高強高模有機纖維的概述與展望

汪 亮，董 晶，趙春會，張 彤，楊 靜

（1.成都海蓉特種紡織品有限公司，四川成都 610000；2.四川省紡織科學研究院，四川成都 610000）

有機纖維是指纖維基材或材質為有機物的纖維，用于軍事的有機纖維主要包括滌綸、腈綸、錦綸、丙綸，高性能有機纖維芳綸、UHMWPE纖維、PBI纖維、PI纖維、PBO纖維及M5纖維等[1]。用于航空航天、軍事用途的高性能纖維必須具備質量輕、高強高模、耐高溫、耐摩擦等特殊物理指標[2-5]；研究發現，如果戰略導彈的固體火箭發動機質量減輕1 kg，射程可增加16 km[6-8]；航空航天、軍事等特殊用途也決定了紡織材料必須具有極高的物理指標及耐高溫等性能[3,9]。高性能纖維的發展與創新有助于推進我國國防軍事的進一步穩固發展。本研究從高性能軍用有機纖維的名稱、主要產品以及國內外主要生產現狀著手，概述了幾種軍用高性能有機纖維的研究和生產現狀，對主要軍用高強高模有機纖維的物理力學性能、優缺點及應用領域進行了比對分析，為軍用高性能有機纖維的研究和選擇提供依據。

1 高性能有機纖維概述

1.1 芳綸纖維

芳綸纖維與碳纖維、UHMWPE 纖維并稱為世界三大高性能纖維[10-11]。芳綸纖維具有耐高溫、質量輕、高強高模、使用壽命長等特性，綜合性能指標及穩定性均與軍需裝備極為配套，尤以芳綸1414（PPTA）需求最多[3,12-14]。芳綸纖維主要用于防彈衣、防彈頭盔、坦克裝甲等特種防護裝備以及其他軍需結構材料等[15]。目前，國內的芳綸1313（PMIA）供給充足，而芳綸1414的供給存在不足，尤其高品質的芳綸1414仍需進口。由航天科工六院46所研發的F-12高強度芳綸纖維屬于含雜環芳香族聚酰胺纖維，多項性能明顯優于國產芳Ⅲ纖維，屬于非常重要的戰略物資[16-17]；2011年在內蒙古正式投入生產，年產50 t。

1.2 UHMWPE纖維

UHMWPE 纖維密度低（可浮于水面）、耐磨耐彎曲性能好、張力疲勞性和耐剪切性能在三大高性能纖維中最強，廣泛應用于防彈切割手套、繩纜制品、飛機翼尖材料等防護裝備、航空航天及軍事領域[18-20]。其中，成都海蓉特種紡織品有限公司生產的聚乙烯絲繩性能極為優良，廣泛應用于各個特種行業。經過不斷研究改進，UHMWPE纖維的綜合性能越來越好，但仍存在界面結合力差、蠕變性高等問題。研究人員正在通過等離子體處理、輻射等手段進行表面改性，以期能夠解決或改善這些問題[19,21-22]。UHMWPE 纖維存在全球性的供給不足現象，具有巨大的應用空間和市場。目前，國內UHMWPE 纖維的生產技術、產品已達到國際先進水平，同樣存在產能不足、價格昂貴、供給困難的問題。

1.3 PBI纖維

PBI纖維全稱為聚-2,2'-間苯撐-5,5'-雙苯并咪唑纖維，中文全稱聚對苯并咪唑纖維，簡稱托基綸[23]。PBI 纖維的大分子主鏈上含有苯并咪唑撐，這使得PBI 纖維具備阻燃、耐高溫、耐化學腐蝕等諸多優異特性[24]。PBI纖維燃燒時不發生熔融，無毒無煙，基本不產生收縮變形，離火后立即熄滅。同時，PBI纖維還具有耐酸堿、耐水解、吸濕率高（15%）、易紡織加工、穿著舒適等特性，可用于宇航防護服、飛機及潛艇的阻燃內飾材料，以及其他特種防護服或濾材[25-27]。PBI纖維性能優異，但價格過于昂貴，急需降低生產成本，進行大批量的工業化生產。

1.4 PI纖維

PI纖維即聚酰亞胺纖維，是指主鏈上含有酰亞胺環結構的一類聚合纖維。聚酰亞胺纖維具有較高的表面積，過濾效果好且粉塵大多集中于纖維的表面，所以，過濾過程中運行阻力非常小[28-29]；而且，PI 纖維具有耐氧化、耐熱、低吸水性以及介電特性。聚酰亞胺纖維與杜邦Nomex?纖維同屬于高溫濾材，但其使用溫度范圍更廣、工作溫度更高（PI 纖維使用溫度250～350 ℃，Nomex?纖維使用溫度204～240 ℃）。與此同時，PI 纖維具有優良的耐酸堿性能，可用于酸堿含量較大的高溫煙氣過濾，這些都是Nomex?纖維不能相比的[2,30-31]。目前，在高溫煙氣濾材及阻燃防護品領域，PI纖維成為最佳選擇[32-33]。

1.5 PBO纖維

PBO纖維全稱為聚對苯撐苯并二口惡唑纖維，被譽為21世紀的超級纖維。PBO纖維主要是由苯環及芳雜環高分子高度聚合形成的纖維聚合物，分子結構呈剛棒狀，取向度呈現高度的一致性[34-36]；同時，PBO 纖維屬于溶致性液晶高分子，紡紗工藝屬于液晶紡絲，分子鏈間的緊密程度[35,37-38]，因此，PBO纖維具有較為優異的力學性能。PBO纖維的密度遠低于碳纖維，而力學性能卻遠高于芳綸纖維，是新一代的質輕高強纖維之一；直徑為1 mm的PBO 細絲就能夠吊起450 kg 的貨物，強度是鋼絲纖維的十倍以上[39-40]。同時，PBO纖維沒有熔點，具有較高的耐熱性能，耐熱溫度為600 ℃，可在 300 ℃下連續工作[41]。但由于 PBO 纖維分子間的作用力比較薄弱，纖維表面缺少極性基團，因此，抗壓縮強度低，與樹脂之間的黏合力較差，限制了其應用，但目前已通過等離子體處理[42]、紫外及輻射處理[43]、偶聯劑處理、共聚及表面化學改性等方法得到了有效解決[44]。2016年，深圳市新綸科技股份有限公司投資30億元建立新綸科技高性能纖維（PBO）項目，成為全球第二家PBO纖維生產企業，打破了日本東洋紡的壟斷。

1.6 M5纖維

聚苯撐吡啶并二咪唑纖維（PIPD）的商品名為M5。M5纖維同PBO纖維一樣，通過液晶紡絲技術紡制，屬于剛性棒狀高性能纖維，但M5纖維具有較高的抗壓強度和抗壓模量，更適用于宇航材料、武器裝備、防彈器材等航空、軍事領域[45-48]。同時，M5 纖維表面具有一定的極性基因，便于與各種樹脂（環氧樹脂、不飽和聚酯和乙烯基樹脂等）基材粘接制備高性能復合材料[48]。M5纖維與碳纖維相似，都具有相對較高的經向模量、較低的緯向模量和較高的抗剪切性能[49-51]。M5 纖維的各項性能優良，符合軍需配套材料的物化指標要求，是非常重要的戰略物資[52-57]。但M5纖維在國內仍處于實驗室研發、試制階段，未達到產業化生產的技術指標。

1.7 國內外生產現狀

常見的幾種軍用高性能有機纖維的名稱、主要商品及廠家信息見表1。由表1可知，除了M5纖維國內目前無生產企業外，其他高性能纖維國內均已有生產企業。這意味著除了M5 纖維，其他高性能纖維均已打破國外的壟斷地位。其中，江蘇奧神新材料股份有限公司與東華大學共同研發的PI 纖維干法紡絲技術處于全球領先地位，已于2011年正式投資生產。與此同時，深圳市新綸科技股份有限公司成為繼東洋紡公司之后全球第二家PBO 纖維生產企業，也于2016年正式投資生產。

表1 軍用高性能有機纖維概述

2 物理力學性能對比

常見的幾種軍用高性能有機纖維的主要性能對比見表2。由表2可知，新種類的高性能纖維及高強型高性能纖維的出現，打破了以往的既定分類和認知，即：斷裂伸長率最低，拉伸強度和拉伸模量最高的不是PBO 纖維，而是M5 纖維。而斷裂伸長率最高，拉伸強度和模量最低的則為PBI纖維。質量最輕的當屬UHMWPE 纖維，而高模M5 纖維的密度和質量相對比較高。UHMWPE 纖維屬于基本不回潮纖維，芳綸纖維回潮率相比其他纖維明顯較高。相比而言，UHMWPE 纖維的極限氧指數和熱分解溫度最低、耐熱穩定性最差。而PBO纖維的極限氧指數高達68%，展現出了極佳的阻燃性能。

表2 有機纖維的主要性能指標對比情況

3 優缺點及應用領域

常見的幾種軍用高性能有機纖維的優缺點及應用領域見表3。表3所示的每一種纖維都有其優缺點，而這些優缺點只是針對這些纖維用于航空、軍事用途時而言，如果用于民用紡織品也許截然不同。就纖維在航空軍事應用領域的廣度、用量以及應用前景而言，M5 纖維最值得期待，其次是UHMWPE纖維、PBO 纖維，而芳綸纖維、PBI 纖維、PI 纖維緊隨其后。

表3 有機纖維的優缺點及應用領域

4 結束語

（1）最值得期待的高強高模高性能纖維就是M5。但與國外發達國家相比，國內M5纖維發展存在明顯的滯后，仍停留在實驗室研發、試制階段。為盡快滿足國防、航空、軍事裝備的需求，相關部門及院校應積極與相關企業做好對接，及時跟進M5 纖維的研發、生產，助力我國國防軍事的發展。

（2）就生產現狀而言，我們必須積極嘗試、運用國產新型PBO 纖維，讓PBO 纖維盡快發揮其不可替代的作用。取長補短，按需選材，熟知每一種高性能纖維的特性，將芳綸纖維、UHMWPE 纖維、PI 纖維、PBI纖維的性能應用到極致。

（3）國防軍事裝備的發展離不開高性能材料，當然也包括高性能紡織材料。軍需協作單位應把握國防軍事裝備的需要，掌握最新紡織材料的動態，努力為國防軍事的發展提供優質的紡織材料及紡織品。