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安全防护用特种纤维及应用

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发表于 2018-10-17 20:53:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
安全防护用特种纤维及应用

东华大学材料学院  张清华 周士绪 李梦洁 巴兆虎 徐国芬

全球有数百万人在特殊危险环境下工作,安全防护用纺织品显得尤为重要,世界各国都在人体防护装备领域不断改进提高。设计高性能的防护材料,关键之一是确定最佳的防护材料,主要是各类特种纤维。国内外的工业化的特种纤维有很多,按防护功能分类,可分为耐高温阻燃纤维、耐辐照防静电纤维、防弹耐切割纤维、以及电磁屏蔽纤维等品种。

1. 耐高温阻燃纤维及纺织品
耐高温阻燃纤维及织物通常是指在较长时间经受高温(>200℃)尚能保持其原有的物理机械性能,且在空气中难燃烧的一类高性能纤维及织物,通常在高温下不熔融、离火自熄、高温尺寸稳定性好,常用作消防工作服、电焊工作服、防火手套、防火帘等防护制品。

耐高温阻燃纤维可分为:
(1 )芳香族聚酰胺纤维:芳纶1313( P MI A) 、芳纶1414( PPTA) ;
(2 )芳香族杂环类纤维:聚苯并咪唑纤维(PBI)、聚对苯撑苯并双噁唑纤维(PBO)、聚酰亚胺纤维(PI);
(3)芳环杂原子类纤维:聚苯硫醚纤维(PPS)、聚砜基酰胺纤维(PSA) ;
(4)其他纤维:聚四氟乙烯纤维(PTFE)、蜜胺纤维(MF)等。

极限氧指数(LOI) 可用来表示纤维的阻燃性能, 指纤维在氧- 氮混合气体中维持燃烧所需的最低氧含量的体积分数。极限氧指数越大,说明纤维越难燃。表1 列举了几种耐高温阻燃纤维的LOI 值和工作温度上限。

表1   几种有机耐高温阻燃纤维的LOl 值和耐热特性
纤维种类 PMIA PPTA PBO PBI PI PTFE PPSPSA MF
LOI 值(%) 32 30 68 41 38 95 40 33 32
工作温度(℃ ) 230 190 350 250 280 260 260 200 200

间位芳纶是本征阻燃纤维的典型代表,在受火时其织物固化、熔融、成炭从而形成保护层,且燃烧时生烟量小,在安全防护、环保过滤等领域得到了广泛的应用。间位芳纶最早由美国杜邦公司研制成功并实现产业化,商品名为Nomex,随后日本帝人公司在1972 年也开始生产商品名为Conex 的间位芳纶,本世纪初我国实现间位芳纶规模化生产,主要有烟台泰和新材料股份有限公司等公司。

聚酰亚胺纤维是一种新型的耐高温阻燃纤维,是已经工业化的聚合物中耐热性最好的品种之一,自身具有较高的阻燃性能,属于自熄性材料(表2)。聚酰亚胺纤维织物损毁长度是主流消防服面料的1/5。聚酰亚胺织物高温碳化,发烟率低,烟密度是ABD0031 空客标准的1/200。

表2   聚酰亚胺织物的阻燃特性
阻燃性能 (25 次洗涤)    PI 面料    芳纶面料    50%PI +50% 阻燃粘胶     50% 芳纶 +50% 阻燃粘胶
经向损毁长度(mm)    10    46   12   60
纬向损毁长度(mm)   8    48    13    57
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 楼主| 发表于 2018-10-17 20:57:27 | 显示全部楼层
2.耐辐照与防电弧纤维及纺织品
耐辐照纤维是指受高能辐照后不发生降解或交联并能保持一定力学性能的一类高性能纤维。耐辐照性能较好的聚合物纤维主要是聚酰亚胺纤维和芳纶等。电弧则是当金属或者其他导体靠近高压线,距离达到放电距离会产生瞬间弧光,这种弧光主要含紫外线,会产生弧光辐射。聚酰亚胺由于分子主链含有芳杂环结构,赋予其优异的力学、热学、耐辐照、介电及化学稳定性等性能。聚酰亚胺纤维经过1 × 108 Gy 快电子辐照后,其强度保持率为90 %,具有良好的耐辐射性能,是最耐辐照和防电弧的结构材料之一,作为高温介质及放射性物质的过滤材料和防弹、防火织物等领域大有用武之地。


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 楼主| 发表于 2018-10-17 20:58:35 | 显示全部楼层
3.防弹与耐切割纤维及纺织品
防弹纺织品通过吸收和耗散弹丸动能来达到保护人体或目标的目的,如防弹服、防弹头盔以及防暴车内衬等产品。防弹服通常由高性能纤维编织,目前广泛采用的是对位芳纶和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。除了防弹领域,耐切割纺织品也是这两种高性能纤维的主要应用领域。

对位芳纶具有高强高模、优异的抗冲击性、良好的耐热性和抗腐蚀性,成为防弹和耐切割纺织品的主要纤维材料之一。日本帝人(Teijin)公司开发了用作装甲车内防金属弹片飞散的防弹织物“Twaron T765”,如图1 所示,左半图是为配备防弹衬里的穿甲弹射入情况,右半图是含Twaron T765 织物情况。如今国内已建成数套千吨级规模的生产装置并实现产业化,相关产品已逐渐投放市场。

防金属弹片飞射示意图.png
防金属弹片飞射示意图

UHMWPE 纤维具有高强高模特性,且密度小,比强度仅次于碳纤维,断裂伸长率达3.6%,这使其具有较强的耐冲击性和能量吸收能力,是良好的防弹耐切割纤维。荷兰DSM 公司利用该纤维耐磨、耐切割性能较好等特点,开发了防切割手套。美国Honeywell 公司发明了一种防弹背心,防护夹层是Spectra 制成的非织造布与Kevlar 制成的一种机织物的结合物,可达到极好的防护功能。

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 楼主| 发表于 2018-10-17 21:03:54 | 显示全部楼层
4.电磁屏蔽与吸波纤维及纺织品
电磁屏蔽纤维是指电磁波的能量能够被纤维表面反射或吸收而使其传播受阻或减少,对人体起到防护作用的纤维材料。通常情况下,当导电纤维的电导率大于1 S/m,可作为电磁屏蔽纤维。

常用的电磁屏蔽纤维包括金属纤维、金属镀层纤维、碳纤维、聚苯胺纤维等。吸波纤维是指能够吸收或衰减入射电磁波,并将电磁能转变成热能或其它形式的能量而耗散掉的一类纤维,碳化硅纤维、多晶铁纤维有较好的吸波效果。

不锈钢纤维是最早开发出的屏蔽纤维,由美国Brunswick 公司生产,随后,铝系和铜系金属纤维相继问世,目前已成为应用最多的防电磁辐射纤维。碳纤维具有良好的导电性和力学性能,是优良的电磁波反射材料。为了在宽广的频率范围内获得较好的电磁屏蔽性能,通常在碳纤维表面包覆相关材料,如沉积碳化硅等。例如,德国BASF 公司研制出一种表面镀SiC 的碳纤维,在500 MHz 时的屏蔽效能可达48dB。碳化硅纤维具有高强度、耐高温、低蠕变、膨胀系数小、耐腐蚀性强和化学稳定性好等特点,同时又具有吸波功能,在吸波纤维制备中运用较多。可将碳化硅纤维作为增强材料,来制作战机、舰艇等,以达到雷达隐身的效果。

结语
安全防护装备领域新产品的开发主要依赖于高性能纤维,而高性能纤维的主要发展方向是对现有品种的高性能化和低成本化。我国安全防护装备潜在的市场空间很大,我国应不断创新生产工艺技术,努力实现高性能纤维的高效化、高性能化、低成本化生产,深入开展应用研究与市场开发研究,通过纤维自身产品性能的提升及市场的调节来提高国内自给率。
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