高性能纤维的发展历程优化

几千年前，人类就已经会利用天然材料来改进生活、抵御外侵，比如，把牛皮裁剪成带子用作弓箭的弦，以提供足够的张力和弹性，或许这可以称为“高性能带子”。工业革命以来，随着科技的快速发展，尤其是近百年来，人造材料逐步进入人们的视野，高性能纤维也应运而生。

高性能纤维，重点在于“高性能”，即具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维。高性能纤维早期定义的依据是力学性能，往往指断裂强度超过15 cN/dtex 的纤维［1］，如碳纤维、对位芳纶、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE 纤维）等，但该定义在实际生产和应用中有一定的局限性。近年来，高性能纤维被赋予更广泛的含义，如具有耐高温、耐辐照、耐腐蚀等特性的纤维，也可称为高性能纤维，如间位芳纶、聚四氟乙烯纤维、聚苯硫醚纤维等，这些产品主要体现了耐热性和阻燃性优异。

早在1860年，英国科学家Sir Joseph Wilson Swan（1828—1914年）发明了一盏以碳纸条为发光体的半真空碳丝电灯，也就是白炽灯的原型。1879年，爱迪生发明了以碳纤维为发光体的白炽灯。他将椴树内皮、黄麻、马尼拉麻或大麻等富含天然线性聚合物的材料定型成所需要的尺寸和形状，并在高温下对其进行烘烤。受热时，这些由连续葡萄糖单元构成的纤维素纤维被碳化成了碳纤维。1892年，爱迪生发明的“白炽灯泡碳纤维长丝灯丝制造技术”获得了美国专利（USP470925）［2-3］。可见，早期的碳纤维只能称为“功能性”纤维，即利用了碳纤维的导电、导热及耐高温特性，而非目前普遍认可的高强度、高模量等优越的力学性能。现代工业意义上的碳纤维是1959年联合碳化公司以黏胶纤维（Viscose fiber）为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。1961年日本产业技术综合研究院（Government Industrial Research Institute）的進藤昭男（Akio Shindo），在实验室中制得了模量高达140 GPa 的聚丙烯腈基碳纤维，高出黏胶基碳纤维模量的3 倍，之后，东丽公司与美国联合碳化物公司签署了技术合作协议，进行规模化生产。20 世纪80～90年代，在民用航空、体育用品为中心的市场引领下，碳纤维顺利扩大了应用市场，并得以快速发展。我国从20 世纪60年代开始研发聚丙烯腈基碳纤维，从事碳纤维研发的机构主要有东华大学、中科院山西煤化所、北京化工大学、长春应用化学研究所、中科院化学研究所等。(www.xing528.com)

有机高性能纤维快速发展于20 世纪中期，随着有机合成化学和纤维成形技术的发展，科学家可以通过分子结构设计，合成出分子链刚性或半刚性的聚合物，具有高强度、高模量、耐高温的特性，为高性能纤维的纺制提供了原材料。20 世纪60年代末，美国杜邦公司发现了芳香族聚酰胺的溶致性液晶现象，于1972年实现聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维工业化生产，商品名称为Kevlar。2000年，日本帝人公司收购了荷兰Twaron 并进行了多次大规模扩能。同一时期，为满足美国空军对耐高温聚合物材料的要求，美国SRI（Stanford Research International）材料实验室设计并合成出多种高性能聚合物，主要包括聚苯并唑（PBO）、聚苯并噻唑（PBT）、聚苯并咪唑（PBI）等。PBI 率先于1961年应用于高性能纤维制备，该纤维具有优良阻燃性能，极限氧指数（LOI）达到40，但其力学性能不高；与此不同的是，PBO 纤维却展示了优越的力学性能和耐热稳定性。最先投入PBO 纤维研发的企业是陶氏化学公司（Dow），但Dow 并没有成功地将PBO 纤维产业化，而是由日本东洋纺于20 世纪90年代初进行商业化生产，商品名为Zylon。