几种新型纤维材料的产生发展、制备方法及应用前景
时间：2020-12-28 12:03:33 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：新型纤维材料自从产生以来，就备受科学家的关注，现已发展成为复合材料增强体、特殊材料等先进材料的理想选择。本文主要介绍新型纤维材料“玻璃纤维、氧化锆纤维及碳纤维”的产生发展、制备方法及应用前景。
关键词：玻璃纤维；氧化锆纤维；碳纤维
1 新型纤维材料的的产生发展：
二十世纪三十年代美国康宁公司成功制备出世界上第一束玻璃纤维。到了 五十年代，池窑拉丝工艺的成功开发使玻璃纤维实现了跨越式的发展。二十世纪末，玻璃纤维已经发展成为较为成熟的纤维材料。 氧化锆纤维是一种多晶质耐火纤维材料。 自二十世纪六十年代末，科学界开始致力于氧化锆纤维的研制工作。美国联合碳化物公司首先成功制备出氧化锆纤维。在1987年之前，所制备的氧化锆纤维大都是短纤维，随着1987之后航空航天事业的大发展，碳纤维的不稳定性，使得氧化锆纤维日益受到关注。氧 化 错 连 续 纤 维氧化锆纤维化学性质稳定，具有很好的抗氧化性能。并且具有很小的热导率，具有很好的抗冲击性、可烧结性等，其本身具有高熔点及其他优异的高温性能，因而是良好的耐火纤维材料。碳纤维产生于二十世纪六十年代，经过大约六十年的发展，目前，世界PAN基碳纤维总产量近4万t，日本东丽、东邦和三菱人造丝等3家公司的产量占其中的75%。目前，新一代碳纤维有T700、T800、T1 000，最高拉伸强度达到7.02 GPa，模量为296 GPa。
2新型纤维材料的制备方法：
2.1玻璃纤维的制备方法 玻璃纤维的制备方法主要有坩埚拉丝法和池窑拉丝法。坩埚拉丝法主要是通过电流加热坩埚中的玻璃球，并使其融化且保持一定的温度和液面高度。通过重力的左右，使玻璃液通过坩埚底部侧漏板上的漏孔稳定的流出。用玻璃棒将稳定的液流引下成丝，集结成束，经过集束轮，将浸润剂涂到丝束上，并将丝绕到丝筒上，再然后就将丝放入排线轮内，旋转的排线轮使丝束按照所要求的卷绕结构，有规律地卷绕在绕絲筒上。在卷绕过程中，排线轮逐渐后移，使原丝布满丝筒。当丝筒绕满后取下，即成为玻璃纤维原丝。 池窑拉丝法主要先将块体的原料配制，玻璃的溶制，然后将玻璃液经过多排多孔拉丝漏板，经丝根冷却器和拉丝机高速牵引成型为纤维。
2.2氧化锆纤维的制备方法 目前氧化锆纤维的主要制备方法浸渍法、混合法及溶胶-凝胶法。浸渍法主要是将粘胶纤维或织物通过饱和锆盐的浸泡，等到纤维充分的吸附膨胀后，取出清洗后，经过特殊的干燥工艺，热裂和煅烧去除有机物后，从而得到氧化锆纤维。由于此方法中前驱体含有的有机物含量高，因而所得的纤维质量较差。混合法是将有机物高分子聚合物与纳米级氧化锆粉末或者锆盐直接混合获得所需的纺织液体，然后经过纺丝工艺，再经过热处理后，便可以的到氧化锆纤维。但是此方法过于复杂，难于制成高质量的纤维。凝胶-溶胶法，通常先将醋酸锆盐或者高的醇盐，经过水解缩聚反应，获得含有锆-氧-锆的长链前驱体熔胶纺织液，经过纺织，热处理的工艺后，获得氧化锆纤维。此方法纺丝性能好，前驱体中锆的含量高，纤维的缺陷少，强度性能好，过程简单。
2.3碳纤维的制备方法 目前市场上应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造过程包括纤维纺丝、热稳定化、碳化、石墨化4个过程。第一部是原丝制备，首先采用湿法纺丝制得聚丙烯腈和粘胶原丝，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。高性能聚丙烯腈基碳纤维制备需要采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。第二部是预氧化过程从而得到耐热和不熔的纤维。第三部是碳化，其温度大约为聚丙烯腈纤维1000～1500℃，沥青1500～1700℃，粘胶纤维400～2000℃。第四部是石墨化，聚丙烯腈纤维为2500～3000℃，沥青2500～2800℃，粘胶纤维3000～3200℃。第五、表面处理，通过气相或液相氧化等，使纤维具有化学活性，以增大对树脂的亲和性。第六部上浆处理。通过上浆处理防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。
3.玻璃纤维、碳纤维、氧化锆纤维的应用前景
3.1玻璃纤维的应用前景
随着玻璃纤维拉挤成型工艺的迅猛发展， 不仅可拉出捧管和越来越多型状断面的型材， 而且拉挤中层加缠绕层提高了型材的抗劈能力和刚度。空心和夹玻璃棉芯的拉挤门窗框、拉挤与缠绕法结合开发路灯和输电FRP线杆以及拉挤经处理提高耐碱性后的玻纤纱线制成增强水泥棒在许多工业生产和应用中显示出巨大的优势。
玻纤湿法毡制品可用于增强沥青防水的材料， 制成的玻纤基沥青毡和瓦对于建筑行业来说是优良的防水材料。湿法毡还可用于增强地板革和FRP的表面毡， 近几年开发的玻纤毡增强热塑性冲压片材，已被广泛用于制造汽车等结构零部件。玻纤纱经纺织加工成网布或麻袋布经有机和无机表面处理， 用于增强大理石和阻燃有机和无机涂料在国外建筑室内外装修上近两年有较大用量。将来，随着光纤光缆的高速发展，将玻纤作防水处理后作为光芯缆填料会有很大的市场。随着空调量的加大， 集保温好、噪声低、重量轻的优点于一身的复合玻璃棉毡通风管也会逐步扩大应用。
3.2氧化锆纤维的应用前景
由于氧化锆纤维具有很高的熔点，很好的高温特性，并且具有很低的热导率，因此成为航空航天隔热材料的理想选择。此外，氧化锆纤维可以与很多金属或合金制备成宽温度范围的使用的超强金属基复合材料，与玻璃的复合材料可以支撑高强度绝热的玻璃。此外，氧化锆纤维制品还有氧化锆纤维粘、氧化锆纤维纸、氧化锆纤维布及刚性氧化锆纤维制品。氧化锆纤维是一种应用前景广阔的特种陶瓷纤维，具有优异的耐高温、耐腐蚀、抗氧化性，可以在航空、航天、化工冶金等领域的高温环境中使用，具有很高的开发利用价值。
3.3碳纤维的应用前景
碳纤维复合材料由于其比强度、比模量高、不生锈等众多优点，已成为飞机、导弹、运载火箭、人造卫星等结构上不可缺少的基础材料。碳纤维复合材料在飞机主翼、水平和垂直的横尾翼和横梁、装饰材料、板材料的使用大幅度降低飞机结构重量，改善飞机性能，减少燃料消耗。
大丝束碳纤维的生产工艺的成熟为碳纤维及其复合材料在汽车、电力、建筑、电子和化工等行业的应用创造较大的发展空间。
另外，碳纤维轻量化、耐疲劳、耐磨、耐腐蚀的优异特性使其在体育用品市场有巨大的发展潜力。目前主要应用于高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架。除此以外，碳纤维在冰球棍、滑雪杖、射箭、自行车、划船、赛艇等体育用品中也会扩大应用。
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