论述高技术纤维发展中存在的问题及发展趋势

论述高技术纤维发展中存在的问题及发展趋势刘丹（新疆大学纺织与服装学院纺织工程11-1）摘要本文转述了高技术纤维近几年的发展中存在的问题，以及高技术纤维发展趋势。分别介绍了三类高技术纤维(高性能纤维,高功能纤维,特种高性能纤维)中的代表性纤维，从中发现近年来高技术纤维的发展情况，总结发展中出现的问题并打开高技术纤维现有的局势。关键词高性能纤维；高功能纤维；特种高性能纤维；发展；问题中图分类号：T-19文献标志码：A前言高技术纤维是高技术研究领域的一个分支,其性能是指抵抗外部的某种作用(如力、热、光、氧等),避免材料受到破坏的能力。高技术纤维的功能主要有以下几个方面:(1)材料对能量质量等各种输入信号及信息能够储存、传递、转化的能力;(2)在缓和条件下的反应,对特殊金属离子赘合的能力;(3)选择性透气,选择性透液;(4)催化性,光敏性及导光导热导电能力。高技术纤维的用途广泛,以前主要用于各种功能性服装,现在已经广泛应用在国民经济的各个部门。高强高模纤维主要用于航天,航空,土工建筑;耐环境纤维用于耐热、防火、防腐蚀的各种工作场合,其他特殊性能纤维常用于耐辐射,耐紫外线;生命科学的纤维用于血液的相溶性和组织的相容性生命体中。一般情况下,高技术纤维分为高性能纤维,高功能纤维,特种高性能纤维三种。1高性能纤维1.1高强髙模聚乙烯纤维高强髙模聚乙烯纤维，英文名HighStrengthHighModulusPolyleneFiber,简称HSHMPE纤维。俗称超高分子量聚乙烯纤维，是第三代高性能纤维，在此之前国际上开发了碳纤维、芳纶。与现在市场上的纤维相比其优异性能相当明显，是比强度和比模量最高的纤维，其比强度是同等截面钢丝的10多倍，比模量仅比特级碳纤维差。HSHMPE纤维具有学惰性强，耐强酸、强碱溶液和有机溶剂的腐蚀的特点，因而其强度基本上不受化学环境影响；同时还具有耐低温良好的特点，一般使用温度可以低至一150oC。耐候性良好，即使31晒1500h后，纤维强度保持率不低于80％，耐紫外性能非常优越。因其具有以上的优点，因而在安全防护、航空航天、航海、防弹衣，坦克和舰艇的装甲防护板，医疗器具、船舶海洋工程缆绳、远洋捕鱼的器具等领域得到广泛应用[1,2]。随着人类逐渐认识到HSHMPE纤维制作材料的特点，它的需求量会成倍增加，据估计目前全球需求量为30kt，我国需求量为8kt，但是世界的产量仅为10kt，我国产量为5kt[3]。可见，我国HSHMPE纤维市场前景广阔。1.2碳纤维碳纤维是纤维状的碳材料，其化学组成中，碳元素占总质量的90%以上。碳纤维和石墨纤维层面主要是以碳原子共价键相结合的，而层与层之间主要由范德华力相连接，因此碳纤维是各向异性材料[4]。目前，世界碳纤维生产企业主要有日本的东丽,东邦和三菱人造丝公司，美国的HEXCEL,德国的西格里集团，韩国泰光产业以及中国台湾的台塑集团等。其中，日本是PAN基碳纤维的发源地，其发展一直处在世界前沿，产量位居世界第一。碳纤维的应用[6,7]碳纤维既有高强度,高模量,抗疲劳,耐腐蚀以及导电性等碳材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是重要的增强材料，主要应用范围有以下几个领域:工业领域：风力发电叶片,压力容器,钻井平台,汽车零部件及医疗器械等；航空航天领域：广泛用作飞机和飞船的结构材料，如飞机的机翼%内装材料等；火箭的发动机盖,导弹壳体等;体育休闲领域：高尔夫球杆,渔具,球拍,自行车,赛艇等;建筑加固领域：碳纤维网%碳纤维筋等被用作增强材料。1.3聚苯硫醚纤维聚苯硫醚（PolyphenleneSulfide,简称PPS）纤维是一种新型的高性能合成纤维，主要由高分子量的线型聚苯硫醚树脂通过纺丝制得。其分子结构比较简单，分子主链由苯环和硫原子交替排列组成。PPS纤维具有热稳定性，耐化学腐蚀性，耐辐射性，阻燃性，电绝缘性好，且易于加工等特点，在环保，电子，机械，汽车，纺织，航空航天等领域得到了广泛应用[7]。聚苯硫醚纤维在发达国家锅炉烟道气过滤中的应用。远比我国要高。美国约占全球聚苯硫醚纤维的消费30％，日本占l8％，而我国不到5％。我国一方面以牺牲自然环境和原料资源为代价，大量廉价向发达国家出口对二氯苯(做为聚苯硫醚的主要原料)；获取了微薄的利润；另一方面大量以高价进口聚苯硫醚纤维。近年来，我国的线性高分子质量聚苯硫醚树脂合成有实质性突破[8]，纤维方面陆续有多家单位进行聚苯硫醚纤维工业化技术的开发,与国外聚苯硫醚纤维相比，但仍存在很大差距。主要有[8]：a)低聚物和金属离子杂质较高；b)聚苯硫醚纤维纺丝工程技术及工业化生产能力不够；c)树脂及纤维色相偏深，树脂的耐氧化、耐降解技术需进一步提高。这也成为目前国内研究开发的热点。突破技术瓶颈，加快聚苯硫醚纤维工业化开发，在带来良好的经济效益的同时，对于我国环境保护更有着极其重要的社会意义。2高功能纤维2.1稀土发光纤维稀土发光纤维是一种新型高技术功能纤维。根据发光机理的不同，该纤维在接受紫外光，可见光，热，电等激发后，能够将所吸收的能量转变成光能并储存于纤维之中，在黑暗状态下持续发光几个及至十几个小时以上，并且具有各种色彩，如红光，黄光，蓝光，绿光等。稀土发光纤维，简称夜光纤维，是利用稀土材料作为发光体，以聚丙烯，聚酰胺及聚酯等为基质，经过特种纺丝工艺制成的具有夜光性的聚光型纤维，是一种新型高科技功能纤维[9]。随着纳米科技的发展，纳米概念的拓展，稀土纳米材料的研究也正在迅速发展。寻找和研制纳米长余辉发光材料，使用新型纳米合成技术，制备纳米尺度的稀土发光化合物，将会大大扩展稀土发光纤维材料的应用领域。2.2阻燃纤维阻燃纤维是一种具有阻燃抗熔滴功能的高技术纤维新材料[10]。纤维燃烧是纤维材料和高温热源接触后，吸收热量而发生热分解反应，反应生成大量的可热性气体分解产物，这些分解产物在氧存在的条件下发生燃烧，燃烧产生的热量被纤维吸收后有促进了纤维的热降解和燃烧，从而形成了循环的燃烧反应。传统的阻燃技术虽然可以是纺织品具有一定的阻燃性能，但也造成了织物手感和强力等机械性能的降低。随着世界各国对阻燃织物研究的深入，出现了一些新的阻燃技术，如绿色阻燃技术。阻燃纤维的织物特性（1）优良的永久性阻燃防火性能。在防止火焰蔓延、烟雾释放，抗熔融，耐用性上有良好表现（2）良好的隔热性及防静电性能。提供全方位的热保护。（3）具有天然纤维特性。织物具有天然纤维的吸放湿性能，织物具有手感柔软、舒适、透气、染色鲜艳等特点。2.3导电纤维导电纤维（ElectroconductiveFiber）是20世纪60年代出现的一种新的纤维产品，是通过电子传导和电晕放电而消除静电的功能性纤维，随着科学技术的发展，要求纤维材料具有传导电的功能而产生的[11]。由于导电纤维的比电阻值远低于普通纤维，同时电荷半衰期很短，因此导电纤维在任何情况下都可以在极短的时间内消除静电。正是由于导电纤维的这些特殊的性能使得导电纤维的用途日益广泛，以服装的静电释放为起点，用途不断扩宽并渗入到智能服装和影身技术等尖端领域。用导电纤维制成的导电织物具有优异的导电导热，屏蔽，吸收电磁波等功能，被广泛应用于电子及电力行业的导电网，导电工作服；医疗行业的电热服，电热面，电热绷带；航空航天精密电子行业的电磁屏蔽罩等方面。3特种高技术纤维3.1中空纤维膜中空纤维膜（HollowFiberMembrane）是分离膜的一种重要形式，就是外形为纤维状，具有支撑作用的膜。中空纤维膜特殊的成膜机理和结构特点，决定了其拥有比表面积大，装置占地面积小设备造价低，易在线反洗恢复膜通量等优势。目前，中空纤维膜在环保工程，石化工业，海水淡化，食品工业，医疗卫生等领域都劝重要的应用[12]。通过膜技术进行水处理，应用于制药、酿造、餐饮、化工、市政污水回用、医院、小区污水回用、造纸等生产生活污水处理。膜分离技术是一种广泛应用于溶液或气体物质分离、浓缩和提纯的分离技术。膜壁微孔密布，原液在一定压力下通过膜的一侧，溶剂及小分子溶质透过膜壁为滤出液，而大分子溶质被膜截留，达到物质分离及浓缩的目的。膜分离过程为动态过滤过程，大分子溶质被膜壁阻隔，随浓缩液流出，膜不易被堵塞，可连续长期使用。过滤过程可在常温、低压下运行，无相态变化，高效节能。3.2生物医用纤维生物医用纤维（BiomedicalFiber）材料包括合成高分子及天然高分子两大类。合成高分子材料包括聚氨酯，聚酯，聚乳酸，聚乙醇酸，乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑料和橡胶；天然高分子纤维材料有纤维素及其衍生物纤维，甲壳素及其衍生物纤维，海藻酸纤维，胶原纤维，丝蛋白纤维等[13]。医用纤维材料具有特殊性，与其他领域的非织造产品、纺织品相比，用于医学领域的产品在性能和加工上有其特殊性，主要表现在下面几点。1．特殊的功能性和生物相容性根据医学上的不同使用要求，常需要纤维制品具有表面亲水性、抗凝血、耐辐射灭菌等特殊功能。2．生物安全性必须是无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等。3．耐生物老化性或可生物降解性以及可消毒性植入体内需要长期使用的材料必须是耐生物老化。4．医用材料和制品要求特殊的生产加工条件医用纤维制品在使用过程中，大都要与人体接触，因此制品表面的性能至关重要。同普通纤维相比，制造医用纤维原料的单体及低聚物的残留有严格的限制；对纤维中金属离子残留量都有严格规定；用于医用纤维的树脂要求纯度较高、分子量分布较窄；纤维在加工或改性过程中要求尽可能采用无毒助剂，长期使用时要防止或减少助剂的析出，以免影响制品性能和治疗效果。4总结发展中存在的问题虽然世界上高技术纤维的发展非常迅速,能够满足许多方面的特殊功能性要求,但是囿于技术难度、成本费用以及用途范围等因素的制约,高技术材料的产量较低,一般为普通材料的千分之一,但价格极高。原料是根本,技术是关键。审视我国合成工业的发展,面临的机遇和挑战主要是:(1)必须重视化纤原料工业的发展,加大科研投入。目前部分高技术纤维虽已实现国产,但大部分核心技术仍受制于人。如碳纤维目前绝大部分生产厂家都是从国外购买原丝,然后再加工为预氧化丝或碳纤维。(2)化纤大品种(如常规涤纶)发展已“相对过剩”,必须对化纤行业进行结构调整。1998年我国化纤产量达516万吨,位居世界首位,但高技术品种极少。而发达国家的高技术纤维用量以每年10%的速度增长,已占总化纤用量的1/2,而我国现用量不到1/5。(3)高技术纤维市场已经形成,需求扩大,因此,展望未来,我国高技术纤维行业还有较大的发展空间,有关部分和人员必须抓住机遇,迎头赶上。5分析发展趋势与建议纵观纤维国际市场,1988年,世界工业发达国家首次将一般性化纤品种、产量让位于发展中国家。但对于高技术纤维,发达国家仍牢牢掌握其核心技术,处于垄断地位,现已形成日、美、欧三大科研、生产和市场基地。我国高技术纤维起步较晚,与世界先进水平相比无论在产品质量、品种、生产规模等方面都有相当的差距,但已意识到它对我国许多产业升级和经济可持续发展的重要意义,因此,“九五”“十五”发展规划都明确提出将大力发展高技术纤维原料,力争成为支柱产业。在《纺织工业科技进步发展纲要》和《纺织工业“十二五”科技进步纲要》中提到了未来要加大科技投入强度和创新队伍建设，加强行业自主创新能力提高核心竞争力，将大批科技成果进行产业化，提升整体工艺技术和装备水平。高新技术纤维的发展也应牢牢扣住《纲要》提出的要求，上下游以先进技术为纽带实现整体产业的创新，促进中国纺织工业的转型升级和战略性新兴产业发展，为到2020年实现纺织强国而鞠躬尽瘁。参考文献[1]李月平．强力纤维一高强高模聚乙烯纤维[J]．山东纺织经济，2007(3)：72-73．[2]张多默，李厚．超高相对分子质量聚乙烯热降解行为与冲击性能[J]．高分子材料科学与工程，200016(2)：145—147．[3]陈成泗．超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料的现状和发展[J]．国外塑料，2008，26(2)：56—60．[4]程罡.PAN基碳纤维的制造和应用[J].安徽化工，2003(2):22-