一类为基于天然材料的人造纤维和再生纤维

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2018年12月31日

  锦纶、棉布或蚕丝衣裳、PVC的水管、碳纤维自行车赛车、100Mbs光纤宽带的收集、防弹衣、防弹车、航天飞船、碳/碳复合材料刹车片等等。这些耳熟能详的事物都和纤维材料互相关注。能够说,纤维材料的不竭成长为人类科技的快速前进供给了无力保障,建立了现代科技的“骨架”。

  人们将长度比直径达千倍以上且具有必然柔韧性和强度的纤细物质统称为纤维。日常糊口中的纤维凡是可分为天然纤维和人工纤维两类。

  天然纤维是天然界具有的、能够间接获取的纤维,包罗:动物的种籽、果实、茎、叶等天然纤维素纤维,动物毛发(如羊毛)和腺体(如蚕丝)等卵白质纤维,纤维状布局的矿物岩石中获取的矿物纤维(如石棉)。

  化学纤维是颠末化学处置加工而制成的纤维。可分为人造纤维(再生纤维)、合成纤维和无机纤维。

  人造纤维是用含有天然纤维或卵白纤维的物质,颠末化学加工后制成的纺织纤维,如黏胶纤维;再生纤维是指将天然高聚物制成的浆液高度纯净化后制成的纤维,华人彩票手机版登录如再生纤维素纤维、再生卵白质纤维。

  合成纤维是从一些本身并不含有纤维素或卵白质的物质如石油、煤、天然气、石灰石或农副产物,先合成单体,再用化学合成与机械加工的方式制成纤维,如聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维(氯纶)等,是纺织工业主要的原料。

  无机纤维是以天然无机物或含碳高聚物纤维为原料,经人工抽丝或间接炭化制成,包罗玻璃纤维,金属纤维和碳纤维等。

  纤维材料已然深切到了我们的糊口和出产。它们的普遍使用得益于材料本身奇特的机能,而这些奇特的机能则取决于材料的特殊的布局和构成。纤维的最大特征是长径比很大,且具有必然的柔韧性和强度,因此纤维表示出弹性模量大、强度高、受力时形变小等特点,常用于受力部件。下面针对先辈的纤维材料,简要引见它们的用处:

  高分子纤维是由无机小分子单体通过聚合反映获得的长链高分子所加工而成的高机能纤维。按照分歧的需求,可有针对性地设想高分子链的特征,并拔取响应的无机小分子单体,制得具有特定机能特征的高分子材料,高分子纤维品种丰硕、使用很是普遍、地位很是显赫。此中的芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维与碳纤维被称为世界“三大高机能纤维”。在浩繁高分子纤维中,高强高模纤维大多使用于飞机、导弹、火箭外壳等高强复合材料,汽车、单兵防弹防护配备,电缆、光缆等;耐高温纤维次要用于太空飞船的密封垫、复合材料、火箭策动机的绝缘层、宇航服、赛车服、防弹材料、机翼、消防服等。Kevlar纤维是一种最具代表的高分子芳纶纤维。

  Kevlar是美国杜邦(DuPont)公司研制的一种芳纶纤维材料产物的品牌名,材料原名叫“聚对苯二甲酰对苯二胺”,化学式的反复单元为-[-CO-C6H4-CONH-C6H4-NH-]-接在苯环上的酰胺基团为对位布局。Kevlar®纤维的发现者是美国波兰裔女化学家、被称为“防弹纤维之母”的Stephanie Kwolek密斯。现现在,Kevlar纤维在全世界各地遍及获得使用,同时也无力地保障了科学和手艺的成长,更是防弹装甲、直升飞机机翼、导弹及特种防护材料和绳缆等必不成少的原材料。

  Kevlar纤维的优异的机能来自于其奇特的布局特征(如图一):长链状的聚酰胺中,至多85%的酰胺间接键合在芬芳环上。此中对位布局的直链芬芳环付与材料高的强度和模量;线性芬芳分子再加上可控的结晶率使得分子链的堆积慎密,密度高,强度高;在平行的线性分子之间,酰胺基上的羰基与亚氨基间接具有大量的分子间氢键,有益于直链芬芳环的陈列和结晶,添加了分子间的连系力,也提高了耐化学药品的能力。

  碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。19世纪80年代为电力革命时代,正在寻找电灯胆灯丝的托马斯·爱迪生发觉了碳丝,并申请了发现专利。但因为碳丝成本过高,电灯成为了钨丝的全国。直至20世纪50年代,寂静了半个世纪的炭材料因美苏争霸的契机而异军突起,其时美国的空军需要寻找更耐烧蚀的材料用于制造航天飞机,颠末严酷的筛选,发觉了一种熔点约3600℃的炭材料,并正式定名为碳纤维,也就是爱迪生发觉的碳丝,自此科技与财产界掀起了一波碳纤维的成长怒潮。日本、美国、英国、中国接踵投入开辟碳纤维材料,并将碳纤维材料的使用从航天飞机和洲际导弹等军工范畴拓展到了体育用品、民用节能飞机、赛车、自行车、燃料电池电动车和航空策动机等尖端范畴。2016年2月15日,中国冲破日本管制封锁研制出高机能碳纤维。

  碳化硅纤维是以无机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相堆积而制得具有β-碳化硅布局的无机纤维。彩票娱乐平台比拟碳纤维,碳化硅纤维具有更优异的耐热性和耐氧化性。碳化硅纤维所具有的奇特机能使得它已成为多个工业范畴的核心,特别是国防工业和高科技范畴:如军用和民用航空策动机、先辈的航天飞翔器和原子能工业等。作为吸波材料,它付与了战役机和飞翔器隐身的能力;作为耐高温布局部件,使得航天飞机的分量大大降低,并提高了航空策动机的效率、耽误了寿命,目前,GE航空公司已将基于碳化硅纤维的陶瓷基复合材料批量使用到新型策动机中,并通过了测试,陶瓷基复合材料迎来了新的成长机缘;日本福岛核电站的变乱时辰令人警醒,但和平操纵核能是全世界的共识,因而,在严峻变乱前提发生时包管核电站反映堆的平安,成为了核电行业的核心,将二维编织碳化硅纤维加强的碳化硅基复合材料作为核电站焦点部件的燃料包壳管材,将可能成为下一代“变乱容错燃料”不成或缺的脚色,并无效地提高反映堆抵当变乱的能力,加强核电站的平安性。

  高机能纤维材料的呈现和不竭前进,为人类的糊口和出产供给了更多平安上的保障,同时,也为人类科技勾当的不竭摸索供给了更多的可能。

  这些“高峻上”的纤维材料是若何制取的呢?这里面能否使用了良多高端的科学手艺理论?

  图二大致将纤维分为了天然纤维、化学纤维、碳纤维和碳化硅纤维,同时也用线条示意了分歧纤维类别之间具有的一些关系。接下来,我们将以碳元素为视角,跟踪碳元素在这些高机能纤维材猜中的演化过程:

  天然纤维碳元素是无机体最根基的构成元素,并与氢、氧、氮、硫等元素构成了多变的大天然无机系统。天然纤维用于现代化学工业,次要感化是作为原料。

  化学纤维在化学纤维中,一类为基于天然材料的人造纤维和再生纤维,如粘胶纤维;另一类为以化学试剂为原料的合成纤维,如聚丙烯腈(PAN)纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维等,原料别离为丙烯腈、对苯二甲酸和对苯二胺,所涉及的反映次要是加成(加聚)反映和缩聚反映,反映后无机物单体聚合成高分子化合物,化合物的链条有序增加。合成纤维在完成反映后,颠末纺丝获得纤维,众购彩票zg606并通事后处置使高分子结晶以达到所需的机能要求。

  碳纤维是由片状石墨微晶等无机纤维沿纤维轴向标的目的堆砌而成,经碳化及石墨化处置而获得的微晶石墨材料。按照原料的分歧,常见的碳纤维有黏胶基、聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和酚醛树脂基碳纤维;按照功能特征的分歧,可分为布局、导电、耐燃、耐磨和活性碳纤维。现实上,两种分类方式之间并没有严酷的对应关系。碳纤维的制备是基于无机高分子材料,颠末纺丝、低温炭化、高温炭化、石墨化(特殊需要)、后处置等工艺而得。最早的碳纤维材料即为粘胶基碳纤维:以粘胶纤维为前驱体,颠末碳化脱水热裂处置,脱去C、H、O、N等元素,使产品中只剩下碳链(反映:(C6H10O5)n---6nC+5nH2O),在更高的温度下,进行横向、纵向缩聚和交联,逐渐生成六元环石墨布局,最一生成碳纤维的乱层石墨布局。聚丙烯腈基碳纤维的制备过程大体上与黏胶基雷同,但采用的原料为聚丙烯腈纤维,在纤维的根本上开展炭化处置过程,是当上次要的碳纤维出产工艺;沥青基碳纤维的制备原料采用沥青纺丝,是仅次于聚丙烯腈基碳纤维的第二大品类。

  碳化硅纤维碳化硅纤维的制取次要有化学气相堆积法、前驱体转化法和活性碳纤维转化法三种方式。化学气相堆积法制取碳化硅纤维的过程中,以钨丝或碳纤维为芯材,在必然温度下通入原料气体,颠末反映裂解为碳化硅纤维材料。前驱体转化法以二甲基二氯硅烷脱氯制得的无机聚合物为前驱体,成型后,颠末高温热分化转化为无机陶瓷材料,该方式制得的产物曾经商品化。活性碳纤维转化法以多孔活性碳纤维为原料,在高温下与气态的一氧化硅发生氧化还原反映,从而转化为碳化硅纤维。

  从上面的描述能够晓得,在高机能纤维的制取过程中,所涉及到的化学道理往往很是简单,限制高机能纤维成长的凡是反却是工艺上的难题。因为每一种产物从原材料出发,到最终产物之间需要履历多达数十个工艺过程,因而,严酷把握好每一个工艺步调,才能获得机能优异的产物。

  当今,列国之间的科技成长程度尚具有较大的差距,特别在某些环节范畴,我国的手艺程度仍有很大的追逐空间。汗青告诉我们,只要自主立异与缔造,成长尖端科学与手艺,方可实现富国强国的梦,而高机能纤维材料则是建立现代科技和强盛中国的强无力的“骨架”。在高机能纤维材料研制方面,邻国日本很是值得我们进修,他们在该范畴已然独步世界。不外,国内也已获得诸多可喜功效,赶超之势指日可待。

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