跟纤维有关的论文题目是什么意思
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高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。 【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材 料， 它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。 所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分 子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高性能纤维可用于防弹服、 蹦床布等特种织物的加 工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、 超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能 纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类 无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。 有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维 碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初， 由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、 粘胶纤 维或沥青纤维经预氧化、 炭化和石墨化加工而成。 碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度 大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 2GPa，断 裂伸长率为 5%。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维 高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现， 具有超高分子量， 高取向度， 且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征， 其密度具有 97g/cm ， 是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。 除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通 纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。 图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子， 在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状 液晶;(d)为向列型液晶 芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯 二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯 二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较 均衡，具有高强伸性能， 高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化 学性能。 图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图 聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化 学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高 取向度， 决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 5N/tex 以上的强度 和 84N/tex 以上弹性模量， 经热处理后可得到强度不变、 模量达 4N/tex 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温 度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。 表 1 PBO 纤维的性能 性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 54 56 抗拉强度(GPa) 8 8 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 5 5 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较 性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维 密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 56 24 8 280 5 45 12 2 115 0 80 6 58 230 5 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂 环聚合物:聚[2，5-二烃基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在 基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分 子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。 图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。 图 4 M5 晶体结构 比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个 蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩 和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较 碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转 移到相邻层面， 这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。 但这些共价键为 纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应 变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。 有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚 乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱 的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘 合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用 力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复 合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。 芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大 分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺 纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形， 薄片相对容易断开， 在严 重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。 分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢 在 键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉 伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 7GPa。此外 M5 而大分子链上含有羟 基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特 殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合 材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复 合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分 别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显 差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解 温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在 阻燃性方面也优于芳纶。 图 5 碳纤维复合材料测试条的失败 图 6 M5 纤维料测试条的失败 表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。 表 1 高性能纤维的力学和物理特性 特性 高 强 度 超高强聚 高 模 量 芳 香 族 高 模 量 高模量 M5 纤 碳纤维 乙烯纤维 聚酰胺纤维 PBO 纤维 维（实验值） 抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 58 5 230 10 90 80 0 一 43 0 0 一 一 97 一 一 2 0 115 58 50 45 5 29 8 5 280 40 15 56 6 68 0 5 330 70 50 70 0 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的 高性能纤维。 3 应用与前景 目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低 温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳 香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料 的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良 特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜 和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏 蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有 防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防 服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。 与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤 其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用 前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞 争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和 拓展。 高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步， 随着 世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的 迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物，聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)简述了M5纤维的制作方法，M5纤维特殊的分子结构特征，并通过与其它高性能纤维的比较，阐述了M5纤维优良的性能，特别是其良好的压缩与剪切特性除此之外，M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接，这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好文中还展望了M5纤维的应用前景前言近年来，随着对有机高性能纤维的不断深入研究，在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展但大多数高性能纤维，因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足，如PBO纤维大分子链间较弱的结合力，使其压缩和扭曲性能较差纤维材料的压缩性能，主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1，2]通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度因此，如何增强大分子链之间的相互作用，已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题作为Akzo-Nobel实验室的研究成果，一种新型的高性能纤维，即著称的M5已经被研究出来聚合物是聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)[3]由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构，所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能，而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能1高性能纤维M1 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中，其关键步骤是单体2，3，5，6-四氨基吡啶(2，3，5，6-tertraaminopyridine，TAP))的合成TAP可由2，6-二氨基吡啶(2，6diaminopyridine，DAP)经硝化还原后制成，反应方程式如下所示:在M5的合成过程中，TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应，不但可以避免盐酸腐蚀作用，还可以加快聚合反应速度，但却易发生氧化作用另一单体2，5-二羟基对苯二甲酸(2，5-Dihydroxyterephthalicacid，DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节，可由2，5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2，5-dihydroxy-1，4-dimethylterephthalate，DDTA)水解后制得，反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole)，PBO)相似，可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)中，脱除HCI后逐渐升温至180℃，反应24h，得到M5聚合物，反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构1 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团，容易在分子间和分子内形成强烈的氢键因此，其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5]图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5]图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构，即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构，这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图2 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示，为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水，因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容，而且具有良好的耐燃性能表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16，19]如图4所示，为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16]从图4可以看出，PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出，变成无水聚合物晶体，从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构有实验表明，经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现，因PIPD试样的处理温度不同，在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示)单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a=49 ，b=48 ，c=01 ，=90°，=107°，=90°三斜结晶:a=68 ，b=48 ，c=02 ，=84，=110°，=107°Takahashi等[20，21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a=33 ，b=462 ，c=16 ，=84°，=4°，空间结构为P21/，单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于，三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的，而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构，显然这种二维氢键网络结构，使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度，剪切模量和压缩强度图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影 图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9，16]1 M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为0×104~5×105)进行干喷湿纺，空气层的高度为5-15cm，纺丝温度为180℃，以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂，可制成PIPD的初生纤维其中，实验用喷丝孔直径范围为65-200 m，喷头拉伸比取决于喷丝空的直径，可达70倍，所得纤维直径为8-14 所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗，以除去附着在纤维表面的溶剂PPA，并进行干燥图7 M5纤维的热处理示意图2 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量，对初生纤维在一定的预张力下进行热处理，如图7所示在这一过程中，M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构，从而提高纤维的综合性能M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后，在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理，最终可得到高强度，高模量的M5纤维在此需要特别指出的是，如果热处理温度过低或处理时间过短，则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的因此，热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大4 M5纤维的性能1 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示，热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较，二者的力学性能截然不同，PIPD-AS纤维存在屈服，而PIPD-HT纤维不存在这种现象Lammwers M[18]等研究发现，经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到7Gpa，而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到1G显然对于PIPD的初生纤维来讲，并非热处理温度越高越好通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹，这可能是导致压缩强度下降的原因，因此，热处理温度不宜太高表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据，其中的力学性能包括拉伸强度，断裂伸长，模量以及抗压缩强度等与其它3种纤维相比，M5的抗断裂强度稍低于PBO，远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维，其断后延伸率为4%;与其它高性能纤维相比，M5纤维的模量是最高的，达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维，但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维，这归因于M5的二维分子结构[17]表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/(-3)回潮率/%Twaron-HM5C-HS0PBO6M0纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构，使其除具有高强和高模外，还具有良好的压缩与剪切特性，剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和6GPa，优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维，在目前所有聚合物纤维中最高图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲，当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时，其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变，即沿着纤维轴向出现变形带结构而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11]如图9所示，当M5纤维受到外界的轴向压缩力时，压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构，但与其它高性能纤维(如PBO)相比较，M5纤维的变形程度要小很多2 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)PIPD-AS76061PIPD-HT89062PBO-HM17072T09811N08724PVC05515注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的，也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值纤维试样放在一块1cm2的线网上试样原始重量在3g-5g之间从表2可以看出，PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为7kWm-2，也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量，与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s，远高于Nomex纤维SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量，PIPD-AS纤维达到了224m3/kg，而Nomex纤维为38670m3/kg，二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维，说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维同表2中的其它高聚物相比，PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为76sm2kW-从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面，要好于其它高性能纤维，即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性从表2中可以看出，PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值，但它在燃烧过程中更不容易产生烟M5在空气中的热分解温度为530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与PBO纤维接近M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50，不熔融，不燃烧，具有良好的耐热性和稳定性[7]3 界面粘合性能与PBO，聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比，由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接采用M5纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特殊的粘合促进剂M5纤维在与各种环氧树脂，不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中，不会出现界面层，且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6，8]4 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为MGNoRTHoLIT[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内，以2℃/min的速度，在30℃-200℃范围内得到一张扫描图，如图5所示从DSC谱图可以看出，四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关从表3可以看出，含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别，而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料，M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性，这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍，赛艇等M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能，使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力与碳纤维相比，M5纤维不仅具有与其相似的力学性能，而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性，这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用，如电子行业由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景，这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究相信在不久的将来，随着对M5纤维研究的进一步深入，作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用
竹纤维的结构性能及其纺织品的生产工艺分析 摘要3-4Abstract4-7序言7-19 开发竹纤维产品的意义7-8 国内外的有关研究8-19第一章 竹纤维概况19-36 竹纤维自然生长与环保特性19 竹纤维的种类19-20 竹纤维的制造过程20-22 1 原生竹纤维20 2 竹浆纤维20-22 竹纤维的结构22-30 1 竹纤维的大分子结构22-26 2 超分子结构26-28 3 宏观形态结构28 4 微细结构28-30 竹纤维的化学成分30 竹纤维的基本性质30-36 1 具有较好的吸湿性、透气性30 2 天然抗菌性30-31 3 除臭作用31 4 防紫外线作用31-32 5 较好的染色均匀性32-33 6 不耐酸碱性33 7 较强的耐热性33 8 可生物降解性33 9 物理机械性能33-36第二章 竹纤维纺织品的开发与应用36-39 纯竹纤维产品36 交织、混纺产品36-38 1 竹纤维与真丝混纺36-37 2 棉、竹纤维混纺37 3 氨纶、竹纤维包芯纱产品37 4 竹纤维与多种纤维的混纺产品37-38 功能性产品38-39 1 远红外竹浆纤维38 2 负氧离子竹纤维38 3 芳香竹纤维38-39第三章 竹浆纤维纺纱工艺研究39-66 竹浆纤维纯纺特细特纱、细特纱的成纱工艺技术研究40-56 1 原料预处理40-41 2 纺纱工艺流程设计41 3 各工序纺纱定量的设定41 4 各工序工艺设计及技术措施41-56 竹浆纤维的混纺性能研究56-62 1 原料选择58 2 纺纱工艺流程58 3 各工序的工艺配置及技术措施58-62 竹/棉混纺氨纶包芯纱的纺制62-64 1 原料性能62-63 2 生产工艺分析63 3 纱疵控制63 4 成纱质量63-64 本章结论64-66第四章 竹浆纤维的织造工艺和产品开发66-72 服装面料的设计与开发66-69 1 色调与花型的设计66 2 纱支的选择66-67 3 密度和紧度的确定67 4 织物组织的设计67 5 织造主要工艺参数设计67-69 家纺产品面料的设计69-72 1 色调与花形的设计69 2 纱线的选择69 3 密度和紧度的确定69 4 织物组织的设计69 5 织造主要工艺参数设计69-72第五章 竹原纤维的纺纱工艺分析72-76 原料预处理72 车间温湿度72-73 工艺流程73 各工序主要工艺参数73-76 1 开清工序73 2 梳理工序73-74 3 并条工序74 4 粗纱工序74 5 细纱工序74-75 6 络筒工序
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目的应该放在熟悉科研过程和基本实验技能上。如果导师不给找题，如下： 1，与师兄师姐们或者身边有这方面经验的人商谈，听一听他们的想法，选一个和他们的实验方法相近的研究。优点在于：这样你将来实验有了问题，还有个人问，并且在他们的经验下，可以少走弯路和节省经费。我当初的硕士课题就是和我们那里的肿瘤研究所的好友商谈定下来的（与他们关联的题），一路非常顺利，那一步不会问好友就是了！ 2，尽可能选简单的实验方法，不光是为了省钱和时间，同一个题能用简单方法证明，为什么非得找什么高级方法，可能有人说：越是高级的方法越有水平！这是大错特错！！！我曾经看过98 年发表在 Science 上的一篇原著，作者就是用了一个 ELASA 法，但实验设计的非常完美，而且就150例病人数。至于说我，当初的硕士课题用的是免疫组织化学染色法，很简单！
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化纤行业自动化仪器仪表的发展与现状 1 概述 纺织工业是加工天然纤维和制造、加工化学纤维的工业。纺、织、印、染是对天然纤维进行加工的过程，其连续性较差，自动化水平低，是劳动力密集型的生产过程。化纤生产是制造纤维的生产过程，是一个多机台、长流程、连续性很强的生产过程，具有较高的自动化水平。 2 化纤自动化的发展与现状 从60年代初到70年代中期，在我国化纤生产过程中，主要是电动单元组合仪表和气动单元组合仪表混合使用，以工段为单位设置控制室，进行集中控制。从70年代后期开始，逐步以电动仪表为主，以车间或装置为单位进行集中控制，并在大型化纤项目中开始采用集散型控制系统（DCS）。到80年代后期才开始采用质量流量计、智能变送器和数字式显示调节仪表等，同时更多地采用了在线分析仪表。现在在新建的大、中型化纤项目中，基本上都采用了DCS。 在引进项目带动下，在化纤生产过程中所有采用的现场仪表和控制系统，从硬件来看基本上达到了世界先进水平。但还存在着两个主要问题： 1） DCS的应用水平较低，基本上是代替常规仪表的作用。 2） 在新建的大、中型化纤项目中，所采用的仪表有80%以上是进口的，所采用的DCS和PLC几乎全部是进口的。 因此，如何提高DCS的应用水平，以提高经济效益；在仪表选取型中，如何提高国产化率，降低投资，并促进我国自动化信笺遥发展，是急待解决的问题。 3 提高DCS应用水平的途径 在化纤生产过程中，普遍地采用了DCS，但其作用主要是进行简单的PID控制、串级控制、比值控制、参数或状态显示，专用光报警、远方操作和打印报表等，远没有充分发挥DCS应有的作用。今后可从下述几方面提高DCS应用水平。 1） 利用DCS较强的和开放的通信功能，使全厂DCS组成监控网络，并与以管理为主的信息网络一丐，形成一个管控一体化的综合信息网络，使之能在进行实时控制的同时，为优化高度、经营管理和领导决策提供依据，为实现企业综合自动化创造条件。 2） 利用DCS强大的运算功能进行软测量。在化纤生产过程中，有些关键的变时无法直接测量，如合成纤维生产中的酯化度、聚全度；粘胶纤维生产中的熟成度等到，都是中间产品质量的重要指标，是直接影响产品质量的，是生产过程中必须加以密切监视和严格控制的工艺参数。现在都是用化验的办法测定出来，很不及时，往往因此造成很多次品。对这些变量采用软测量技术，及时有效地测量出来，对提高产品质量具有重要意义，难点在于如何建立软测量模型。首先要结合生产实际，深入研究生产过程中的化学或物理机理，确定这些不可测变量与可测变量 的数学关系，或用实验统计回归法，建立起软测量模型，再由DCS根据有关可测变量实时地推算出所需要的不可测变量，并显示出来，使操作、监视既直观又方便，进而实现对这些变量的过程控制或优化管理。 3） 利用DCS强大的运算功能和控制功能进行先进控制和优化控制。化纤生产一般都是流程长、连续性强、控制要求严格的生产过程。产品质量都与物料的组成、设备内的温度、压力以及物料在设备内的停留时间有直接关系，停贸时间性又与液位及物料流量有关。在这种连续的生产过程中，如何使有关的可控变量按一定规律随有可控变量的变化及时地作出响应，以保证产品质量，稳定生产。这就要根据不同的生产特点选择有效的控制方案和先进的控制方法，诸如模糊控制、自适应控制、预估控制和最坐一化控制等，这些在石化行业已取得了较好的效果。有些在学术上很成熟的技术，在化橇生产中也没能得到很好地应用，这就要求自动化工作者，在深入研究工艺机理，吃透工艺的前提下，针对生产实际实施先进控制和优化控制，以取得较好的经济效益。 4 提高质量，增加品种，促进国产化 在大中型化纤厂中，大部分仪表是进口的。其主要原因是：国产仪表在质量上与进口仪表相比还有一定差距；品种还不能完全满足需求，尤其是一些专用仪表无人生产；市场管理不规范，存在着不平等竟争的因素等。 1 仪表的设计必须为用户着想 要具有高的可靠性，较好的环境适应性，要便于安装、维护和检修，例如磁翻柱液位计，在某厂罐区使用中，经常出南有一些磁柱不翻转，有的整条磁柱不动作。强果将整条磁柱用有机玻璃密封起来，将会在很大程度 上提高其可靠性和对环境的适应性。又如有的现场仪表无接线盒，而用航空插座或留一根短电缆，有的留两根短电线，给现场接线造成困难，现场仪表的过程连接规格很不统一，给安装造成不便。 2完善质量管理体系，提高产品质量 自动化仪表是高新技术产品，必须具有先进的制造工艺装备，严格的检测手段，必要的特种工技术、完善的生产管理体系，才能保证产品质量。目前国内仪表行业生产秩序较乱，有的地方一个城市有十几家，甚至几十家厂生产同一品种仪表。有的小厂生产条件很差，既没有先进的生产设备，更没有严格的管理措施，不注重产品质量。只注重销售。对这些小厂要进行整顿，条件太差的实生关、停；条件较好的实行联合，他工协作。国家要集中国量重点支持一批基础好的企业，改善生产条件，完善质量管理体系，提高产品质量。 3引进行我进技术，开发研制专用仪表 随着科学技术的飞速民展，各生业对自动化仪表的要求越来越高，所要求的专用仪表也越来越多。目前我国仪表的品种、规格还不能满足用户需求，尤其是各生业专用的特殊仪表，由于技术要求高、用量少，一般都不愿意开发研制。例如在纺织行业，用于粘胶纤维生产中的浆粥浓度仪、纤维湿度仪（测纤维含水率），凝固浴浓度仪、漂白液浓度仪、油剂浓度仪和空气中微量二硫化碳分析信等；用于合成纤维生产中的聚合物粘度仪、射线式液位计、隔膜式压力变送器、高速旋转的热辊辊温度检测仪、风送系统中的固体物料切换阀等；还有用于纺织过程中的毛丝检测仪、纺物疵点检测仪、染料浓度仪等。这些仪表在国内均很难找到合适的产品。其它行业也有类似的情况。期望仪表研制单位，能在吸收世界先进技术的基础上，密切结合实际进行开发研制，以满足各行业的需要。 4规范市场竟争机制，净化国内仪表市场 有些国产仪表尽管在技术上、产品质量上都已和进口仪表相当，价格比进口仪表便宜，而且服务质量远在进口仪表之上，但由于个别外商或代理商采取一些不正当的推销手段，使一些用户不异损害国家利益，而仍然花大量外汇购买进口仪表。因此要进一步完善招标机制，净化不平等竟争环境，鼓励采用国产仪表，用先进的国较仪表，装备我国自动化生产线。 5 对化纤自动化发展的几点建议 随着化纤自动化的飞速发展，对自控提出了更高的要求，现场仪表逐步向数字化、智能化方向了展，DCS逐步向现场总线控制系统发展，单一的实施控制逐步向管控一体的综合自动化发展。根据我国化橇自动化的发展情况，当前要注意下述几点： 1） 首先要用好现有DCS，在消化吸收杨进先进技术的基础上，推广应用较成熟的先进控制技术，并结合实际组织开发、研制优化控制软。 2） 近来国内研制的DCS，其功能，或靠性和开放性已与国外的DCS大体相当，其价格仅相当于进口DCS的三分之二，在国办已逐步得到推广应用。如北京和利时公司的HS2000和浙江威盛自动化公司的FB2000等均已售出近百套。我们应先在中型化纤项目中采用，以节约外汇降低投资。 3） 在纺织和后加工的生产过程中，根据其离散点多、顺序性强的工艺特点，应主要采用PLC。 4） 在空调、罐区和公用工程（包括空压、空分、冷冻、热力、废处理等）和一些中小型项目的自控设计中、应广泛采用工业PC机。这是实现低成本自动化的有效措施。都市 5） 要密切注视现场总线的发展动向。现场总线是当前自动化领域技术发展的热点，据估计到2000年将会形成完整的现场总线控制系统。我们必须及时了解国内外现场总路线的发展动向和使用情况，以适应自动化技术迅速发展的需要。
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高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。 【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材 料， 它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。 所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分 子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高性能纤维可用于防弹服、 蹦床布等特种织物的加 工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、 超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能 纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类 无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。 有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维 碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初， 由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、 粘胶纤 维或沥青纤维经预氧化、 炭化和石墨化加工而成。 碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度 大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 2GPa，断 裂伸长率为 5%。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维 高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现， 具有超高分子量， 高取向度， 且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征， 其密度具有 97g/cm ， 是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。 除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通 纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。 图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子， 在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状 液晶;(d)为向列型液晶 芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯 二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯 二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较 均衡，具有高强伸性能， 高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化 学性能。 图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图 聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化 学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高 取向度， 决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 5N/tex 以上的强度 和 84N/tex 以上弹性模量， 经热处理后可得到强度不变、 模量达 4N/tex 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温 度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。 表 1 PBO 纤维的性能 性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 54 56 抗拉强度(GPa) 8 8 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 5 5 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较 性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维 密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 56 24 8 280 5 45 12 2 115 0 80 6 58 230 5 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂 环聚合物:聚[2，5-二烃基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在 基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分 子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。 图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。 图 4 M5 晶体结构 比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个 蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩 和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较 碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转 移到相邻层面， 这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。 但这些共价键为 纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应 变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。 有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚 乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱 的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘 合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用 力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复 合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。 芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大 分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺 纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形， 薄片相对容易断开， 在严 重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。 分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢 在 键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉 伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 7GPa。此外 M5 而大分子链上含有羟 基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特 殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合 材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复 合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分 别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显 差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解 温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在 阻燃性方面也优于芳纶。 图 5 碳纤维复合材料测试条的失败 图 6 M5 纤维料测试条的失败 表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。 表 1 高性能纤维的力学和物理特性 特性 高 强 度 超高强聚 高 模 量 芳 香 族 高 模 量 高模量 M5 纤 碳纤维 乙烯纤维 聚酰胺纤维 PBO 纤维 维（实验值） 抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 58 5 230 10 90 80 0 一 43 0 0 一 一 97 一 一 2 0 115 58 50 45 5 29 8 5 280 40 15 56 6 68 0 5 330 70 50 70 0 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的 高性能纤维。 3 应用与前景 目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低 温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳 香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料 的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良 特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜 和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏 蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有 防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防 服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。 与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤 其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用 前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞 争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和 拓展。 高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步， 随着 世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的 迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物，聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)简述了M5纤维的制作方法，M5纤维特殊的分子结构特征，并通过与其它高性能纤维的比较，阐述了M5纤维优良的性能，特别是其良好的压缩与剪切特性除此之外，M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接，这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好文中还展望了M5纤维的应用前景前言近年来，随着对有机高性能纤维的不断深入研究，在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展但大多数高性能纤维，因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足，如PBO纤维大分子链间较弱的结合力，使其压缩和扭曲性能较差纤维材料的压缩性能，主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1，2]通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度因此，如何增强大分子链之间的相互作用，已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题作为Akzo-Nobel实验室的研究成果，一种新型的高性能纤维，即著称的M5已经被研究出来聚合物是聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)[3]由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构，所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能，而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能1高性能纤维M1 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中，其关键步骤是单体2，3，5，6-四氨基吡啶(2，3，5，6-tertraaminopyridine，TAP))的合成TAP可由2，6-二氨基吡啶(2，6diaminopyridine，DAP)经硝化还原后制成，反应方程式如下所示:在M5的合成过程中，TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应，不但可以避免盐酸腐蚀作用，还可以加快聚合反应速度，但却易发生氧化作用另一单体2，5-二羟基对苯二甲酸(2，5-Dihydroxyterephthalicacid，DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节，可由2，5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2，5-dihydroxy-1，4-dimethylterephthalate，DDTA)水解后制得，反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole)，PBO)相似，可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)中，脱除HCI后逐渐升温至180℃，反应24h，得到M5聚合物，反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构1 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团，容易在分子间和分子内形成强烈的氢键因此，其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5]图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5]图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构，即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构，这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图2 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示，为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水，因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容，而且具有良好的耐燃性能表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16，19]如图4所示，为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16]从图4可以看出，PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出，变成无水聚合物晶体，从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构有实验表明，经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现，因PIPD试样的处理温度不同，在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示)单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a=49 ，b=48 ，c=01 ，=90°，=107°，=90°三斜结晶:a=68 ，b=48 ，c=02 ，=84，=110°，=107°Takahashi等[20，21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a=33 ，b=462 ，c=16 ，=84°，=4°，空间结构为P21/，单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于，三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的，而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构，显然这种二维氢键网络结构，使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度，剪切模量和压缩强度图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影 图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9，16]1 M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为0×104~5×105)进行干喷湿纺，空气层的高度为5-15cm，纺丝温度为180℃，以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂，可制成PIPD的初生纤维其中，实验用喷丝孔直径范围为65-200 m，喷头拉伸比取决于喷丝空的直径，可达70倍，所得纤维直径为8-14 所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗，以除去附着在纤维表面的溶剂PPA，并进行干燥图7 M5纤维的热处理示意图2 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量，对初生纤维在一定的预张力下进行热处理，如图7所示在这一过程中，M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构，从而提高纤维的综合性能M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后，在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理，最终可得到高强度，高模量的M5纤维在此需要特别指出的是，如果热处理温度过低或处理时间过短，则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的因此，热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大4 M5纤维的性能1 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示，热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较，二者的力学性能截然不同，PIPD-AS纤维存在屈服，而PIPD-HT纤维不存在这种现象Lammwers M[18]等研究发现，经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到7Gpa，而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到1G显然对于PIPD的初生纤维来讲，并非热处理温度越高越好通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹，这可能是导致压缩强度下降的原因，因此，热处理温度不宜太高表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据，其中的力学性能包括拉伸强度，断裂伸长，模量以及抗压缩强度等与其它3种纤维相比，M5的抗断裂强度稍低于PBO，远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维，其断后延伸率为4%;与其它高性能纤维相比，M5纤维的模量是最高的，达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维，但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维，这归因于M5的二维分子结构[17]表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/(-3)回潮率/%Twaron-HM5C-HS0PBO6M0纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构，使其除具有高强和高模外，还具有良好的压缩与剪切特性，剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和6GPa，优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维，在目前所有聚合物纤维中最高图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲，当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时，其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变，即沿着纤维轴向出现变形带结构而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11]如图9所示，当M5纤维受到外界的轴向压缩力时，压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构，但与其它高性能纤维(如PBO)相比较，M5纤维的变形程度要小很多2 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)PIPD-AS76061PIPD-HT89062PBO-HM17072T09811N08724PVC05515注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的，也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值纤维试样放在一块1cm2的线网上试样原始重量在3g-5g之间从表2可以看出，PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为7kWm-2，也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量，与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s，远高于Nomex纤维SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量，PIPD-AS纤维达到了224m3/kg，而Nomex纤维为38670m3/kg，二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维，说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维同表2中的其它高聚物相比，PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为76sm2kW-从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面，要好于其它高性能纤维，即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性从表2中可以看出，PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值，但它在燃烧过程中更不容易产生烟M5在空气中的热分解温度为530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与PBO纤维接近M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50，不熔融，不燃烧，具有良好的耐热性和稳定性[7]3 界面粘合性能与PBO，聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比，由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接采用M5纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特殊的粘合促进剂M5纤维在与各种环氧树脂，不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中，不会出现界面层，且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6，8]4 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为MGNoRTHoLIT[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内，以2℃/min的速度，在30℃-200℃范围内得到一张扫描图，如图5所示从DSC谱图可以看出，四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关从表3可以看出，含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别，而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料，M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性，这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍，赛艇等M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能，使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力与碳纤维相比，M5纤维不仅具有与其相似的力学性能，而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性，这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用，如电子行业由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景，这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究相信在不久的将来，随着对M5纤维研究的进一步深入，作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用
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高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。 【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材 料， 它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。 所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分 子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高性能纤维可用于防弹服、 蹦床布等特种织物的加 工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、 超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能 纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类 无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。 有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维 碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初， 由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、 粘胶纤 维或沥青纤维经预氧化、 炭化和石墨化加工而成。 碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度 大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 2GPa，断 裂伸长率为 5%。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维 高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现， 具有超高分子量， 高取向度， 且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征， 其密度具有 97g/cm ， 是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。 除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通 纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。 图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子， 在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状 液晶;(d)为向列型液晶 芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯 二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯 二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较 均衡，具有高强伸性能， 高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化 学性能。 图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图 聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化 学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高 取向度， 决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 5N/tex 以上的强度 和 84N/tex 以上弹性模量， 经热处理后可得到强度不变、 模量达 4N/tex 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温 度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。 表 1 PBO 纤维的性能 性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 54 56 抗拉强度(GPa) 8 8 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 5 5 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较 性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维 密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 56 24 8 280 5 45 12 2 115 0 80 6 58 230 5 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂 环聚合物:聚[2，5-二烃基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在 基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分 子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。 图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。 图 4 M5 晶体结构 比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个 蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩 和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较 碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转 移到相邻层面， 这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。 但这些共价键为 纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应 变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。 有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚 乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱 的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘 合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用 力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复 合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。 芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大 分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺 纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形， 薄片相对容易断开， 在严 重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。 分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢 在 键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉 伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 7GPa。此外 M5 而大分子链上含有羟 基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特 殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合 材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复 合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分 别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显 差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解 温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在 阻燃性方面也优于芳纶。 图 5 碳纤维复合材料测试条的失败 图 6 M5 纤维料测试条的失败 表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。 表 1 高性能纤维的力学和物理特性 特性 高 强 度 超高强聚 高 模 量 芳 香 族 高 模 量 高模量 M5 纤 碳纤维 乙烯纤维 聚酰胺纤维 PBO 纤维 维（实验值） 抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 58 5 230 10 90 80 0 一 43 0 0 一 一 97 一 一 2 0 115 58 50 45 5 29 8 5 280 40 15 56 6 68 0 5 330 70 50 70 0 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的 高性能纤维。 3 应用与前景 目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低 温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳 香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料 的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良 特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜 和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏 蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有 防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防 服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。 与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤 其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用 前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞 争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和 拓展。 高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步， 随着 世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的 迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物，聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)简述了M5纤维的制作方法，M5纤维特殊的分子结构特征，并通过与其它高性能纤维的比较，阐述了M5纤维优良的性能，特别是其良好的压缩与剪切特性除此之外，M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接，这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好文中还展望了M5纤维的应用前景前言近年来，随着对有机高性能纤维的不断深入研究，在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展但大多数高性能纤维，因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足，如PBO纤维大分子链间较弱的结合力，使其压缩和扭曲性能较差纤维材料的压缩性能，主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1，2]通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度因此，如何增强大分子链之间的相互作用，已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题作为Akzo-Nobel实验室的研究成果，一种新型的高性能纤维，即著称的M5已经被研究出来聚合物是聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)[3]由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构，所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能，而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能1高性能纤维M1 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中，其关键步骤是单体2，3，5，6-四氨基吡啶(2，3，5，6-tertraaminopyridine，TAP))的合成TAP可由2，6-二氨基吡啶(2，6diaminopyridine，DAP)经硝化还原后制成，反应方程式如下所示:在M5的合成过程中，TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应，不但可以避免盐酸腐蚀作用，还可以加快聚合反应速度，但却易发生氧化作用另一单体2，5-二羟基对苯二甲酸(2，5-Dihydroxyterephthalicacid，DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节，可由2，5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2，5-dihydroxy-1，4-dimethylterephthalate，DDTA)水解后制得，反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole)，PBO)相似，可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)中，脱除HCI后逐渐升温至180℃，反应24h，得到M5聚合物，反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构1 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团，容易在分子间和分子内形成强烈的氢键因此，其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5]图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5]图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构，即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构，这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图2 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示，为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水，因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容，而且具有良好的耐燃性能表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16，19]如图4所示，为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16]从图4可以看出，PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出，变成无水聚合物晶体，从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构有实验表明，经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现，因PIPD试样的处理温度不同，在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示)单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a=49 ，b=48 ，c=01 ，=90°，=107°，=90°三斜结晶:a=68 ，b=48 ，c=02 ，=84，=110°，=107°Takahashi等[20，21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a=33 ，b=462 ，c=16 ，=84°，=4°，空间结构为P21/，单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于，三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的，而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构，显然这种二维氢键网络结构，使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度，剪切模量和压缩强度图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影 图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9，16]1 M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为0×104~5×105)进行干喷湿纺，空气层的高度为5-15cm，纺丝温度为180℃，以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂，可制成PIPD的初生纤维其中，实验用喷丝孔直径范围为65-200 m，喷头拉伸比取决于喷丝空的直径，可达70倍，所得纤维直径为8-14 所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗，以除去附着在纤维表面的溶剂PPA，并进行干燥图7 M5纤维的热处理示意图2 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量，对初生纤维在一定的预张力下进行热处理，如图7所示在这一过程中，M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构，从而提高纤维的综合性能M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后，在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理，最终可得到高强度，高模量的M5纤维在此需要特别指出的是，如果热处理温度过低或处理时间过短，则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的因此，热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大4 M5纤维的性能1 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示，热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较，二者的力学性能截然不同，PIPD-AS纤维存在屈服，而PIPD-HT纤维不存在这种现象Lammwers M[18]等研究发现，经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到7Gpa，而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到1G显然对于PIPD的初生纤维来讲，并非热处理温度越高越好通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹，这可能是导致压缩强度下降的原因，因此，热处理温度不宜太高表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据，其中的力学性能包括拉伸强度，断裂伸长，模量以及抗压缩强度等与其它3种纤维相比，M5的抗断裂强度稍低于PBO，远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维，其断后延伸率为4%;与其它高性能纤维相比，M5纤维的模量是最高的，达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维，但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维，这归因于M5的二维分子结构[17]表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/(-3)回潮率/%Twaron-HM5C-HS0PBO6M0纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构，使其除具有高强和高模外，还具有良好的压缩与剪切特性，剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和6GPa，优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维，在目前所有聚合物纤维中最高图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲，当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时，其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变，即沿着纤维轴向出现变形带结构而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11]如图9所示，当M5纤维受到外界的轴向压缩力时，压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构，但与其它高性能纤维(如PBO)相比较，M5纤维的变形程度要小很多2 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)PIPD-AS76061PIPD-HT89062PBO-HM17072T09811N08724PVC05515注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的，也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值纤维试样放在一块1cm2的线网上试样原始重量在3g-5g之间从表2可以看出，PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为7kWm-2，也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量，与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s，远高于Nomex纤维SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量，PIPD-AS纤维达到了224m3/kg，而Nomex纤维为38670m3/kg，二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维，说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维同表2中的其它高聚物相比，PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为76sm2kW-从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面，要好于其它高性能纤维，即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性从表2中可以看出，PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值，但它在燃烧过程中更不容易产生烟M5在空气中的热分解温度为530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与PBO纤维接近M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50，不熔融，不燃烧，具有良好的耐热性和稳定性[7]3 界面粘合性能与PBO，聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比，由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接采用M5纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特殊的粘合促进剂M5纤维在与各种环氧树脂，不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中，不会出现界面层，且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6，8]4 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为MGNoRTHoLIT[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内，以2℃/min的速度，在30℃-200℃范围内得到一张扫描图，如图5所示从DSC谱图可以看出，四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关从表3可以看出，含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别，而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料，M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性，这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍，赛艇等M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能，使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力与碳纤维相比，M5纤维不仅具有与其相似的力学性能，而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性，这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用，如电子行业由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景，这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究相信在不久的将来，随着对M5纤维研究的进一步深入，作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用
选什么不好说 不要选流变学。 那玩意我觉得比较不好弄。
竹纤维的结构性能及其纺织品的生产工艺分析 摘要3-4Abstract4-7序言7-19 开发竹纤维产品的意义7-8 国内外的有关研究8-19第一章 竹纤维概况19-36 竹纤维自然生长与环保特性19 竹纤维的种类19-20 竹纤维的制造过程20-22 1 原生竹纤维20 2 竹浆纤维20-22 竹纤维的结构22-30 1 竹纤维的大分子结构22-26 2 超分子结构26-28 3 宏观形态结构28 4 微细结构28-30 竹纤维的化学成分30 竹纤维的基本性质30-36 1 具有较好的吸湿性、透气性30 2 天然抗菌性30-31 3 除臭作用31 4 防紫外线作用31-32 5 较好的染色均匀性32-33 6 不耐酸碱性33 7 较强的耐热性33 8 可生物降解性33 9 物理机械性能33-36第二章 竹纤维纺织品的开发与应用36-39 纯竹纤维产品36 交织、混纺产品36-38 1 竹纤维与真丝混纺36-37 2 棉、竹纤维混纺37 3 氨纶、竹纤维包芯纱产品37 4 竹纤维与多种纤维的混纺产品37-38 功能性产品38-39 1 远红外竹浆纤维38 2 负氧离子竹纤维38 3 芳香竹纤维38-39第三章 竹浆纤维纺纱工艺研究39-66 竹浆纤维纯纺特细特纱、细特纱的成纱工艺技术研究40-56 1 原料预处理40-41 2 纺纱工艺流程设计41 3 各工序纺纱定量的设定41 4 各工序工艺设计及技术措施41-56 竹浆纤维的混纺性能研究56-62 1 原料选择58 2 纺纱工艺流程58 3 各工序的工艺配置及技术措施58-62 竹/棉混纺氨纶包芯纱的纺制62-64 1 原料性能62-63 2 生产工艺分析63 3 纱疵控制63 4 成纱质量63-64 本章结论64-66第四章 竹浆纤维的织造工艺和产品开发66-72 服装面料的设计与开发66-69 1 色调与花型的设计66 2 纱支的选择66-67 3 密度和紧度的确定67 4 织物组织的设计67 5 织造主要工艺参数设计67-69 家纺产品面料的设计69-72 1 色调与花形的设计69 2 纱线的选择69 3 密度和紧度的确定69 4 织物组织的设计69 5 织造主要工艺参数设计69-72第五章 竹原纤维的纺纱工艺分析72-76 原料预处理72 车间温湿度72-73 工艺流程73 各工序主要工艺参数73-76 1 开清工序73 2 梳理工序73-74 3 并条工序74 4 粗纱工序74 5 细纱工序74-75 6 络筒工序
纤维材料论文选题方向是什么意思
课题研究方向一般是指学生在校期间，或者相关科研工作者在申报撰写论文过程中需要明确的研究方向。课题研究方向应在所研究课题历史基础上提出自己独特或者有所创新的研究方向以丰富学科知识体系。论文题目由教师指定或由学生提出，经教师同意确定。均应是本专业学科发展或实践中提出的理论问题和实际问题。通过这一环节，应使学生受到有关科学研究选题，查阅、评述文献，制订研究方案，设计进行科学实验或社会调查，处理数据或整理调查结果，对结果进行分析、论证并得出结论，撰写论文等项初步训练。扩展资料：注意事项1、研究课题的基础工作——搜集资料。考生可以从查阅图书馆、资料室的资料，做实地调查研究、实验与观察等三个方面来搜集资料。搜集资料越具体、细致越好，最好把想要搜集资料的文献目录、详细计划都列出来。2、研究课题的重点工作——研究资料。考生要对所搜集到手的资料进行全面浏览，并对不同资料采用不同的阅读方法，如阅读、选读、研读。3、研究课题的核心工作――明确论点和选定材料。在研究资料的基础上，考生提出自己的观点和见解，根据选题，确立基本论点和分论点。参考资料来源：百度百科-毕业论文
做毕业论文主要在于这个过程，经过几个月的学习文献、动手实验、撰写报告让你认识到自己能够坚持做一件事，最终结果不重要，建议选择做实验写论文的的那种，纯论文没意思
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