成水运输袋 (宽10m，长 44m、厚4m，容积1000m³）等。

3 超高相对分了质量聚乙烯纤维的用途及技术开发方向

超高相对分了质最聚乙烯纤维，东洋纺公司生产Dyneema （熔融纺丝法）及Tsunuga两种品牌 品牌。帝人公司在2011年下半年开始商业化生产。

3.1 特征

超高相对分了质量聚己烯纤维具有高强度、 高弹性模量，轻质（密度在1g/m³以下，在水中 浮起），冲击吸收性优良，耐磨、耐气候、耐药品性优。

3.2 特性应用实例

利用Dvneema的特征开发的应用实例如表2所示。

 

表2 Dyneema的应用实例

性能		应用
基本性能	间接性能
高强度、 高弹性模 量、轻质	冲击吸收性、耐切割等 防御性	运动帽盔、作业安全服、防护 衣、防护板、防护手套、汽车 冲击吸收配件、防爆片材、雷 达罩等
	耐弯曲疲劳性、耐磨损 性	水产业用绳网、船用绳、快艇 绳、渔网、高尔夫网、弓弦、 窗帘线等
	耐气候、药品性	滤布、电池分隔膜、帐幕材料 等
	低伸长性	钓鱼线、运动绳
	振动衰减性	话筒振动板、网球拍、滑需板 等
高取向	电中性、负线膨胀系数	极低温材料（超导线圈等）、各 种绝缘材料

3.3新应用扩展

3.3.1 防爆片材

Dvneema可用于建筑物爆破时防止碎片飞散的片材。

3.3.2 墙面绿化植物生成网

建筑物墙面绿化作为都市热岛现象受到高度评价。Dyneema丝构成的墒面绿化网比原来铁丝素材看上去美观。

3.3.3 超导线圈筒管

在低温状态，一般材料有尺寸收缩趋势，而Dyneema有尺寸伸长特性。利用这一特性，将Dvneema超导线卷绕成筒管使线刚不松散，有单制成极低温度下可用的线材。

4 PBO纤维的用途和技术开发方向

4.1 东洋纺Zylon的特征

PBO纤维的拉伸强度是高强度尼龙的5倍， 耐热，热分解温度为650℃，是难燃纤维，被称 为超纤维之王。

4.2  Zylon的规格和用途

Zylon的规格用途如表3所示。
 

表3 Zylon的规格和用途

长丝	短纤纱	短切纤维	短纤维
轮胎、带等橡胶材料， 光缆张力带、绳、电 缆，防弹服、防弹盔	消防服，防刀割防 护服、安全手套、 炉前服，防护服装	纤维增强塑料， 耐磨衬垫，增 强纤维	耐热毡， 高温耐 热滤材

 

4.3 Zylon新应用

1、Zvlon牛仔布。以Zvlon为芯、以棉包覆的包芯纱织成牛仔布（棉93%，Zvlon7%）。

2、耐热缓冲毡。毡的纤维长度方向有金属的导热性，厚度方向存在空气层，有保温、隔热效 果。

3、赛车的轮胎连接张紧材料，在碰撞时防止轮胎从车体飞出去。

5 脂肪族聚酮纤维的开发

旭化成公司得到国家的补助，开发了脂肪族聚酮纤维Siblon。他们以廉价的乙烯和一氧化碳为原料，在氯化锌溶液中进行凝胶纺丝，制成高强度聚酮纤维。用高速拉伸技术成功开发出了强度为17.6 cN/dtex、弹性模量为325 cN/dtex的聚酮纤维， 但尚有不耐紫外线及耐酸课题要进行研究。

6 碳纤维的用途和技术开发方向

6.1 碳纤维的特征

碳纤维的物理特性：轻质（密度为铁的1/5)， 高强度（比强度为铁的10倍，高弹性模量（硬,比弹性模量为铁的5倍，热稳定（低热膨胀率， 使用温度为300℃以下），导电、x-射线透过。化学性质是基木上不吸水，耐药品性、耐油性。

6.2 主要应朋

碳纤维的主要用途是作为树脂复合材料，例如碳纤维艮丝壳体、碳纤维复合辊、压力容器、燃料电池用电极、汽车部件、建筑材料、风力发电用风轮翼。

6.3新应用扩展

6.3.1防止地球变暖

东丽、日产汽车的2003-2007年规划目标是汽车的钢铁车体减轻50%，碰撞安全性上要有1.5倍的能量吸收，成型周期时间在10min以内（过去是100min)。采用高速硬化树脂及碳纤维成型技术，汽车的门部件、车体地板可以达到上述目标， 已进行认证试验。

6.3.2成型时问短、并町凹削的复合材料开发

东丽、三菱人造丝、东洋纺等（2008-2012年）开发成型性、加工性、回用性高的热塑性树脂的碳纤维复合材料，可用于汽车及产业机械等领域，力图使汽车变轻且节能。

7、高耐燃件纤维

高耐燃性纤维的种类和特征及用途如表4所示。

 

表4 高耐燃性纤维的种类和特征及用途

纤维	公司及其商品	特征	用途
间位芳 香族聚 酰胺纤	帝人Conex、东丽 杜邦Nomex	耐燃性、阻燃性 (LOI值29%—32%),+ 200℃、1000h强度 保持率85%~90%	滤材、电线包覆、 防燃服、防护服、 防弹服、作业服
聚苯硫 醚纤维	东洋纺Procon、 东丽Tolcon、KB seirin Gradio	耐燃性、耐药品性、 绝缘性，170~190℃ 可连续使用	滤材、抄纸用帆 布、电绝缘材料
聚酰亚 胺纤维	P84	耐燃性、阻燃性、过 滤特性，260℃力学 性能不变．500℃以 上碳化	滤材、耐热服、防 燃服、航空宇宙部 件

相关阅读

制超纤工序中浸灰碱的主要目的及作用介绍

直接纺丝法生产超纤的技术难点

超纤制造方法之复合纺丝一物理（ 或化学）剥离法

超纤维制造方法之复合纺丝一溶解（或水解）剥离法

超纤维制造方法：常规纤维碱减量法

超纤的制造方法概论

超纤发展的历史沿革

超纤维在防裂混凝土工程中的应用探讨

超纤非织布印染生产废水的治理工程方案设计分析