化学纤维的应用范例(12篇)
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化学纤维的应用范文篇1
微晶纤维素是一种极细微的白色粉末状物质,在显微镜下观测,呈各向异性的纺锤状聚集体———颗粒束状物,其颗粒大小一般在20~80μm,极限聚合度(LODP)在15~375,它无臭、无味、不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂,具有极强的流动性,在稀碱溶液中部分溶解、润胀。这一特定产物主要有3个基本特性[1]:(1)平均聚合度达到极限聚合度值;(2)具有纤维素I的晶格特征,结晶度高于原纤维素;(3)具有极强的吸水性,并且在水介质中经强剪切力作用后,具有生成凝胶体的能力。由此可知,通常所称水解纤维素是各类降解纤维素混合产物的总称,而微晶纤维素只限于具有上述3个特性的水解纤维素。这3个特性即是衡量与检验微晶纤维素的唯一标准,也是区分其与水解纤维素的主要标准。微晶纤维素的理化性质主要表现在结晶度、聚合度、形态结构、吸水值、比表面积及反应性能等方面。
1•1结晶度
结晶度是指结晶区占纤维素整体的百分率,是微晶纤维素的一个重要指标,表明结晶的结构状态,并决定产品质量与用途。结晶度的大小对纤维素纤维的尺寸稳定性和密度等都有影响,其常规测量方法为X-射线衍射法和红外光谱法。利用X-射线衍射法测定各种微晶纤维素样品可知,微晶纤维素都保留有纤维素I的结晶,且所有微晶纤维素的结晶度与晶体大小均高于原纤维素,有研究表明[2],不同原料及不同水解方式得到的产品的结晶度差异较大,且不同测定方法也影响结晶度的大小,但通常结晶度在0•68~0•80变动[3]。
1•2聚合度
聚合度是指纤维素中重复的葡萄糖结构单元的数目。纤维素原料在酸解过程中,纤维素分子中的β-1,4葡萄糖苷键断裂,微晶纤维素是当聚合度下降到趋于平衡时所得产品,此时聚合度称为平衡聚合度(LODP)。它反映的是折叠在纤维素微原纤颗粒内部的纤维素分子链的长度。聚合度的测定较常用的是以毛细管黏度计和落球式黏度计为主的黏度法,通常用铜氨,铜乙二胺和镉乙二胺溶液作为溶剂。由表1得知,不同原料水解得到的MCC的聚合度差别较大,但所得微晶纤维素的LODP主要在15~37。微晶纤维素作为纤维素的降解产物,它的聚合度分布也是一项重要的指标。聚合度分布的测定常采用分级溶解、分级沉淀和凝胶渗透色谱等方法。哈丽丹•买买提等[5]采用饱和氢氧化铜乙二胺———乌氏黏度计法来测定植物纤维素的聚合度。
1•3形态结构
微晶纤维素的形态结构主要由粒度与不均匀性2个指标决定;而容重与粒度密切相关则作为间接指标表明微晶纤维素的形态结构。天然纤维素经水解反应和机械作用后,纤维形态发生了根本变化,由原先交织成网絮状的细长纤维,变成了纺锤形的颗粒状物料。粒度是标志物料大小的指标,只能说明一般宏观状况,而不能表明颗粒大小的均匀程度,与其相配合使用的是数均长度(Ln)和长均长度(Le),由此而得到不均性U=(Le/Ln-1),用以表征颗粒的均匀性如何。微晶纤维素的Ln和Le一般在几十至100多微米不等,不均性则因不同种类可在0•2~0•5之间变动[6]。另外,与粒度密切相关的一个指标是容重,这是相互影响而又相互制约的一对指标,主要嵌定于原料种类、水解条件和机械作用程度。其中如果水解和机械作用较强烈,微晶纤维素颗粒较细小,则容重增大;反之,如果水解与机械作用较弱,微晶纤维素颗粒较粗大,则容重减小。因此,根据产品对粒度与容重质量要求,对制备的工艺条件作出调整和设计,生产出符合应用需要的产品[7]。
1•4吸水值
吸水值是微晶纤维素在水中润胀程度的标志。在吸水性能方面微晶纤维素表现出较大的吸水值。颗粒的大孔体积对吸水值影响最大,大孔体积越多,吸水值就越大,而与粒径无关,这主要是因为在大孔中保留有大量的粒子间结合水,在测定吸水值部分结合水起了决定性的作用。而不同种类及不同浓度的微晶纤维素吸水值都有所不同,但都有一个极限值所对应的浓度,极限值一般都在200%以上。微晶纤维素在水中形成凝胶时,凝胶中有2种形式的水分存在,一部分为游离水,一部分为结合水,并且两者之间迅速交换[8],这就为保持微晶纤维素凝胶稳定性提供了依据。
1•5比表面积
比表面积是指单位质量颗粒状物质的总面积,是评价多孔物质性能的重要参数之一。微晶纤维素的比表面积可根据N2吸附和水蒸气吸附的BET法测定。在水蒸气吸附时,由于氢键力较弱,当微晶纤维素浸没在水中时,氢键极易被破坏,所以用不同方法和不同处理方式得到的比表面积不相等。由N2吸附法直接得到的是有效面积,而由水蒸气吸附法得到的是内在表面积。其中以N2吸附时还采用溶剂置换,而水蒸气吸附法测得的比表面积与无定形区的含量成正比。
1•6化学反应性能
微晶纤维素是纤维素水解而来的产品,故与纤维素在化学反应特性上表现出一些类似的特征,而且由于其表面多孔,结构疏松,进行化学反应时试剂容易渗入,因而大大提高了反应的均一性,可以得到性质优异的产品,一些用普通纤维素反应不易得到的产品用微晶纤维素反应则可得到。微晶纤维素不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂,在稀碱溶液中部分溶解、润胀。但与一般溶解浆相比,虽然微晶纤维素有较高的结晶度,但在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中,却反应出具有较高的反应性能,在机械性能、可燃性,尤其是溶解性方面的改变,使其应用性能大大增加[9]。在生产中,能够卓有成效地降低原材料消耗,并能在较小和较缓和条件下完成反应过程。微晶纤维素良好的反应性能,为微晶纤维素的化学改性和应用方面的开发提供了良好的依据,也为实现其经济效益提供了依据。
2微晶纤维素在食品工业中的应用
微晶纤维素作为天然纤维素的水解产物,天然纯净,无毒无味,安全性高,具有独特的理化性质,且不影响产品的质量,因而,越来越受到人们的重视,目前,微晶纤维素已广泛用于食品、医药、化工、农业等生产部门,并表现出良好的应用价值。而在食品工业中,由于它具有特殊的理化特性而主要作为乳化剂、泡沫稳定剂、高温稳定剂、非营养性充填物、增稠剂、悬浮剂、保形剂和控制冰晶形成剂等应用于食品工业的各个方面,用于提高产品质量。
2•1微晶纤维素在乳制品中的应用
在乳制品中,常常要悬浮稳定一些不溶性的物质,如可可粉,不溶性矿物质,乳脂等,由于这些物质的密度大于体系中分散介质的密度,或者在乳化液中不能均匀分散,使得产品在加工过程和货架期中,往往会出现分层和沉淀现象。微晶纤维素粒子被分散在乳化液中,使油-水乳化液中的水相被增稠和胶化,从而防止油滴彼此间靠近乃至聚合。微晶纤维素经高剪切力分散后,与水以氢键形成有效的三维网络结构,可防止不溶性颗粒的沉降,及防止脂肪颗粒重聚而达到稳定的效果。同时微晶纤维素具有剪切稀变性,不会导致产品产生粘连糊口的感觉。微晶纤维素在乳制品中不会和乳蛋白发生缔合,可与其他稳定剂复配用于高钙奶、乳饮料和可可奶中,形成热稳定的网络,在低黏度下起到悬浮稳定的作用。刘娟等[10]人将微晶纤维素与卡拉胶复配使用加入到长货架期的可可奶中,结果表明微晶纤维素与卡拉胶的复配比例为:微晶纤维素为1•5g/L,卡拉胶为0•2g/L时产品的稳定较好,能达到保质6个月的要求,且按上述比例复配的产品稠度适中,口感爽滑。其中应注意微晶纤维素在分散过程中原料加入顺序并且要保证合适的剪切速率。陈桂梅等[11]为解决甜玉米乳饮料在生产和贮藏过程中出现的蛋白质和其他固体微粒聚沉和脂肪上浮、分层等现象,将微晶纤维素与其他稳定剂复配使用,提高甜玉米乳饮料的稳定性,其得出的最佳复配比例中微晶纤维素的添加量为0•2%时,甜玉米乳饮料在常温下贮藏3个月内无明显析水、分层或沉淀现象,状态较均匀,保藏效果良好。有研究表明,在添加有酸奶酪的乳制品中,由于酸奶酪的pH值低,容易引起乳制品中固体组分凝固,使乳清从混合物中分离出来,造成产品发生分层现象,影响产品品质,而向其中加入一定量的微晶纤维素,可以有效的保证乳制品的稳定性,防止分层现象的发生。
2•2微晶纤维素在低能量食品中的应用
由于微晶纤维素是由纤维素水解得到的,所以具有不被人体消化吸收,可以促进肠道的蠕动的特性,是一种很好的低能食品添加剂。微晶纤维素可替代面粉、糖等高热量物料应用于低能糖果和减肥食品中。还可在生产沙拉油、糊精调味品、鱼、肉罐头和乳制品时添加一定量的微晶纤维素,不仅使产品的能量降低了,还使得生产出的产品有较好的外观,口感及风味。微晶纤维素和蛋白质以酪蛋白做胶囊,用于奶酪、奶酪饼、蛋黄酱中作为脂肪替代物,可减少食品中的脂肪含量;在杏仁糖中加入一定量的阿拉伯胶、微晶纤维素和少量甜味剂就可以取代高热量的甜菜糖、玉米糖浆和植物油脂。纪丽莲[12]在干酪中加入一定量的微晶纤维素,研究了其对干酪品质的影响。结果表明,含微晶纤维和卡拉胶的低脂干酪在脂肪减少67%时,其水分、蛋白质的含量明显增加,且组织状态柔软、滑润、弹性足、风味清香,在电子扫描下观察内部呈多孔状结构,与全脂奶酪相似。另外在制作各种烹调油质调味料时,添加一定量的微晶纤维素不仅有减少其能量的作用,还可防止加热或煮沸时油脂与调味汁分离。涂瑾等[13]将木杉微晶纤维素添加到面包中制成低能保健食品,研究了杉木微晶纤维素的添加量对面包质量的影响。其结果表明,杉木微晶纤维素的添加量在0•1%~0•3%时能制备到色、香、味,及组织结构及口感都令人满意的面包,不仅降低了面包的热量还增加了其纤维量,使面包具有一定的营养保健功能,并且进一步延长了面包的货架期,是一种值得进一步研究的保健食品。
2•3微晶纤维素在冷冻食品中的应用
微晶纤维素应用于冷冻食品中不仅可提高冷冻食品的发泡稳定性和乳化性,还可以有效的防止冰晶的长大,使得冷冻食品具有细滑绵软的口感。冷冻食品在反复冻融过程中会导致较大冰晶的形成而影响产品的外观及口感,向其中添加一定量的微晶纤维素后不仅提高配料的分散性和稳定性还可有效的控制冰晶颗粒在频繁的冻融过程中聚集在一起形成大的晶体。由于微晶纤维素本身不能形成凝胶,而与其他胶体配合使用时具有较好的冷热稳定性,也适用于提高冷冻食品的外观及口感。国外有研究表明,将微晶纤维素添加到冰奶油中,不仅提高了其乳化稳定性、泡沫稳定性和防止冰晶长大的能力,还促使冰奶油具有更好的性和爽口感。刘梅森等[14]将微晶纤维素加入到冰淇淋中,通过对冰淇淋浆料黏度及冰淇淋膨胀率、抗融性品质指标进行测试,考察了微晶纤维素单因素以及与瓜儿胶复配在冰淇淋生产中的使用效果,其结果表明,两者复配使用时与单一使用任意一种相比能显著改善冰淇淋抗融性等品质。
2•4微晶纤维素在高温灭菌食品中的应用
微晶纤维素不仅有强化油水分界面的作用,且能耐受高温,使乳化液在高温下仍能保持优良的稳定性。由于一些食品在加工过程中,要进行高温处理,这样使得其中的淀粉发生水解,影响产品的质量,而添加一定量微晶纤维素后,能有效的提高产品的稳定性。如在肉类罐头制品中,加入一定量的微晶纤维素后,乳化液能够在116℃下加热3h,仍然保持产品质量不变。
3微晶纤维素在其他方面的应用
微晶纤维素具有多孔结构,比表面积较纤维素要大,因而具有很强的吸附性。将这一特性应用于柱色谱和薄层色谱中分离提纯氨基酸、单糖和酶等具有很好的效果,并且微晶纤维素为纤维素水解而来,故安全性高、无污染、操作简单,是今后作为化学分析实验吸附剂原料的发展方向。刘柳等[15]人采用以微晶纤维素为基质材料制成的微晶纤维素薄层板分析荨麻多糖中的单糖组分。研究表明,该方法能有效分析的单糖组成,且简单易行,为以后多糖样品的质量控制奠定了基础。微晶纤维素也可以作为层析剂使用于实验室分析化学工作上。严钦等[16]用微晶纤维素为层析介质分离纯化β-葡糖苷酶,β-葡糖苷酶可通过生物转化功能将某些广泛存在的天然产物转化为自然界稀有甚至不存在的药物,然而,目前分离纯化β-葡糖苷酶的步骤复杂且成本高,由于微晶纤维素是β-葡糖苷酶的天然底物,且具有良好的物理和化学稳定性,微晶纤维素为葡萄糖的聚合体,作为天然酶解底物,在微酸性条件下能特异性地吸附β-葡糖苷酶,而这种吸附在高离子浓度条件下又可以被解析,利用该特性,将微晶纤维素作为β-葡糖苷酶的亲和层析介质,将粗酶液经过Q-sepharoseFF离子交换柱初步分离后直接使用微晶纤维素柱层析,然后再通过增加洗脱液NaCl浓度的方法将该酶洗脱下来,即可得到电泳纯的目的酶。利用微晶纤维素分离纯化β-葡糖苷酶的优势体现在:由于酶和底物的吸附具有选择性高的特点,所以纯化效率比一般的蛋白分离层析方法要高得多;同时,所采用的微晶纤维素是一种经济易得,安全,无污染的材料,操作成本低廉。另外,由于微晶纤维素是一种纯净的天然纤维素解聚产物,是能自由流动的结晶粉末,具有防结块和帮助流动的作用。有研究表明,微晶纤维素可作为抗结剂应用于超微粉碎过程中,防止粉体结片,并起到改善粉体的流动性的效果。范毅强等[17]在葡萄皮超微粉碎过程中添加不同剂量的微晶纤维素进行超微粉碎,以结片大小、粉体团状结构、粉体特性(以休止角和滑角作为表征)为评价指标进行研究。结果表明,在30~50g/kg用量内,微晶纤维素能完全阻止葡萄皮超微粉结片,能够改善葡萄皮超微粉的流动性。由于在此添加量内微晶纤维素没有明显的差异。因此从经济角度考虑,微晶纤维素加入量可选取为30g/kg。
化学纤维的应用范文篇2
关键词:功能纤维;改性纤维;高性能纤维;分类;发展方向
1功能纤维的概念
功能纤维(Functionalfiber)是指除一般纤维所具有的物理机械性能以外,还具有某些特殊功能或某些应用性能的新型纤维[1-2]。
2功能纤维的分类
功能纤维分为三大类:第一类是对常规合成纤维改性,克服其固有缺点,也称差别化纤维;第二类是针对天然纤维和化学纤维原来没有的性能,通过化学和物理手段赋予其蓄热、导电、吸水、吸湿、抗菌、消臭、芳香、阻燃、紫外遮蔽等附加性能,也称功能性纤维;第三类为具有特殊性能,如高强度、高模量、耐高温、耐化学药品、耐气候等优异性能,也称高性能纤维[3]。
2.1差别化纤维(differentialfiber)[4]
2.1.1异型纤维
用异形喷丝孔纺制的具有特殊横截面形状的化学纤维。异形纤维具有特殊的光泽、蓬松性、耐污性、抗起球性,可以改善纤维的弹性和覆盖性[4]。
2.1.2超细纤维
纤维直径在5μm或线密度在0.44dtex以下的纤维,具有质地柔软、光滑、抱合好、光泽柔和等特点,可制成具有山羊绒风格的织物或表面极为光滑或透气防水的超高密织物。
2.1.3高收缩纤维
沸水收缩率为35%~45%的纤维,常见的有高收缩型聚丙烯腈纤维(腈纶)和聚酯纤维(涤纶)两种。
2.1.4抗起球纤维
制成的织物受到摩擦时,不易出现纤维端伸出布面,形成绒毛或小球状凸起的纤维。常见的抗起球腈纶纤维是运用物理改性方法,改变纤维的结构性能,使由于摩擦引起的毛、球很快脱落,达到抗起球的效果。
2.1.5三维卷曲纤维
螺旋形卷曲或者立体形卷曲的纤维,利用聚合物熔体挤出时产生湍流、内应力不匀的原理形成纤维径向不对称结构而达到卷曲效果,在长毛绒玩具上应用广泛。
2.1.6吸湿排汗功能纤维
为超细、多孔结构,将毛细孔原理应用到纺织物表面,截面为花瓣形状的五沟槽纤维具有虹吸功能,能够快速吸水、输水、扩散和挥发,达到排汗速干的功能。
2.1.7色纺纤维
由含有着色剂的纺丝原液或熔体纺制成的有色纤维。
2.1.8仿真纤维
模仿天然纤维而制造的化学纤维,包括仿丝纤维、仿毛纤维和仿麻纤维等。
2.2功能性纤维[5]
2.2.1导光纤维
通常以石英或高分子材料为原料制成,具有不同折射率的皮芯结构,主要由于皮层全反射作用而能传导光线的化学纤维。
2.2.2导电纤维
在标准状态(20℃,65%相对湿度)下电阻率小于105Ω·cm,一般包括金属纤维、碳纤维、复合导电纤维和高分子导电纤维。
2.2.3光反射显色纤维
模仿南美洲闪蛱蝶翅膀上的“鳞粉”特性,将数十层可透过空气的薄膜重叠,通过对光的散射、干涉和衍射作用,使纤维产生颜色。
2.2.4变色纤维
是一种具有特殊组成或结构的,在受到光、热、水分或辐射等外界条件刺激后可以自动改变颜色的纤维。光致变色纤维是将光致变色材料和高聚物共混通过溶液纺丝、共混纺丝或复合纺丝技术制得的纤维。热致变色纤维通过在纤维中引入热致变色物质而制得。
2.2.5自发光纤维
也称蓄光纤维、夜光纤维。是在合成纤维纺制过程中加入少量蓄光剂(最小平均颗粒约2μm~3μm)制成。稀土夜光纤维是利用稀土发光材料制成的功能性环保新材料,以纺丝原料为基体,采用长余辉稀土铝酸盐发光材料,经特种纺丝制成夜光纤维。夜光纤维吸收可见光10min,便能将光能蓄贮于纤维之中,在黑暗状态下持续发光10h以上。
2.2.6芳香纤维
通过微胶囊法、共混纺丝法、复合纺丝法将芳香剂包容在纤维中而制成能释放香味具有保健功能的纤维。
2.2.7生物医学纤维
用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的一类功能纤维。它除了具有一定的物理—机械性能外,还必须具备生物相容性,有些用途还需要生物活性或者生物降解吸收性。人工器官使用的生物医学纤维主要为中空纤维膜。最早应用中空纤维膜的人工器官是人工肾,现在由中空纤维膜制成的人工肾、人工肝、人工肺、肝腹水超滤浓缩回输器和血液浓缩器已投入使用,人工胰腺也在研制中。
2.2.8吸附纤维
具有超吸附速率和吸附容量的纤维,包括高吸水(湿)纤维、吸油纤维、活性炭纤维和一些具有吸附毒性物质的纤维。
2.2.9离子交换纤维
在成纤高分子中引入某些活性基团而具有对离子交换或捕捉重金属离子的纤维。
2.2.10保健功能纤维
对人体健康具有防护和促进作用的一类功能纤维,包括抗菌纤维、防臭纤维、负离子纤维、远红外纤维、抗紫外线纤维和芳香纤维等。
2.2.11远红外纤维
能吸收远红外线并将吸收的太阳能转换成人体所需的热能的纤维。通常由能吸收远红外线的陶瓷粉末与成纤高分子流体在喷丝前混合而制成,如氧化铝、碳化锆等,其粒径应为0.2μm左右。
2.2.12负离子纤维
在纤维的生产过程中,添加一种具有负离子释放功能的纳米级电气石粉末,使这些电气石粉末镶嵌在纤维的表面,通过这些电气石发射的电子,击中纤维周围的氧分子,使之成为带电荷的负氧离子,由该纤维所释放产生的负离子对改善空气质量、环境具有明显的作用。
2.2.13阻燃纤维
采用无机高分子阻燃剂在粘胶纤维等有机大分子中以纳米状态或以互穿网络状态存在。
2.2.14陶瓷纤维
以SiO2、Al2O3为主要成分的一种纤维状轻质耐火材料,具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械振动等优点。可用作工业窑炉的绝热和耐火材料、高温高压蒸汽管道的绝热材料、高温密封绝热材料、高温吸声材料、耐火建筑用材和防火材料、原子反应堆内衬材料等。
2.2.15抗菌纤维
混有抗菌剂或经抗菌表面处理的纤维,具有抑制或者杀灭细菌功能的纤维。混入型是将含银、铜、锌离子的陶瓷粉等具有耐热性的无机抗菌剂,混入聚酯、聚酰胺或聚丙烯腈中进行纺丝而得;后处理型是将天然纤维用季铵化物或脂肪酰亚胺等有机抗菌剂浸渍处理制得。
2.2.16防辐射纤维
包括受高能辐射后不发生降解或交联并能保持一定力学性能的纤维以及指能抵抗造成人体伤害的射线辐射的纤维。有抗紫外线纤维、防微波辐射纤维、防X射线纤维和防中子辐射纤维等。如利用是聚丙烯和固体X射线屏蔽剂材料复合制成防X射线的纤维,将锂和硼的化合物粉末与聚乙烯树脂共聚后采用熔融皮芯复合纺丝工艺制成防中子辐射纤维。
2.3高性能纤维[6]
2.3.1芳族聚胺纤维
由酰胺键与芳基连接的芳族聚酰胺的线型分子构成的合成纤维,化学结构式为:[NH—AR—NH—CO—AR`——CO]p,如聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(间位芳纶)简称为芳纶1313,聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(对位芳纶)简称为芳纶1414。
2.3.2碳纤维
由碳元素构成的无机纤维。纤维的碳含量大于90%。一般分为普通型、高强型和高模型三大类。由粘胶纤维、聚丙烯腈纤维和沥青纤维等有机纤维经炭化而得到。高强型聚丙烯腈基碳纤维的强度为3GPa~7GPa,高模型聚丙烯腈基碳纤维的模量为300GPa~900GPa,在惰性气体中耐热性优良,耐化学腐蚀性好,有导电性。
2.3.3超高分子量聚乙烯纤维
采用UHMWPE通过冻胶纺丝或者增塑熔融纺丝工艺制得的合成纤维。其强度为29cN/dtex~39cN/dtex,模量为934cN/dtex~1246cNd/tex,最高使用温度100℃~110℃,具有优良的耐酸碱性、抗水解性。
2.3.4聚对苯撑苯并双唑(PBO)纤维
由芳族杂环类聚合物聚对苯撑苯并双唑的线型分子构成的合成纤维。纤维强度为37cN/dtex,模量为1764cNd/tex,分解温度650℃,极限氧指数68。
2.3.5聚苯并咪唑(PBI)纤维
由芳族杂环类聚合物聚苯并咪唑的线型分子构成的合成纤维。强度为6.6cN/dtex,模量为147cNd/tex,可耐850℃高温,极限氧指数38~43。
2.3.6聚苯硫醚(PPS)纤维
商品名为Ryton,指由苯环和硫原子交替排列的聚苯硫醚的线型分子构成的合成纤维。强度为1.8cN/dtex~2.6cN/dtex,模量为21.5cN/dtex~35.3cN/dtex,熔点285℃,极限氧指数34~35,耐化学性仅次于聚四氟乙烯纤维。
2.3.7聚酰亚胺纤维
由含酰亚胺链节的线型分子构成的合成纤维,大分子链中至少有85%的酰亚胺链节。醚类均聚纤维的强度为4cN/dtex~5cN/dtex,模量为10GPa~12GPa,在300℃经100h后强度保持率为50%~70%,极限氧指数44,耐射线好;酮类共聚纤维的强度3.8cN/dtex,模量35cN/dtex。经改性的聚酰亚胺纤维的强度为17.6cN/dtex,模量为529cN/dtex~882cN/dtex,分解温度650℃,极限氧指数68。
2.3.8聚酰胺?酰亚胺纤维
由含芳酰胺—酰亚胺链节的线型分子构成的合成纤维。强度为4.4cN/dtex,模量为61.7cN/dtex,可耐350℃高温,极限氧指数30~33。
2.3.9聚醚醚酮(PEEK)纤维
含亚苯基醚醚酮链节的线型分子构成的合成纤维。拉伸强度400MPa~700MPa,模量3GPa~6GPa,熔点334℃~343℃,长期使用温度250℃,极限氧指数35。
2.3.10酚醛纤维
由线型酚醛树脂经缩醛化或络合化学而制成的交联纤维。强度为1.14cN/dtex~1.58cN/dtex,极限氧指数30~34,瞬时可耐2500℃高温,长期使用温度150℃~180℃。绝热性好。
2.3.11蜜胺纤维
将三聚氰胺与甲醛缩聚,并溶于有机溶剂中通过湿纺和后处理而得。强度为1.76cN/dtex,极限氧指数32,无熔点,不熔滴,连续使用温度180℃~200℃。
2.3.12高强度聚乙烯醇纤维
由聚乙烯醇树脂通过溶剂湿法冷却凝胶纺丝制成。强度为15cN/dtex,耐碱性优良。
2.3.13玻璃纤维
以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的,其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米。E-玻璃纤维的强度为1722MPa,模量为654GPa。绝缘性好,耐热性强,抗腐蚀性好,但性脆、耐磨性较差。
2.3.14氧化铝纤维
一种主要成分为氧化铝的多晶质无机纤维,主晶形可呈γ-,δ-,θ-,α-氧化铝,是最新型的超轻质高温绝热材料之一,采用高科技的“溶胶—凝胶”法,将可溶性铝、硅盐制成具有一定黏度的胶体溶液,溶液经高速离心甩丝成纤维坯体,然后经过脱水、干燥和中高温热处理析晶等工艺,转变成Al-Si氧化铝多晶纤维,其主晶相为主要为刚玉相和少量莫来石相,集晶体材料和纤维材料特性于一体,使用温度达1450℃~1600℃,熔点达1840℃,有较好的耐热稳定性,其导热率是普通耐火砖的1/6,容重只有其1/25,节能率达15%~45%。
3功能纤维的发展方向
3.1高性能化
高性能纤维市场呈碳纤维、高强聚乙烯纤维、芳纶及新型高性能纤维共同增长的格局[7]。如生物可降解的聚酯纤维缝合线、可吸收的人工血管、PLGA纤维编织壳聚糖溶液涂层制成的人工神经导管以及组织工程神经导管以及组织工程肌腱等。
3.2低维化
若使材料在某一维度(x、y、z)的尺寸缩小到纳米级,则此材料减少相应的一维。随着高端物理化学技术的进步,化学纤维的细度已经达到微米级,并向纳米级超细技术挑战。如在医学上将纳米纤维网用于外科,防止人体组织在愈合过程中粘接产生疤痕,将细菌纤维素纳米纤维网络于无纺布上,制成捕捉白血球的纤维复合体滤材。
3.3智能化
智能纤维在美国、日本等发达国家已经取得较大进展。如隐身功能纤维应用于军事领域。如光敏纤维可改变8种色彩。在医疗产业领域,开发出具有形状记忆效应的绷带、人工肌肉及智能凝胶纤维、蓄热调温纤维等。
3.4仿生化
杜邦公司曾用六氟异丙醇溶解蜘蛛丝蛋白进行人工纺丝,东华大学研究蜘蛛吐丝的纺丝过程,以蚕丝蛋白质为模型,仿照蜘蛛吐丝的过程进行纤维加工。
3.5绿色化
主要是大力发展生物质纤维,实现新溶剂法纤维素纤维、聚乳酸纤维、生化法聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纤维、生物法多元醇的产业化。新型生物质再生纤维主要品种有:新型纤维素纤维(Lyocell纤维、离子液体纤维素纤维、低温碱/尿素溶液纤维素纤维)、新资源纤维素纤维(竹浆纤维、麻浆纤维)、海洋生物质纤维(甲壳素纤维、海藻纤维)、生物蛋白质纤维(大豆蛋白纤维、牛奶蛋白与丙烯腈接枝纤维、蚕蛹蛋白纤维)。
参考文献:
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化学纤维的应用范文篇3
当前,生态环境问题已成为当今社会的“心肺之痛”、“口腹之患”。对于绿色发展有诸多指示和言论,比如“推动形成绿色发展方式和生活方式,是发展观的一场深刻革命。”2015年7月总书记在吉林调研时强调:“要大力推进生态文明建设,强化治理措施,落实目标责任,推进清洁生产,让天更蓝、水更绿、山更清、生态环境更美好。”新形势下如何正确处理经济发展和生态环境保护的关系,是当今时代的重要课题。
对于纺织工业来说,绿色发展已然成为时代任务,而绿色纺织的实现离不开纤维原材料的参与。由工信部指导,中国化学纤维工业协会作为发起单位的“绿色纤维”标志的认证工作正是从上游原料入手为“绿色纺织”提供可靠“绿色原材料”——即“绿色化学纤维”的一项重要工作。
中国化学纤维工业协会会长端小平经常在行业各种场合不断提到:绿色生活,从纤维开始。这是“绿色纤维”的一条经典宣传词。而不为外界所知的是,在绿色纤维面向市场的背后是其对“绿”近乎苛刻的标准,其中首当其冲的就是纤维的源头。
“绿色纤维:从源头开始”——之生物基化學纤维
生物基化学纤维,顾名思义就是原料来自自然生物而非传统化纤的石油基,例如:海洋生物里的螃蟹壳、海藻,玉米秸秆,竹子等以及生物合成纤维,如PTT、PDT纤维等,都包含在内。
中国化学纤维工业协会指出:“生物基化学纤维及其原料是我国战略性新兴生物基材料产业的重要组成部分,具有绿色、环境友好、原料可再生以及生物降解等优良特性,有助于解决当前经济社会发展所面临的严重的资源和能源短缺以及环境污染等问题,同时能满足消费者日益提高的物质生活需要,增加供给侧供应,促进消费回流。”因此生物基具有天然的“绿色纤维”基因。
目前通过“绿色纤维”认证的生物基化学纤维品种有:海斯摩尔生物科技有限公司的纯壳聚糖纤维,江苏盛虹科技股份有限公司的PTT纤维以及保定天鹅新型纤维制造有限公司与山东英利实业有限公司的莱赛尔纤维。这些纤维产品毫无疑问都具有绿色纤维天然、可再生、无污染、可降解的特性,对自然环境不造成任何负担,是绿色纤维中的“高值代表。”
“绿色纤维:从源头开始”——之原液着色纤维
原液着色纤维也叫色纺纤维,纺前染色纤维,是化学纤维生产中在聚合中或在纺丝时加入适当的着色剂而制得的纤维。原液着色这样一种纤维品种被纳入“绿色纤维”大家庭的主要考虑是从生产工艺的角度:由于原液着色纤维本身在生产过程中给纤维赋予了各种颜色,因此下游生产的过程中就省去了印染环节,大大提高了制得纺织品“绿”的程度。
而且随着环保标准的日益严苛,原液着色纤维的市场也在日益扩大,涉足原液着色纤维产品的企业也在不断增多。几年前,原液着色纤维的品种主要是涤纶,近两年锦纶、粘胶、腈纶等品种都在原液着色纤维方面取得了诸多突破。甚至在今年3月纱线展期间,江苏奥神新材料股份有限公司竟然用聚酰亚胺纤维制成了原液着色纤维产品,并成功通过“绿色纤维”的标志认证。江苏奥神是一家高性能纤维企业,主要生产聚酰亚胺短纤、长丝、短纤等。该公司总经理陶明东告诉记者:“高性能纤维做原液着色非常困难,通过公司科研团队的不断努力,我们在这方面取得了一些成绩,目前已经研发出藏青、军绿、橘红等几个色系,主要还是用在特种行业,当然后续环节则不需要染整。”奥神新材料的原液着色聚酰亚胺纤维采用聚合工艺添加色浆的方式生产,在节约能源的同时减少了废气和废水的排放。
“绿色纤维:从源头开始”——之循环再利用化学纤维
“绿色纤维”的大家庭中的第三个成员——循环再利用化学纤维的“绿”,主要是从其原料及整个产业的社会效应考虑。循环再利用纤维包含以废弃聚酯瓶、废丝、废浆、废弃纺织品为原料经处理、纺丝制得的纤维(此工艺称为物理回收法)和将废弃聚酯解聚、获得单体再重新合成聚酯后经纺丝制成的纤维(此工艺称化学回收法)。目前入围“绿色纤维”的循环再利用纤维主要是通过采用废旧聚酯瓶作为原料进行再加工生产出的化学纤维,行业内也叫再生聚酯。比如宁波大发化纤有限公司的循环再生涤纶短纤;浙江绿宇环保股份有限公司的循环再生涤纶长丝;优彩环保资源科技股份有限公司的循环再生有色涤纶短纤以及新晋入围的广东秋盛资源股份有限公司的循环再生涤纶短纤以及有色短纤;龙福环能科技股份有限公司的循环再生涤纶长丝及有色长丝;海盐海利环保纤维有限公司的循环再生涤纶长丝及有色长丝。
然而,循环再利用纤维尽管具有良好的社会效应,但是在原料——废旧聚酯瓶的回收及加工环节也存在一定程度的污染问题,因此为了保证入围绿色纤维企业的的清洁生产,中国化学纤维工业协会了《循环再利用化学纤维(涤纶)行业绿色采购规范》。该文件通过引导企业实施绿色采购,意在倒逼原材料、产品和服务的供应商不断提高环境管理水平,是从源头上减少环境问题的有效的市场机制,更有利于全社会营造绿色生产、绿色消费的氛围,是事半功倍的一项措施。
该项文件从适用的行业范围、生产和工艺要求、质量安全性能要求以及试验方法、供应商评价、验货规则等方面都做了明确的指标要求。比如在工艺方面,文件指出需要企业采用消耗少、效率高、无污染或少污染的工艺和设备;生产中所需要的化学品也给出了明确的国标技术规范;对粉尘、废弃的治理、噪音的处理等问题都做了明确的规定,或者给出了需要遵照的标准。对于原料处理中使用的清洗剂和助剂,文件也给出了必须遵循的要求。
化学纤维的应用范文
关键词:纳米纤维素;复合材料;生物基纳米材料;开发;应用
中图分类号:TB332;TQ352文献标志码:A
ResearchandDevelopmentofNanocellulose-reinforcedCompositeMaterials
Abstract:Nanocelluloseisanewnano-material,whichhasbio-degradability,highertenacitythanconventionalsteeloraramidfiber(Kevlar),goodtransparency,moistureabsorbencyandconductivity.Thepaperintroducesthetechnicalfeaturesandprogressinresearchanddevelopmentofnanocellulose,andanalyzestheapplicationsandpotentialmarketofnanocellulosecompositematerials.
Keywords:nanocellulose;compositematerial;bio-basednano-material;development;application
1全球纳米纤维素市场概况
纳米纤维素是一种新型纳米材料,具有生物可降解性能,且强力高于普通的钢材或芳香族聚酰胺(Kevlar),因具有良好的透明性、吸湿性以及导电性在业内受到广泛关注。
纳米纤维素制品极高的性能/重量比,使其在应用市场展现出巨大的潜力。如北欧YTT技术中心的研究报告预测,纳米原纤化纤维素(NFC)2022年全球市场的需求量在10万t左右,2025年将达到40万t;而纳米晶纤维素(NCC)2022年市场规模应在8000t左右,2025年将超过5万t。
目前纳米纤维素已在多个领域完成了商业化应用。无毒和优良的生物相容性使其在医用组织支架、绷带、人造血管和药液控释等领域的应用取得进展;经过改性的纳米纤维素使增强相的复合材料表现出巨大的市场潜力;纳米纤维素超高的比表面积(约1000m2/g)使其成为优良的电池隔膜材料;纳米纤维素具有优良的吸水、持水和控制释放能力,其产品已在纸尿裤、医用创伤敷料、卫生巾和低热值产品中使用;用作造纸填料,添加剂量为2%~10%时,可使纸制品的强力和韧性提高50%~90%。纳米纤维素薄膜柔软且透明,可用作功能性包装材料或安全用纸;亦可以制作挠性电子产品,如挠性显示器、可弯曲电池和LED产品。
纳米纤维素在商业化方面展现出巨大的发展潜力,美国纸浆与造纸工业技术协会(TAPPI)乐观地预测,纳米纤维素在制浆造纸工业、聚合物增强复合材料、功能性薄膜、建筑材料、油气资源开发等领域,全球每年有2300万t待开发的消费能力,其中NFC占60%,NCC占20%。
2纳米纤维素研究与开发现状
2.1国内外研究概况
20世纪70年代,有实验室成功制得NFC,其后NFC产品开始在食品工业中出现,NFC透明纸制品亦相继进入人们的视线。近10年来,纳米纤维素的合成、改性技术及其复合材料的结构与性能研究等均取得了令人瞩目的进展。
2011年,世界第一套产能为100kg/d的纳米原纤化纤维素装置投入运转,次年纳米晶纤维素试验线在加拿大开始了半商业化运行。目前全球已有十几条NFC试验生产线,其中美国Maine(缅因)大学的生产装置产能达到了300t/a。另有近10条纳米晶试验生产线,其中加拿大Celluforce公司的商业化装置的产能达到了300t/a。
纳米纤维素及其产品的应用研究呈蓬勃发展态势。据统计,截至2015年全球从事纳米纤维素研究与开发的企业与机构多达167家,包括119家研究院所,其中有25个纳米纤维素研究中心。
国内纳米纤维素研究尚处于起步阶段,目前中科院、制浆造纸研究院所及相关大学开展了纳米纤维素的研究工作,2015年国家林业局启动了科研专项计划“纳米纤维素绿色制备、高值化应用技术研究”。而国内化纤业相关研究投入显得不足,几乎没有企业涉足。
2.2纳米纤维素的技术特征
纳米纤维素主要有3种类型,即纳米原纤化纤维素、纳米晶纤维素和细菌纤维素,其技术特征如表1所示。
{米纤维素取材于木浆或生物质资源,代表性制造工艺包括生物法、机械法和化学法等。纳米纤维素的生产过程主要包括两个阶段,即预处理工序和处理工序,前者多采用机械法、Tempo氧化法、羧甲基化法和生物酶法等;处理工序主要使用高剪切均化加工、超高压微细流加工和微细研磨/剪切加工。开发中的纳米纤维素及其增强复合材料的产业链如图1所示。
能耗是制约纳米纤维素生产的重要因素。随着机械研磨工艺、化学处理技术的进步以及预处理与处理工艺间的合理配置,纳米纤维素的能耗已可控制在2000kW・h/t以内,能耗成本降低了93%。
采用生物酶法制备纳米纤维素的能耗约为112MJ/kg,而采用羧甲基化工艺后纳米纤维素的能耗高达1323MJ/kg。可见,采用生物酶工艺制NFC、NCC具有明显的成本优势。生物酶法制备纳米纤维素的研究中,预处理使用的内切葡萄糖酶(Endoglucanase)单耗已可控制在0.1kg/t产品的水平,NFC生产的能耗成本仅为1欧元/t。
3纳米纤维素增强复合材料的应用
3.1纳米纤维素增强复合材料的技术经济性
纳米纤维素复合材料的强力/重量比是钢材的8倍、碳纤维的2倍。作为复合材料的增强相,纳米纤维素与传统玻纤、碳纤维等相比具有明显优势。纳米纤维素取之于可再生资源,具有生物可降解性能和良好的热稳定性,改性纳米纤维素可在200℃条件下持续使用1h,即使处于恶劣的使用环境,仍能保持使用寿命在15年以上(恶劣的使用环境如荒漠中的高温和极地处的严寒,强烈的紫外线照射,湿态与热湿态条件,化学制品环境包括油雾、酸以及液态化学品,霉菌浸蚀条件等)。
纳米纤维素展现出了优良的技术经济特性,无疑也将催生生物纳米材料的_发和使用。表2为纳米纤维素与部分复合材料常用的纤维性能一览。
碳纤维是复合材料增强相的常用选择,但碳纤维增强塑料(CFRP)苛刻的制造条件和高昂的成本使其更适用于航空航天和超豪华汽车。而低成本、低密度、易于通过改性而获得优良使用性能的纳米纤维素应是增强复合材料的新选择之一。目前纳米纤维素的生产成本约为4~10美元/kg,随着改性技术的进步,使用成本仍有下降空间。据悉日本有数十家企业、研究机构拟合作研究开发纳米纤维素,计划2030年将纳米原纤化纤维素成本降至5美元/kg或更低。目前复合材料常用的增强相材料成本大致为:高强度钢材1美元/kg、合金铝2美元/kg、E-玻纤2美元/kg、碳纤维20美元/kg,而纳米晶纤维素价格在4~10美元/kg之间,具有十分明显的竞争优势。
3.2纳米纤维素增强复合材料生命周期研究的启示
纳米纤维素作为增强相在聚丙烯、苯乙烯及聚乙烯复合材料中得以使用。研究显示,纳米纤维素苯乙烯复合材料的抗张模量指标从单一苯乙烯的2.4GPa提高到5.2GPa,苯乙烯添加量为40%(质量分数)。在NFC添加量为68%的羟乙基复合材料的开发中,其抗张模量与断裂强力分别达到了8.0GPa和20.2MPa。
高性能纳米纤维素复合材料具有实用性,而市场更关心的课题是纳米纤维素增强复合材料的环境友好特征。为评估纳米纤维素和细菌纤维素环氧树脂复合材料的环境友好特征,从原料加工、能源利用、制造流程、复合材料的使用消费以及废旧物品处理和废弃的全过程进行了研究与评估。
生命周期研究选取的物料为NFC环氧树脂(增强相质量分数为65%,下同;强力/模量比为6.30)、BC环氧树脂(增强相56%,强力/模量比5.38),对比物料为碳纤维/PP复合材料(增强相32%,强力/模量比5.09)及单一组分PLA。生命周期评价(LCA)结果显示,当纳米纤维素环氧树脂的增强相纤维容积量超过60%时,纳米纤维素增强复合材料的潜在全球变暖数据GWP(单位:kgCO2eq)和非生物源石化燃料消耗数据ADfs(单位:MJ)均可低于单一PLA材料,即NFC和BC增强环氧树脂均表现出十分良好的环境友好特征。
3.3纳米纤维素增强复合材料的应用研究
纳米纤维素是具有独特功能的材料,也是生物基复合材料的增强组分,近20年来在业内受到持续关注,被视为新一代生物基纳米复合材料。
3.3.1在汽车上的使用
未来,开发新型材料以提升乘用车的燃油效率并实现轻量化是汽车工业可持续发展的战略选择。微细-纳米纤维素材料之所以能引起汽车工业的广泛关注是基于其非常宽的可利用性、生物可再生性、低密度、环境友好性、无毒以及优良的机械性能。利用高性能/密度比的纳米纤维素复合材料作乘用车体部件,可满足或优化汽车的技术性能。过去几年间,纤维素基增强复合材料的使用呈增长态势,亚洲和欧共体诸国的汽车工业也有利用纤维素资源和改善废旧汽车部件回收利用性能的广泛需求。如福特汽车开发的生物基纳米纤维素复合材料,将以NFC为增强相的生物基聚酰胺复合材料用于汽车部件,经连续应用试验,显示其耐热性能明显优于传统PA6和PA66。
生物聚酰胺主要选用PA11、PA1010品种,并扩大到PA610。其中PA1010/NFC增强复合材料选用源于蓖麻子的100%生物基PA1010,NFC占2%~8%,该复合材料具有优良的可在高温环境下使用的性能;PA610/NFC复合材料中,PA610组分有62%取材蓖麻子,NFC添加量为2%~8%,复合材料具有十分优良的热性能,其机械性能更优于PA1010。
纳米纤维素的成本仅为碳纤维的1/10,且易于通过化学改性赋予复合物材料新的功能,市场潜力巨大。以汽车工业发达的美国为例,其乘用车市场中轿车和轻型卡车所占比例各半,一般情况下,轿车车体重量在1.57t左右,轻卡不超过2.08t。美国时下的汽车产量约为1850万辆/a,车体重量的1/3为钢材,可利用纳米纤维素复合材料置换的约为50%。据此计算,TAPPI的研究报告认为,全美汽车市场纳米纤维素的潜在用量应在156万t/a左右。
我国是汽车生产大国,2014年的汽车产量达2300万辆,汽车轻量化对复合材料用纳米纤维素的潜在需求约为228万t/a(参照美国纳米纤维素复合材料的应用研究数据计算)。预计2015―2022年间,我国汽车产能将进一步增长,纳米纤维素复合材料的市场空间也将进一步拓展。
3.3.2在3D打印上的应用
美国AmericanProcess公司和橡树岭国家实验室(ORNL)合作,利用纳米纤维素复合材料(biplus)为3D打印技术提供新的可再生材料。实验结果证明,在诸如热稳定性、高负载条件下的机械性能方面,纳米纤维素增强复合材料可以满足3D打印的需要;可部分替代高成本、取材于石油资源的碳纤维和ABS、PA66以及PC等聚合物。近年来,ORNL使用纳米纤维素的增强复合材料,在该实验室的BAAM型3D打印机上成功制得了大尺寸高尔夫汽车部件,使用的材料为纳米纤维素与聚醚亚酰胺(PEI)的增强复合材料,包括两个产品系列即聚醚亚酰胺/纳米原纤化纤维素和聚醚亚酰胺/纳米晶纤维素。
另外,瑞典Chalmers大学的研究人员经过研究也攻克了纳米纤维素与碳纳米管的混合难题,开启了3D生物打印技术(3D-bioprinter)研究与开发的新领域。
3.3.3在挠性电子产品中的应用
纳米纤维素复合材料在挠性电子器件方面的使用具有一定潜力,如用于大型挠性屏幕、挠性电脑、柔性显示屏、柔性电子纸等的开发。
日本三菱利用木浆原料制得了NFC纤维网片,纤网经过化学改性处理,并使用丙烯腈树脂浸渍,可制得纳米纤维素/丙烯腈树脂复合材料膜,产品具有良好的透明性、尺寸稳定性和柔软性,可在OLED子产品上使用。
3.3.4在功能性薄膜上的应用
纳米纤维素作为增强相已在天然或合成聚合物中使用,NCC增强复合材料薄膜也已实现商业化生产。通常情况下,使用的NCC的直径在3~30nm之间,长度50~2000nm,NCC基复合材料薄膜的特性取决于其表面化学性能、NCC之间以及NCC与聚合物间的界面因素。纳米纤维素薄膜强力高、透明性好、印刷容易、使用便当。薄膜厚度为20μm,具有一流的氧屏蔽性能,在23℃、相对湿度80%的高湿条件下,每日氧可透过率为0.8cm3・mm/m2。而NCF/环氧树脂混合薄膜的光学性能和热性能非常好,表现在单一环氧树脂薄膜的热膨胀系数(CTE)为165×106/K,而NCF/环氧树脂混合薄膜的仅为13×106/K。纳米纤维素增强复合材料薄膜在高选择性过滤介质、电池膜材料以及特种包装材料领域具有很大的市场潜力。部分纳米纤维素增强复合材料薄膜的机械特征如表3所示。
3.3.5在水泥制品上的应用
依据强力和化学反应性能特点,纳米纤维素用作复合材料有许多技术性能上的优势。研究成果显示,NCC添加量为0.2%时,混凝土制品的弯曲强力可提升30%;使用NFC的混凝土断裂能提高53%,而混合使用NCC/NFC的混凝土断裂能也可提高26%。在改善混凝土强力和刚性的研究中,添加0.5%~5%的纳米纤维素可取得令人满意的效果。
水泥工业是全球碳排放量最大的产业之一,而与此相关的建筑与土木工程每年的碳排放量约占全球碳排放总量的5%。据测算,如在水泥制品的施工中使用纳米纤维素,全球每年CO2的排放量约可减少5亿t。按美国建筑现行规范要求,如将纳米纤维素作为混凝土增强材料用于高性能结构要求的建筑与土木工程(其每年的水泥用量大约为570万t),使用面为75%,则全美每年的纳米纤维素消费潜力在2.1万t上下。
2015年我国的水泥产量达23.48亿t,其中商品用混凝土的产量约为15亿~16亿t,目前国内水泥和混凝土生产规模以及建筑与土木工程市场空间可达美国的数十倍,参照现阶段美国高性能结构土木工程施工中纤维增强材料的使用规范及要求,我国水泥用纳米纤维素的潜在市场应在20万~30万t/a之间。
4结语
纳米纤维素性能独特,其潜在的经济效益和市场容量在业内引起广泛关注。纳米纤维素原料取之于丰富的木材和农业生物质,目前市场上木浆成本在0.75美元/kg左右,而纳米原纤化纤维素成本在4~40美元/kg之间,纳米晶纤维素成本为2~15美元/kg,与传统碳纤维复合材料(CFRP)相比具有一定优势,在增强复合材料领域也远低于碳纳米管(CNT)100美元/kg的价格。
纳米纤维素用作复合材料的增强相在性能上拥有诸多优势,但仍有很多问题有待研究,如:纤维素与疏水性聚合物间的相容性,纤维素材料的湿度敏感性,纤维素的均匀分散性,纤维素耐热性不足等。
2011―2012年间,NFC、NCC相继进入商业化生产。据报道,加拿大Cellofoce公司产能为6000~15000t/a的纳米纤维素生产装置已在实施中,纳米纤维素的工业化生产无疑比人们预想的要快。基于纳米纤维素技术快速进入工业化生产的现实,国内化纤业也应关注相关领域的研究与开发,并适时投入。
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化学纤维的应用范文篇5
本文论述了导电纤维的种类、应用,概述了鉴别导电纤维的一般程序,并总结了导电纤维检测过程中存在的几个主要问题。
关键词:导电纤维;种类;应用;鉴别;问题
Abstract:Thepaperdiscussedthetypesofconductivefibersandapplications,andoutlinedthegeneralidentificationproceduresofconductivefibers,andsummarizedseveralkeyissuesinthedetectionprocessofconductivefibers.
Keywords:conductivefibers;type;applications;identification;issues
导电纤维是上世纪60年代出现的一种新的纤维品种,它一般是指导电率大于10-7Ω-1・cm-1的纤维。这类纤维具有良好的导电性和耐久性,特别是在低湿度下仍具有良好的耐久抗静电性,因此在工业、民用等领域有着很大的用途。
1导电纤维的种类
根据导电纤维的特点,可以分为四大类:金属系导电纤维、碳黑系导电纤维、导电高分子性纤维和金属化合物型导电纤维[1]。
1.1金属系导电纤维
这类纤维是利用金属的导电性能而制得的,主要方法是直接拉丝法,即将金属线反复过模具、拉伸,制成直径4μm~16μm的纤维。此外,还有切削法和金属喷涂法两种制备方法。
金属系导电纤维的优点是导电性能接近于纯金属,缺点是手感比较差,抱合困难,因而纤维的混纺不匀,限制了它的进一步推广使用。
目前这种类型的导电纤维主要应用在一般电脑防护服、孕妇服等防辐射服装上,具有抗老化、耐磨、可染成各种颜色、可反复洗涤等优点。
1.2碳黑系导电纤维
这是最早出现的导电纤维,目前这类纤维通常有三种制造方法:掺杂法、涂层法和纤维的碳化处理法。不同的方法得到的导电纤维性能略有差别。这也是目前市面上比较成熟的一类导电纤维。
该类纤维作为防静电、除静电材料,主要应用在与集成电路相关的领域:集成电路块、场效应管、晶体管等电子元器件的加工、装配、包装、运输等生产过程中[2]。
1.3导电高分子性纤维
目前,对导电高分子性纤维的导电性能研究也越来越多,主要制备方法有两种:一种是导电高分子性材料的直接纺丝法,另一种是后处理法。
导电高分子性纤维的应用范围较广,在电子、电器、防爆产品、高压电缆等领域作为导电屏蔽材料、防静电材料等广泛应用。
1.4金属化合物型导电纤维
大部分的金属化合物都具有很好的导电性,利用金属的特性来生产导电纤维的方法在目前应用最多。金属中使用最多的就是铜的硫化物和碘化物,硫化铜、硫化亚铜和碘化亚铜等都是很好的导电性物质,利用这类导电化合物制备导电纤维主要有3种方法:混合纺丝法、吸附法和化学反应法。
这类导电纤维主要用于电磁波屏蔽场合。
2导电纤维在纺织品中的应用
导电纤维的导电性能主要基于自由电子的移动而不依靠吸湿和离子的转移,所以导电纤维不依赖于环境湿度,它在相对湿度30%RH或更低湿度下仍能显示优良的导电或抗静电性能。其纺织产品主要有抗静电功能和防辐射功能,在电子业、广电、IT、电力、电信、民航、医药及精密仪器等领域应用非常广泛。
2.1抗静电纺织品
在工业生产中,静电危害所造成的后果已不仅仅限于安全问题,静电可造成电子元件损坏,静电放电造成的频谱干扰危害是导致电子设备运转故障的直接原因之一。
采用在普通织物中加入导电纤维的方法赋予织物导电性能,从而使织物上积蓄的电荷能尽快释放掉,可有效地防止静电局部蓄积。这种抗静电纺织品主要用于石化工业。
2.2电磁波屏蔽纺织品
通过特定的工艺在普通纤维中按一定比例纺入导电纤维织成的织物,当有电磁波辐射到织物表面时,织物中均匀分布的导电纤维作为导电介质能将电磁波转化或传递出去,从而实现屏蔽。利用导电纤维对电磁波的屏蔽性,可将其用于制作精密电子元件、高频焊接机等电磁波屏蔽罩,制作有特殊要求的房屋的墙壁、天花板等吸收无线电波的贴墙布等。
2.3智能化纺织品
柔韧的导电纤维应用电子传感器的原理制成的智能化纺织品,具有轻便易携带等优点,在各个领域都有广泛的应用。日本太阳工业公司用碳纤维开发了检测最大应变的传感器,可用于建筑物、道路、工厂、飞机、索道等结构的安全诊断。
目前,对高度刺激能产生智能响应的纤维和纺织品的研究和开发,已引起人们极大的关注,一些专家将智能纺织品(smarttextiles)看作是纺织服装工业的未来。智能纤维就是能够感知所处环境的变化(如机械、热、化学、光、温度、电磁等),并随之做出敏锐响应(发生突越性变化)的纤维。目前智能纤维中的光导纤维、导电纤维、变色纤维、形状记忆纤维、调温纤维及选择性抗菌纤维等,都已实现了规模化生产。
2.4军工纺织品
大部分导电纤维对电、热敏感,导电纤维织制成的织物能防止热成像设备的侦察,由此可制成单兵热成像防护服。导电纤维与树脂、橡胶等低介电基体复合可制成电磁波吸收材料。该材料能够吸收雷达波,躲避雷达的跟踪,实现武器装备“隐身”的目的[3-4]。
3导电纤维的鉴别程序
对于导电纤维的鉴别,应该通过测定其导电性能来定性,而对于一般的纺织品检测实验室来说,因为多数不具有功能性检测手段,所以只能进行粗略的纤维定性而很难鉴别其是否真正具有导电性。目前在纺织品中应用最多的还是金属系导电纤维,碳黑系导电纤维、导电高分子性纤维和金属化合物型导电纤维应用相对较少。金属系导电纤维根据制作方法的不同,又可分为金属纤维、金属涂层纤维和金属镀膜纤维。
对于金属系导电纤维的鉴别,目前没有相关的国家标准或行业标准涉及相关的内容。作者通过查阅资料并实践总结如下鉴别流程:先在显微镜下观察,一般的金属纤维是在基底上镀一层金属膜,由于金属是不透光的,所以根据显微镜下纤维是否透光可做第一步判定。如果是很薄的亮片且透光,基本上可以确定不是金属涂层纤维,这时候就用化学溶解法来判定。先用20%的盐酸,溶解的是尼龙纤维,不溶的接着用浓硫酸来试试,溶解掉的就是聚酯纤维。这个顺序不能省略或颠倒。并不是不透光的纤维就一定是金属涂层纤维,那些颜色深的亮片一般也不透光。金属涂层纤维一般有个特点,就是涂层在显微镜下看有裂痕,当然,太黑的情况下也看不大清楚,这时候有两种方法可以判定,第一种就是将金属纤维团成一团放在家用微波炉里加热,有火花的话肯定就是金属涂层纤维(要靠近一点看),不过一些金属含量不高的也不会有火花,所以说没有火花的并不一定就不是金属纤维。还有一种就是放在5%的次氯酸钠溶液中煮沸,多煮一会儿(注意安全),如果是的话上面的金属涂层会掉落。大致过程就这样,特殊案例还需小心对待。
金属纤维和金属镀膜纤维鉴别:金属纤维就是金属拉丝而成的,一般是圆的,而镀膜纤维大多数是扁的,金属纤维相比较镀膜纤维而言硬度较大,在显微镜下金属纤维很直,而且是发黑的,绝对不会透光,也没有裂痕。
4目前检测过程中存在的问题
从纤维检测方法本身来说,通过纯粹的物理或化学方法来定性出是某种功能纤维,这是比较困难。但是可以将纤维制成产品后,通过检测证明产品具有某种功能,还是合情合理的。比如,导电纤维,很多实质上是涤纶,那如果你说涤纶是导电纤维,难度就比较大,而通过制成成品检测其具有导电的功能,这种情况下,判断是导电纤维是合理的。单纯鉴别是涤纶来证明是导电纤维,就没有依据或依据不足。
目前,在导电纤维检测过程中主要存在以下几个问题:
4.1名称缺乏标准规范
目前,对于导电纤维的名称也没有相关标准。而相关标准名称也只是GB/T 4146.1―2009《纺织品化学纤维第一部分:属名》和FZ/T 01053―2007《纺织品纤维含量的标识》中的规定:有金属得到的纤维为金属纤维(MTF),而在纤维外涂覆金属的情况下,应称为金属镀膜纤维(metallizedfibers),而不是金属纤维(metalfibers)。
因为导电纤维的名称没有标准加以规范,导致在检测机构出具报告时无法标注。作为检测机构出具报告必须按照授权许可范围来出,没有许可,就不能出具相关报告,所以关于导电纤维的名称需要国家相关部门制定相应的标准加以规范。
4.2鉴别方法不健全
导电纤维是个很宽泛的称呼,种类很多,这就给目前的纤维鉴别带来很大的困难。理论上讲,导电纤维应该是一种功能性的名称,不管是金属纤维还是金属镀膜纤维抑或是含有共轭体系的有机纤维,只要具有这种导电能力,都应该称之为导电纤维,而不应该通过单纯的纤维定性来鉴别。即使是检测出含有这些纤维,如果功能测试不具有导电能力也不应该判定为导电纤维。
4.3缺乏定量分析的标准
目前,涉及到导电纤维定量的标准只有GB/T 24125―2009《不锈钢纤维与棉涤混纺本色纱线》,标准给出可以用75%的硫酸溶解棉,然后再用98%的硫酸溶解涤纶,最后剩余不锈钢纤维的方法,但是标准中没有给出不锈钢的具体修正系数,要求自己测量并计算不锈钢每一步的修正系数,这势必给标准实施带来极大的不方便。而且考虑到浓硫酸的强氧化性可能会造成不锈钢纤维表层被氧化成一层保护膜,从而阻止进一步的反应,但是因为是纤维状,所以比表面积比较大,造成的影响也必然会较大;而75%的硫酸虽然不会使不锈钢纤维钝化,但是它会与金属反应放出氢气,因此对不锈钢纤维的溶解损失也必然较大。
另外根据标准GB/T2910.24―2009《纺织品定量化学分析第24部分:聚酯纤维与某些其他纤维的混合物(苯酚/四氯乙烷法)》,可以对金属纤维和聚酯纤维混纺产品进行纤维定量。
但是,对于其他种类的导电纤维的定量就没有标准可以依据了。所以这些方面也需要今后相关部门来制定相应的标准。
5结论
目前,对于导电纤维的相关标准工作还远远满足不了日常的生产和检测需要,急需相关部门尽快制定相关的标准及检测方法,使各检测机构有标准可依据,一方面可以出具报告,另一方面也可以规范市场秩序,促进经济社会的健康发展。
参考文献:
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化学纤维的应用范文
[关键词]竹纤维;竹浆粕;N-甲基吗啉-N-氧化物
[中图分类号]TS102[文献标识码]A
竹子应用广泛是大家熟知的,但应用于服装领域还是近几年的事。用竹子加工成的纤维称为竹纤维,竹纤维分成两大类:天然竹纤维和化学竹纤维。
1竹纤维的分类
1.1天然竹纤维――竹原纤维
竹原纤维是采用物理、化学相结合的方法制取的天然竹纤维。
1.2化学竹纤维
化学竹纤维包括竹浆纤维和竹炭纤维。
竹浆纤维:竹浆纤维是一种将竹片做成浆,然后将浆做成浆粕再湿法纺丝制成纤维,其制作加工过程基本与黏胶相似。但在加工过程中竹子的天然特性遭到破坏,纤维的除臭、抗菌、防紫外线功能明显下降。
竹炭纤维:是选用纳米级竹香炭微粉,经过特殊工艺加入黏胶纺丝液中,再经近似常规纺丝工艺纺织出的纤维产品。
竹炭纤维制取过程:竹材炭化(将老竹材加热到450~550℃加以炭化,然后进行高温炭化,即在上述低温炭化工程后,再度将该炭化物加热到800~900℃,持续处理)竹炭活性化(将经过上述两种加热处理之后的竹炭进行喷雾处理,竹炭急剧冷却消火,此时因水的物理与化学作用,竹炭产生复杂多孔质之结构,表面积增加数倍,大幅地提高吸着能力。经过活性化处理的竹炭,其组织结合密度提高,变得极为坚硬。碳素率可达85%以上)竹炭的粉碎(将前述活性化的竹炭加以粉碎,制成亚纳米级的竹炭粉)均匀分散(将竹炭粉掺入涤纶或黏胶等原浆中并加以搅拌,使其均匀分散在原浆中)纺丝(从原浆中,透过抽丝设备,抽出含竹炭粉的长丝,也可根据需要切成棉型或毛型的短纤、中长纤维等,从而制得竹炭纤维。
2生产竹纤维的技术
目前关于竹纤维的生产工艺主要有黏胶法制竹纤维和新溶剂法制竹纤维两种。
2.1黏胶法制竹纤维
工艺流程为:投料浸渍压榨粉碎碱纤维素老成称量黄化纤维素黄酸酯溶解搅拌过滤抽真空黏胶液
浸渍过程中,纤维素结合NaOH,甚至生成醇钠,还发生溶胀,聚合度有所降低。浸渍的碱液浓度为18%~20%,浸渍时间45―60分钟,温度20℃左右为益压榨和粉碎是在联合机中进行的,压榨是除去多余的碱液,以利于黄化反应的顺利进行,因为过多的碱液会消耗CS2,还会发生多种副反应.粉碎是为了将压榨后的非常致密的碱纤维素粉碎成细小的松屑状,增大表面积,利于后续中的各步反应能更加均匀的进行。
老成是在老成箱中进行的,这是一个密闭的车间,里面有加热装置,传送带等。老成就是借空气的氧化作用,使碱纤维素分子断链,聚合度降低,黏度下降.老成关键是控制老成的温度和时间,一般采用低温长时间而不用高温,因为温度太高,裂解剧烈,容易使聚合度过低,分子量分布不均匀。
黄化是使碱纤维素与CS2反应,生成纤维素黄酸钠,它能溶于NaOH溶液中,从而形成纺丝液.黄化反应主要是气固相反应,反应过程包括CS2蒸气按扩散机理从碱纤维素表面向内部渗透的过程,以及CS2渗透部分与碱纤维素上的羟基进行反应的过程.黄化反应是可逆反应,主要取决于烧碱和二硫化碳的浓度。
纤维素黄酸酯的溶解过程在带搅拌的溶解釜内进行。块状分散的纤维素黄酸酯在此经连续搅拌和循环研磨,逐步被粉碎成细小颗粒,逐渐溶解。溶解结束后,为了尽量减小各批黏胶间的质量差异,需将溶解终了的数批黏胶进行混合,使黏胶均匀,易于纺丝。
黏胶在放置过程中发生的一系列化学和物理化学变化,称为黏胶的熟成。黏胶的熟成度是指黏胶对凝固作用的稳定程度。一般用黏胶在NH4Cl溶液中的稳定程度表示。熟成度是黏胶的重要指标之一,它直接影响纺丝成形过程的快慢机成品纤维的性能。熟成刚开始,黏度急剧下降,随着熟成的继续进行,黏度又开始上升,甚至形成黏胶胶粒子。
过滤就是除去黏胶溶液中的微粒,防止在纺丝过程中阻塞喷丝孔,造成单丝断头,或在成品纤维结构中形成薄弱环节,是纤维强度下降。通常要经过三道过滤,过滤介质为绒布和细布,采用的是板框式过滤机。
黏胶在溶解搅拌,输送和过滤而带入大量尺寸不一的气泡,加速黏胶的氧化,破坏滤材的毛细结构,纺丝时则易造成断头和毛丝,降低纤维的强度。因此,采用抽真空的方法除去黏胶中的气泡,一般气泡的体积分数控制在0.001%以下。
采用黏胶法生产竹浆纤维是目前主要的生产方式,存在着生产时间较长,生产过程的环保费用较高。
2.2新溶剂法制竹纤维
新溶剂法纤维素纤维生产工艺属国内首创,自主设计的整套工艺路线和溶解、脱泡、过滤等关键设备具有创新性,拥有完整的自主知识产权。该项目已被列入2009年新增中央投资工业项目、福建省重大科技专项,现已申请8项专利。
该项新技术与国内外同类技术相比具有三大优点。
一是生产工艺流程短且环保。
二是新溶剂为国内首创。
三是生产流程关键设备均自主设计。
生产所用的N-甲基吗啉-N-氧化物水溶液广泛用于有机合成过程中作溶剂等,用于聚酯塑料的发泡催化剂,具有特别优良的性能。
分子式:C5H11NO2
分子量:117.15
含量:60%(wf)(N-甲基吗啉-N-氧化物)
外观:无色透明液体
酸值:(以HCOOH计):≤0.01%
新溶剂法制竹纤维首先按一定比例的新溶剂和竹纤维素浆粕在捏合机内由一对互相配合和旋转的叶片所产生强烈剪切作用迅速反应从而获得均匀的混合搅拌。其次,再出料投入反应釜,根据反应条件对反应釜结构功能及配置附件进行设计,从开始的进料-反应-出料均能够以较高的自动化程度完成预先设定好的反应步骤,对反应过程中的温度、压力、力学控制(搅拌、鼓风等)、反应物/产物浓度等重要参数进行严格的调控。
再者物料经由双螺杆空压机将气体压缩至高压,有利原料的合成及聚合。最后经过凝固浴成丝经由一牵伸二牵伸获得样品。
3市场发展前景
竹纤维织物的天然抗菌、抑菌、抗紫外线作用在经多次反复洗涤、日晒后,仍能保证其原有的特点,对人体皮肤无任何过敏性不良反应,并对人体皮肤具有保健作用。现已大量应用于口罩、绷带、手术服、护士服等医用防护品和毛巾、袜子、内衣、床上用品等亲肤日用品。
竹纤维的到来,对整个纺织业而言,具有深远的意义。竹纤维的产品价值塑造了消费者的品位与档次,它是一个空白市场,具有巨大的商机。虽然人们忽略了细节,但是对于品质却提高了一个新的台阶。绿色这个概念逐渐映入到消费者的心理,再高档的产品在绿色面前也只能降低档次。因为绿色将是一个长久不衰的流行趋势!竹纤维家纺也将必定成为家纺行业的领军者!随着人类对“生态、健康、环保”理念的不断追求,竹原纤维产业更具有广阔的发展前景。
参考文献:
[1]乐逸蝉,王国和.竹纤维的结构性能及其产品开发[J].四川丝绸,2004(4):10-12.
化学纤维的应用范文1篇7
【关键词】纤维改性沥青混合料作用机理
1概述
纤维作为一种新型的增强材料,被广泛的用作复合材料增强体,应用于航空航天、电子机械等尖端领域[1-3],由于纤维具有高模量、高强度、高长径比以及较强的吸附能力,在道路沥青及沥青混合料中也多有应用。多年来,国内外对纤维改善沥青及其混合料性能进行了大量研究,并根据实际需求,开发出了一系列适用于道路沥青改性的路用纤维,主要包括木质素纤维、矿物纤维、聚合物纤维以及新兴的玄武岩纤维等。本文主要针对道路纤维在沥青混合料中的应用进行调研,分析了纤维对混合料性能影响的主要作用机理及影响因素,对其未来发展进行了展望。
2纤维改性沥青混合料的主要影响因素
2.1纤维种类及性能
按处理方式划分,纤维可分为天然纤维和化学合成纤维,不同种类的纤维具有不同的性能,包括强度、模量、吸持沥青量、长径比以及表面形貌等等,而这些因素都会对沥青混合料性能产生影响。李智慧[4]等考察了聚丙烯腈纤维、聚酯纤维以及木质素纤维等三类不同的增强体对沥青混合料性能的影响,同时分析了三类纤维的常规技术性能,建立了纤维性能与外掺纤维沥青混合料路用性能之间的关系。结果表明,掺加聚丙烯腈纤维和聚酯纤维的沥青混合料性能相当,而木质素纤维混合料性能稍差;纤维的种类还影响着其对沥青混合料的主要作用机理。对外掺纤维沥青混合料路用性能影响程度最大的纤维性质因素是抗拉强度与极限拉伸应变,其次是熔融温度,吸持沥青量也有一定程度影响,纤维直径影响最小,在纤维形状特征因素中纤维长度的影响程度大于纤维直径与长径比。T.Serkan[5]采用聚酯纤维对石油沥青进行改性处理,石油沥青混合料的马歇尔稳定度增加而流值降低,同时抗车辙及抗疲劳性能增加,表明聚酯纤维有效提高了石油沥青混合料的路用性能;F.M.Nejad等[6]使用碳纤维增强沥青混凝土,结果显示,碳纤维的加入有效提升了沥青混凝土的强度和抗老化性能。此外,有不少学者采用不同种类的纤维对沥青混合料进行混杂改性,取得了良好的效果[7-8]。
2.2纤维长度及添加量
当使用同一种纤维对沥青混合料进行性能改善时,纤维的长度及添加量成为重要的影响因素。李玉龙[9]等研究了剑麻纤维的长度以及添加量对沥青混合料性能的影响,通过对纤维沥青混合料初始强度、水稳定性以及高低温性能的综合研究评价,发现剑麻纤维长度为4mm、添加量为0.3%时,沥青混合料性能提升最大。张效杰[10]等采用德国的DolanitAS纤维,加入AC-16Ⅰ型沥青混合料中,考察了不同纤维掺量的沥青混合料路用性能。研究发现,混合料的最佳沥青用量随着纤维用量增加而增大,但达到0.4%时,增加并不明显;而沥青混合料的稳定度随纤维用量先增加后减小,在0.3%时达到最佳;此外,沥青混合料的流值、高温稳定性、水稳定性以及低温抗裂性能等在加入纤维后,均有不同程度的提升,AC-16Ⅰ型沥青混合料中,纤维最佳掺量为0.3wt%。N.Morova[11]考察了玄武岩纤维对沥青混合料使用性能的影响,马歇尔稳定度试验表明,当纤维用量为混合料含量0.5wt%时,具有更好的稳定性。
2.3纤维的分散及界面粘结性能
纤维的分散性对沥青混合料力学性能影响很大。分散不均匀,对混合料性能有很不利的影响,分散均匀性是保证改性效果的前提。有研究表明[4,12],聚酯纤维和聚丙烯腈纤维等有机纤维在拌和中均易均匀分散;石棉纤维受潮后,易结团,影响分散性;松散的木质素纤维干拌时的分散性较前几种纤维要差,若吸水受潮后分散性将更差;玻璃纤维较粗时在混合料中易折断,太细时虽柔韧性有所改善,但拌和时易受静电影响而结团,温度越高越易结团,分散性很差。当然,对于不同的体系,所需要纤维的种类性质都不同,对于分散性差的纤维要采用适当的手段提升分散性能,提高改性效果。
复合材料的界面是影响其性能的重要因素,界面粘结性能的提升,有利于材料性能进一步的提高以及体系稳定性的增加。纤维加入沥青及其混合料中,形成了复合材料体系,而二者之间的界面,通过物理以及化学作用形成了与二者性能截然不同的新区域。界面承担着纤维与沥青及其混合料之间性能的传递,因此,良好的界面对复合材料综合性能的发挥显得十分重要。
陆宏新等[13]人研究了剑麻纤维与沥青的界面性能,结果表明好的界面粘结使沥青的强度、韧性及抗裂性能有不同程度提升,改善了混合料的路用性能。
增强纤维复合材料界面性能的常见方法有酸碱处理、界面改性剂处理等,这有利于增加纤维表面化学反应活性,提高表面粗糙程度,增加纤维与沥青界面粘结性能,更好的提高纤维沥青混合料性能。
3纤维对沥青混合料的主要作用机理
纤维作为一种被广泛应用和研究的增强材料具有其他材料无可比拟的优点,比如高模量、抗拉伸性能好、比表面积大以及长径比可调等,不少学者研究了纤维改性沥青混合料的作用机理,从改善性能的角度,解释了纤维增强沥青混合料的原理[14-18]。从改性原理上来讲,主要包括以下几点:
(1)纤维的吸附及稳定作用。纤维具有大的比表面积,这有利于煤沥青在其表面进行浸润、物理吸附以及部分的化学键合作用,二者之间形成一层界面层,使部分自由沥青变为结构沥青,防止或减少沥青在运输及使用过程的迁移,这提高了沥青的稳定性及温度敏感性。
(2)纤维的桥接作用。纤维直径很小,只有几个微米,这使得加入沥青中可在三维方向自由分布,在沥青中形成交联网络结构,这就阻滞了沥青及其混合料中裂纹或裂缝的进一步发展,延长了材料裂缝扩展的时间,使纤维沥青混合料的抗疲劳性能得到显著改善;另外,与其他增强材料不同,纤维具有一定的长度,在裂纹或裂缝遇到纤维时,进一步扩展需要将纤维拔出,也需要消耗额外的能量,这对提高沥青混合料的低温抗裂性能有至关重要的作用。
(3)纤维的加筋作用。纤维具有高强度、高模量且对环境的抗老化性能很强,在沥青混合料受到外力作用时,应力会通过二者的界面传递到纤维,而此时,纤维的高模高强使其能承受更大的应力,使沥青混合料的性能不易随着时间或环境的变化而变化,提高抗老化性能以及使用性能。此外,纤维的特点还可使沥青混合料的耐磨损性能、自修复能力有大幅的提高。
4结语
纤维的综合作用效果可显著提升沥青混合料的使用性能,且其工艺简单,无需增加新的设备,具有良好的经济效益和应用前景。而科技的进步和发展,也带来了先进的研究手段。利用新兴的技术,从微观的角度对纤维增强沥青混合料的作用过程及机理进行深入的研究,并建立微观性能与宏观性能之间的关系,利用现有的理论或方法对其进行解释,为纤维在沥青混合料中更好的应用提供理论依据和指导,这些问题值得在未来得到更多的重视和深入研究。
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化学纤维的应用范文篇8
关键词:聚丙烯混凝土;性能;工程应用
混凝土是目前世界上用量最大、应用最广泛的材料之一。由于其易浇筑成型,可与钢结构结合制成各种构件,取材容易、价格低廉等优点,使得混凝土成为不可替代的建筑材料。但是,混凝土脆性大、抗拉强度低、抗折强度小等缺点,阻碍了混凝土的进一步发展。而在混凝土中掺入纤维的纤维混凝土,,可以有效的解决以上的缺点。
1聚丙烯纤维混凝土概述
1.1聚丙烯纤维混凝土的发展历程
聚丙烯是一种高分子碳氢化合物,其优点是化学稳定性好,相对于其他纤维混凝土如碳纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、钢纤维混凝土等,聚丙烯纤维混凝土耐腐蚀性更好、生产成本更低。聚丙烯纤维混凝土最早使用,是美国用于其军事工程中,以增强混凝土的坚固性。一九七零年,英国开始使用聚丙烯纤维混凝土,用于基桩的桩帽,防止打桩时桩帽的破坏。随后,Goldfein等人发现聚丙烯、尼龙等合成纤维能提高水泥砂浆的抗冲击能力。20世纪70年代,英美等发达国家已经逐步将聚丙烯单丝纤维用于混凝土制品中,并且美国还开发出聚丙烯膜裂纤维,不仅降低了聚丙烯单丝的直径,而且将纤维体积率降低0.1%-0.2%。80年代时,美国成功开发出直径为23-62μm的聚丙烯单丝纤维,应用于混凝土制品中有效提高了抗裂韧性。从此聚丙烯纤维广泛应用于西方发达国家的工程中,包括地下工程、工业民用建筑以及桥梁工程等。上世纪90年代,中国逐渐引进国外的合成纤维,使得聚丙烯纤维在国内得到发展。经数十年发展,目前国内应用聚丙烯纤维混凝土的工程已不计其数。
1.2聚丙烯纤维对混凝土的力学性能的影响
1.2.1聚丙烯纤维对混凝土抗压强度的影响
广东工业大学的苏健波和李士恩,对掺量小于0.1%的聚丙烯纤维混凝土研究发现,其立方体抗压强度没有明显提高,掺量大于0.1%时,立方体抗压强度反而降低。福州大学陈伟力、郑惠川等指出,低掺量的聚丙烯纤维混凝土对抗压强度影响有限。同济大学重点实验室的研究发现,0.4%掺量的聚丙烯纤维混凝土28天的抗压强度降低了18.2%。
大量实验结果和研究资料表明,低掺量的聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度影响不大。
1.2.2聚丙烯纤维对混凝土劈拉强度的影响
葛洲坝水利集团付华的实验结果阐述了在水灰比0.4的情况下,掺入3.0kg/m?的聚丙烯纤维,能使混凝土的劈拉强度有所提高。西北农林科技大学张慧莉的研究表明,聚丙烯纤维的掺入,混凝土的劈拉强度提高幅度最大达到72.09%,聚丙烯纤维延缓了劈拉试验中混凝土首条裂缝的出现。
1.2.3聚丙烯纤维对混凝土抗折强度的影响
上海市政研究院的孙家瑛、孙建祥等人的试验结果表明,硅灰聚丙烯纤维混凝土在水灰比不变的情况下,聚丙烯纤维掺量由0增至0.15%时,混凝土的抗折强度提高达到27%。同济大学姚武、马一平的研究结果表明,水灰比为0.4的情况下,聚丙烯纤维混凝土的抗折强度有所降低,但其韧性指数比素混凝土高。
1.2.4聚丙烯纤维对混凝土抗冲击性能的影响
东南大学的刘家彬的研究表明,聚丙烯纤维对混凝土的抗冲击性能影响显著,掺量为0.1%-0.2%时,混凝土的抗冲击性能提高达4-6倍。浙江大学王志钊、钱晓倩等人的试验表明,聚丙烯纤维使混凝土从初裂到破坏阶段吸收的能量提高27%,混凝土表现出的抗冲击韧性提高82%。因此,聚丙烯纤维表现出优越的抗冲击强度。
1.2.5聚丙烯纤维对混凝土抗拉性能的影响
大连理工大学的王晓飞、丁一宁对聚丙烯粗纤维混凝土进行了轴拉性能的试验,结果表明聚丙烯粗纤维能有效提高混凝土的抗拉强度,提高幅度最大达到43%,但当纤维掺量过大时,抗拉强度降低,这是由于纤维影响了混凝土基体的密实度。由于聚丙烯纤维的抗拉强度较低且与混凝土基体粘结良好,因此试验中大部分聚丙烯纤维被拉断。
2聚丙烯纤维在工程中的应用
由于聚丙烯纤维具有良好的力学性能,以及可以减少混凝土硬化过程中出现的微裂缝,能够改善混凝土的抗冻性、防渗、抗冲磨等性能,聚丙烯纤维被广泛应用于公路、桥梁、核反应堆外壳、隧道、飞机跑道等工程,在工业与民用建筑中,抗震框架节点部位和桩帽等,堤坝、涵洞的防水、补强等场合,都有使用聚丙烯纤维混凝土。
2.1聚丙烯纤维在房屋建筑结构中的应用
陕西宝鸡法门寺合十舍利塔工程,工程为钢骨砼双向折线往复倾斜双塔体结构,塔的第四层设计为18m球冠状穹顶结构,穹顶壳体混凝土厚度0.2m,球冠上部由8根弧形工字钢梁、3道环梁与壳体连接。原施工方案采用支设内外双层模板,但因结构复杂,施工质量难以保证。后来施工方利用聚丙烯纤维的增稠效应,采用低坍落度泵送聚丙烯混凝土,取消原支模浇筑的方案。工程于2007年10月完成施工,达到良好效果。
国家大剧院基础底板和地下室防水,也采用了聚丙烯纤维混凝土,2002年初浇筑施工,搅拌、泵送未出现纤维凝絮成团现象,混凝土硬化后强度、抗渗达到要求,至今未出现可见裂缝。
广州市元岗油库综合楼,是钢筋混凝土框架结构,有一预应力转换大梁,净跨15.9m,截面1000mm×2500mm,支撑高度2.2m。为控制转换梁的温度裂缝和变形挠度,施工采用了聚丙烯纤维预应力混凝土,拆模半年后无裂缝。
2.2聚丙烯纤维在公路、桥梁工程的应用
河南平顶山市平东线姚孟段,路面宽12m,原为沥青路面,但由于交通量大、车辆超载造成路面损坏,多次维修效果无改善。后采用聚丙烯纤维混凝土路面,经过两年的通车后发现,路面无明显裂缝、错台等破坏现象。可见聚丙烯纤维混凝土对路面有很好的改善作用。
3聚丙烯纤维混凝土应用存在的问题
聚丙烯纤维混凝土虽已经在国内应用广泛,但目前还在应用上存在一些问题。聚丙烯纤维虽被证实是一种有效提高混凝土性能的材料,但由于聚丙烯纤维的生产属于化纤行业,因此纤维的性能指标如抗拉强度、弹性模量等受生产流程、工艺的影响,应用于具体工程实践时,纤维的掺量有差异,甚至需要现场临时试配决定纤维掺量,给经验欠缺的工程人员带来操作难度,不利于工程质量。此外,聚丙烯纤维在混凝土拌和过程中易结团,从而影响混凝土的力学性能及工程质量,因此对施工人员的操作水平提出了较高要求。
4结语
聚丙烯纤维混凝土是一种性能良好的建筑材料,混凝土中掺入聚丙烯纤维能有效提高其劈拉强度、抗折强度等力学性能,并能减少混凝土的干缩裂缝等,提高了混凝土的抗裂性,为其广泛的工程应用奠定了基础。
参考文献
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化学纤维的应用范文1篇9
关键词:纤维混凝土;高温性能;生产建设
1纤维混凝土
1.1纤维混凝土定义
以水泥浆、砂浆或混凝土为基体,以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料的统称。水泥石、砂浆与混凝土的主要缺点是:抗拉强度低、极限延伸率小、性脆,加入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维,可以克服这些缺点。
1.2分类
所用纤维按其材料性质可分为:①金属纤维。如钢纤维、不锈钢纤维(适用于耐热混凝土)。②无机纤维。主要有天然矿物纤维(温石棉、青石棉、铁石棉等)和人造矿物纤维(抗碱玻璃纤维及抗碱矿棉等碳纤维)。③有机纤维。主要有合成纤维(聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、尼龙、芳族聚酰亚胺等)和植物纤维(西沙尔麻、龙舌兰等),合成纤维混凝土不宜使用于高于60℃的热环境中。以其基体的不同,可分为,①纤维水泥。由纤维与水泥浆或掺有细粉活性材料或填料的水泥浆组成的复合材料,多用于建筑制品,如石棉水泥瓦、玻璃纤维水泥墙板等。②纤维砂浆。在砂浆中掺有纤维,多用于防裂、防渗结构。如聚丙烯纤维抹面砂浆。
1.3纤维与水泥的作用
1.3.1纤维的作用
①阻裂作用。纤维可阻止水泥基体中微裂缝的产生与扩展。这种阻裂作用既存在于水泥基体的未硬化的塑性阶段,也存在于水泥基体的硬化阶段。当水泥基体硬化后,内部产生的拉伸应力超过其抗拉强度时,纤维可承载一部分应力,从而减少裂缝的产生。②增强作用。添加纤维可以弥补水泥基体本身的不足,如抗拉强度低、内部缺陷等,在一定程度上提高其强度。③增韧作用。当水泥基体在外荷载作用下,发生开裂,纤维可使材料具有一定的延性,不至发生脆性破坏。
1.3.2水泥的作用
水泥基体在在纤维混凝土中起着三方面的作用,①粘结纤维。与纤维粘结在一起,成为一体,保护纤维。②承受荷载。水泥基体可使复合材料有较高的抗压强度。③传递应力。在外荷载作用下,最初与纤维共同承受拉应力,复合材料呈现弹性变形,一旦基体发生开裂后,通过与纤维的界面粘结将拉应力传递给纤维,减少了裂缝的产生。
1.3.3纤维与水泥的相互影响
在纤维混凝土中,纤维与水泥基体通过各种因素,既相互复合、取长补短,又在一定范围内相互影响,相互制约。①纤维的最大掺量。在水泥净浆和砂浆中,纤维的掺量可显著大于混凝土,这是因为混凝土中含有较多的粗集料,是纤维的掺量受到很大的限制。纤维增强水泥的纤维体积率高于纤维混凝土。②纤维的长度。纤维长度必须超过水泥基体中最大粒子的直径才能发挥纤维的增强作用。一般纤维最小长度在水泥净浆和砂浆均低于在混凝土中的长度。但是在混凝土中纤维的最大长度也受到一定限制,不宜大于50mm,否则纤维可能会打团,新拌的混凝土也不宜密实。③纤维的取向。在水泥净浆或砂浆中,纤维增强体可处于一维定向或二维定向或二维乱向,而在混凝土中绝大多数情况下只能限于三维乱向。当纤维体积率相同时,纤维在水泥净浆和砂浆中的利用率显著高于在混凝土中。
2纤维混凝土高温性能的研究现状
2.1研究
研究表明,800℃时,混杂纤维混凝土的抗折强度剩余率约15%,明显高于基准混凝土的抗折强度剩余率(约6%);抗压强度剩余率约15%,与基准混凝土的强度剩余率相当(约15%);劈裂抗拉强度剩余率约20%,明显高于基准混凝土的抗折强度剩余率(约10%)。另外混杂纤维明显提高了混凝土的抗爆裂性能。20世纪70年代,很多学者对普通混凝土高温性能的研究表明,混凝土结构在火灾受热过程中可能发生毁坏性爆裂,对于脆性和密度更大、渗透性更低的一般高强高性能混凝土,爆裂更易产生,导致材料强度损失甚至构件坍塌,而且应力越大,这种破坏越严重。通过许多学者对混杂纤维改善混凝土高温性能的研究,通常认为混凝土受热爆裂的过程,就是混凝土中水分从混凝土内部逸出的过程。对于高强度混凝土,由于其密实度高,孔隙率低,蒸发通道不畅,使水不能足够快地逸出,从而产生几乎达到饱和蒸汽压的过高蒸汽分压,远远超过混凝土抗张强度,导致混凝土不能抵御这种过大的内部压力而发生爆裂。高性能混凝土加入混杂纤维后,情况发生了变化。
2.2现状
针对纤维混凝土的优缺点,学者作了大量研究试验,纤维混凝土的高温性能在逐渐的改善。最近的研究表明,在混凝土内掺入一定量聚丙烯纤维可以起到防爆作用,欧洲一些学者的试验也证明了这点。基于这些研究成果,大量学者采用低熔点(聚丙烯纤维)及高熔点纤维(钢纤维)混杂,从增强混凝土高温力学性能及防爆裂方面进行了研究。随着研究的不断深入,技术水平也在不断提升,但是有许多不足有待完善。
3影响高温性能的因素
钢纤维对混凝土抗压强度和弹性模量的影响较小。在温度升高时,混凝土试块将产生较多微裂缝,随着钢纤维掺量的增加,钢纤维对裂缝开展具有一定的抑制作用,从而其高温后强度较素混凝土的高温后强度降低要小。在高温作用下,钢纤维主要是通过阻止混凝土温度裂缝开展、增强抗裂性能起作用,对高温后抗拉强度的降低作用小于抗压强度。
根据聚丙烯纤维对温度的反映不同,不同温度下,聚丙烯纤维均不同程度的降低了混凝土残余抗压强度。当温度超过聚丙烯纤维的熔点,混凝土内的聚丙烯纤维就会挥发逸出,并在混凝土中留下相当于纤维所占体积的均匀孔道,这对于混凝土内由于温度升高所产生的水蒸气和热量的排出都是很有利的,可以降低孔压力,改善混凝土的抗爆裂性能.基于以上特点,聚丙烯纤维被广泛用于提高高温下混凝土的抗爆裂性能。
4结语
本文通过对已有研究结果的分析,归纳,总结了纤维混凝土高温性能的研究现状以及不同纤维种类对混凝土强度的影响。目前国内对纤维混凝土的认识还需要很大的研究和投入。纤维混凝土高温性能的研究,在以后都生产建设与科学研究中,具有指导性的意义,同时要对该领域不断的进行探索。
参考文献
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化学纤维的应用范文篇10
国内的两组分定性定量研究主要集中在天然纤维与合成纤维的混纺。是否能解决同类纤维混纺的定性定量问题,还尚未有相关报道。本文综述了红外光谱在纺织定性和定量研究中的应用现状,对红外光谱在组分鉴别分析与成分含量测定等方面的应用进行了详细评述,并针对同类纤维混纺的问题,提出结合结晶度和差减光谱来定性分析的设想。
关键词:红外光谱;纺织;定性;混纺;定量
红外光谱(InfraredSpectroscopy,IR)的研究开始于20世纪初期。70年代,在电子计算机蓬勃发展的基础上,傅立叶变换红外光谱(FTIR)试验技术进入现代化学家的实验室,成为结构分析的重要工具。近几十年来一些新技术(如发射光谱、光声光谱、色-红联用等)的出现,使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展。红外光谱的应用包括有机化合物基团的检测、有机化合物的定性分析、检查分离过程和分离产物的检杂、红外定量分析、研究化学反应历程和机理、未知物的结构剖析等。在纺织工业领域中,红外光谱分析主要应用于成分的定性。对于混纺织物,由于谱图的叠加,特征峰的位置模糊,限制了其在纺织检测中的发展。国内外的研究仅局限于天然纤维与合成纤维的混纺,即谱图差异较大的两种纤维的混纺。在实际生产中,同类纤维(例如棉、粘)的混纺占据着较大的比例。能否用红外光谱分析技术对此种混纺织物进行定性与定量,还尚未有相关报道。
1红外光谱制样和测试技术进展
不同的样品制备与测试方法得到的谱图基本相似,但谱图质量上存在差异[1,2,3]。对于定性、制样和测试方法的不同对其影响也许不会很大。相比于定量,干扰因素较多,谱图质量直接影响定量分析的准确度和灵敏度。因此,要根据测试目的和测试要求采用合适的制样方法,这样才能得到准确可靠的测试数据。
1.1透射法技术
透射法是伴随着光谱仪的发明而率先采用的技术。这种方法检测结果稳定、实用,直到现在它仍是一项重要的应用手段。常规投射光谱制样方法分为压片法、糊状法和薄膜法。
1.1.1卤化碱(通常是溴化钾)压片法
溴化钾压片法是最早、最常用的纤维样品制备方法。氯化钾也可以用于压片法,但是由于氯化钾比溴化钾容易吸水,所以通常采用溴化钾。只有对分子结构中含有氯的样品,由于溴化钾和氯会发生离子交换影响谱图质量,才会使用氯化钾压片法。一般的纺织材料不涉及这一情况,因此在检测纤维混合物的混合比例等对制样技术要求很高的场合,常用的也是溴化钾压片法[1]。
1.1.2糊状法
糊状法又称糊剂法或矿物油法。此法是将固体样品与糊剂(如液体石蜡油)混合成糊状,然后夹在两片KBr盐片之间进行测定。由于夹在溴化钾晶片之间样品的量是无法确定的,所以,采用石蜡油研磨法制备样品不能用于红外光谱的定量分析。当然,如果采用内标法,还是可以进行定量分析的[4]。
1.1.3薄膜法
采用卤化物压片法或糊状法制样时,稀释剂或糊剂对测得的光谱会产生干扰。薄膜法制样得到的样品是纯样品,红外光谱中只出现样品的信息。薄膜法大多用于高分子材料红外光谱的测定。厚度在50μm以下的高聚物薄膜,可直接进行红外光谱测绘;而大多数样品需采用挥发成膜、熔融成膜和热压成膜等方法制样,并主要用于定性分析。随着红外光谱附件的种类越来越多,薄膜法制备红外样品的技术应用得越来越少[4]。1.2反射技术
透射光谱法在制样过程中会破坏聚合物的取向、结晶等物理性质,限制了红外光谱在聚合物物理结构表征中的应用。为解决透射光谱的这种局限性,一系列红外反射光谱技术在聚合物结构表征中得到应用,如镜面反射(SR)、漫反射(DRS)、光声光谱(PAS)及衰减全反射(ATR)等。
1.2.1镜面反射法(SR)
这个技术适合于不能或不便于用透射法测定的样品,如金属上的单层薄膜等,或具有强吸收带的聚四氟乙烯类聚合物。
理想的镜面反射光谱样品应该是光学平整、厚度无限大及均相。这在实际上是不可能满足的,但应尽量增强前表面反射光而减少漫反射和后表面反射光。镜面反射技术在聚合物的分子取向、分子构象、炭黑填充聚合物、表面改性聚合物及聚合物涂层等的结构表征中有着重要作用[5]。1.2.2漫反射法(DRS)
漫反射法是把纤维样品剪碎压片,或把织物样品不破坏直接放在漫反射支架上,入射的红外光不透过样品而是在其表面发生漫反射,通过接收漫反射的信号形成光谱,也可研究其吸光规律。
A.CHardy于1935年最早谈及漫反射法成为一种光谱测试技术,不过以前多是用来测定固体粉末和混浊液的紫外-可见光谱。70年代有了新型的傅立叶变换红外光谱仪,用迈克尔逊干涉仪代替了单色器,并采用了灵敏的硫酸三甘酞、汞镐磅等探测器,从而为该法延伸用于红外光谱区创造了条件[6]。
1.2.3光声光谱法(PAS)
邵学广、赵贵文[7]通过比较得知光声光谱的质量不受样品物理形状的影响,分辨率、信噪比等都明显优于红外光谱。特别是对于天然纤维羊毛、丝绸、棉、麻的光谱分析,光声光谱比所有文献报道的红外光谱都具有明显的优越性。
光声光谱法是于1880年就发现、20世纪70年代初期复活、至80年代才获得重大发展的一种新技术,目前已成为分子光谱学的一个重要分支。至今,PAS的许多工作已用来解释处于分子态或物理态的结构。因此,物理化学家、生物物理学家、材料科学家、表面化学家会对这种技术产生兴趣。但在纺织领域应用的报道甚少[8]。
1.2.4衰减全反射法(ATR)
用红外光谱技术鉴别纺织材料在上世纪60年代就已成为一门成熟的技术。对纤维、织物定性研究,衰减全反射法可获得神奇的结果,而且不需要样品制备,即研磨、浇注薄膜、涂料萃取、涂层剥除等都不需要。样品直接放在ATR附件上测定,是一种无损鉴定和快速的检测方法[9]。阎巍、张金庄[10]利用傅立叶红外光谱(ATR)法对同种颜色(红色)不同品牌不同厂家的毛绒纤维样品,同一品牌相近颜色的纺织纤维样品,同种颜色(红色)不同品牌不同厂家的羊绒、腈纶纤维样品进行种类上的区分。通过重复性试验,证实了其试验结果准确可靠。
1.3显微红外光谱法
红外显微镜按其光学性质不同,一般分为四大类产品,其主要区别是红外物镜。掠角式红外显微镜主要用于研究表面单分子层的取向,内反射式红外显微镜主要用于测定含有水分的样品,投射式红外显微镜用于测定可透过红外光的样品,反射式显微镜主要用于测定样品的表面和污染物[11]。显微红外光谱分析法对交通事故中的单丝纤维、进口显像管中石墨涂层材料中有机分散剂、玻璃纤维材料中粘合剂、覆合层高分子材料等混合物进行微区化学成分分析均取得了较为理想的测试结果[12]。
2红外光谱仪的定性分析
目前,鉴别纤维成分的方法有很多,物理方法有感官法、密度法、熔点法、色谱法等,化学方法有燃烧法、溶解法、热分解法、试剂着色法等。考虑到各种方法的实用性以及可操作性,对于纤维成分的鉴定,现在主要应用的方法为显微镜观察法、燃烧法以及溶解法。然而随着新型纤维不断应用在纺织品领域,仅仅用这几种方法很难断定纤维成分,这时,红外光谱法就显示了其优越性[13]。
2.1纯纺织物的鉴别
不同的纤维具有不同的化学基团、不同的分子结构,因而在红外光谱中会出现不同的特征吸收,对已知纤维的红外光谱图与未知纤维的红外光谱图进行比较,就可以对纤维的种类进行定性[14]。
但纤维素纤维红外光谱特征相似,形状上一致,主要基团和键的位置基本上未发生位移,利用红外光谱法鉴别纤维素类纤维较困难[15]。
应用模式识别和可见及近红外光谱技术建立纺织纤维鉴别的模型。采用主成分分析和最小二乘支持向量机相结合的方法,优化了常规的模式识别方法,大大提高了识别的精确度[16]。红等[17]运用近红外反射技术与化学模式识别相结合,采用了主成分分析和判别分析方法来处理Tencel、棉、粘胶、铜氨等4种纤维的近红外光谱数据,建立分析模型,可以快速、准确、有效地对Tencel纤维与其他纤维素纤维作出鉴别。
对于麻类纤维的定性,可采用红外光谱、X-荧光光谱、观察纤维灼烧残渣的形态和纤维旋转方向等手段常用麻纤维
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化学纤维的应用范文篇11
关键词:CNAS;纤纺:实验室:技术参数;技术能力;评价
实验室技术能力评价是实验室认可管理及现场评审环节中的一项重要内容,目前国内纤纺实验室技术能力评价原则上是根据检验机构的主要检验内容(即技术参数),由评审人员通过现场试验、利用能力验证结果、测量审核(盲样试验)、利用实验室间比对结果、现场演示、现场提问,核查仪器设备等方法,对被认可实验室的技术能力给予确认。
纤纺实验室技术能力所涉及的技术参数不仅数量大,而且类型多。为此,我们进行了一项调查,按棉纤维,毛绒纤维、茧丝、麻纤维,化学纤维等纤维产品类别以及纺织产品的安全(生态)卫生性能、纤维含量,染色牢度及其他理化性能等试验方法类别,对纤检、质检、检验检疫以及行业、企业、科研院所等各类纤纺实验室具备的技术能力进行统计。
参加调查的52家实验室分别来自全国17个省,自治区,直辖市,均为纤纺检验业务活跃地区。这些实验室以第三方实验室为主,占调查总数的86.6%;参与调查的实验室中有76.9%为CNAS认可实验室。
调查结果显示,纤纺实验室的技术参数(检验项目)种类繁多,由于纤纺专业各实验室的主要业务内容侧重点不同,有些实验室间的技术内容差异较大,各技术参数在纤纺实验室之间的分布是不均匀的,而且实施的频次也有较大差异。
为能够准确,有效地开展纤纺实验室技术能力评价活动,对纤纺实验室技术参数实行分类型、有重点、有针对性的评价是非常必要的。
1纤纺实验室技术参数类别
纤纺实验室技术参数纷繁复杂,门类众多,明晰纤纺实验室技术参数的类别,有助于对相应类别的技术参数有的放矢地实行有效的能力评价。
按产品属性可分为:棉纤维,毛绒纤维、茧丝、麻纤维、化学纤维、纱线,纺织品、针织品、服装,床上用品、毯类,复制品、土工织物、涂层织物等产品类别。
按参数属性可分为
物理性能、化学性能、染色牢度、卫生性能等类别。其中物理属性中又可分为形态结构、力学性能、热学性能,电学性能、光学性能、服用性能等特性类别;化学性能主要包括成分分析、化学性质检验,有害物质分析等特性类别:染色性能主要包括光,洗,水、汗、摩等条件下的染色牢度;卫生性能目前以微生物检测为主要内容。
按检测手段可分为:感官检测(评价),手工操作检测、仪器检测以及多种手段相结合等类型。
按标准样品(参考物质)的使用情况,可分为需要应用标准样品(参考物质)和不应用标准样品(参考物质)两类。
2纤纺实验室技术参数分析
由纺织纤维类检测方法的相关数据可知,检测方法中与感官检测及手工操作相关的内容比重分别达到12.9%和25.0%,两者之和与仪器检测方法的比重基本相当。由于感官检测及手工操作的特殊性,因而在各纤纺实验室中,特别需要强调对感官及手工检测人员的培训、考核和比对。
安全(生态)项目涉及的内容主要是有毒有害物质含量分析(化学分析),除甲醛,pH值外,所涉项目检测手段基本上采用气相色谱仪,高效液相色谱仪、气一质联用仪、液一质联用仪、原子吸收光谱仪、ICP等大型现代化学分析仪器。由于安全性检测的强制性以及生态纤维制品的发展趋势,现代化学分析仪器的使用已成为纤纺实验室技术能力的主要方面。该类检测的特点是需要相应种类的标准样品,需要对样品进行萃取性前处理。
纤维制品卫生性能检测的内容目前以微生物检测为主,这也是纤纺实验室的新拓展领域。
纤维制品中的纤维含量分析是一类较为独特的检测参数,其检测过程既有物理的也有化学的,两者比例接近。物理过程一般采用手工分离、显微镜下辨别,光谱分析等手段,涉及感官检测;化学过程以溶解法为主要手段,涉及化学试剂的使用,为典型的化学检测。在检测手段上,感官辨别是区分各种同质天然纤维,如毛与绒纤维、棉与麻纤维最直接有效的方法。
纤维制品染色牢度项目是纤纺技术参数中具有特色的一类。该类检测的主要特点是方法数量庞大但形式相对单一,尽管各方法要求的作用条件不同,但操作手法较为近似。绝大多数方法需要使用标准样品(标准试剂,标准贴衬织物、蓝色羊毛标准样品等)及配制试液,检测结果的评价目前以感官(目光)评价为主。
除了安全(生态),卫生性、纤维含量、染色牢度以外,纤维制品的其他技术参数绝大多数为物理参数(95.7%);较多方法涉及仪器检测(88.2%),部分方法(如,起毛起球、耐磨性)涉及标准样品及感官评价(15.1%)。
综合考虑,纺织纤维的技术参数可按照产品属性分类,纤维制品的技术参数可按照物理、化学、染色牢度及微生物检测四大类参数属性分类,纤纺检测手段可分为感官检测(评价)、手工操作、仪器检测三种基本类型,并可建立技术参数与参数属性、检测手段特征的对应关系。
3纤纺实验室技术能力评价方法
以上内容对目前纤纺实验室所涉及到的主要技术参数进行了较为全面的剖析。将各技术参数c具体到对应的多个方法标准)的检测技术特点一一展开,从而为提出合理、准确、有效的评价方法提供基础。
虽然在纤纺专业技术参数中物理检测占大多数,但近年来化学检测及染色牢度检测在纤纺领域的重要性不断增强,与安全、生态相关的检测项目基本上均为化学检测和染色牢度检测;另外,微生物检测也已成为纤纺专业技术参数的新领域。因此,对纤纺专业技术能力的认可应该是多学科、跨领域的。
目前纤纺实验室认可活动的主要依据之一,CNASCL18《检测和校准实验室能力认可准则在纺织检测领域的应用说明》只涉及感官检测(评价),手工操作等传统纤纺检测特点,存在与纤纺实验室的技术现状不相符的情况。尽管实验室认可准则在化学检测领域及微生物检测领域均有单独应用说明,但由于各领域的检测特点,因而有理由认为,应该使实验室认可准则在纤纺检测领域的应用说明体现出纤纺专业化学检测及微生物检测的特殊要求。有必要在CNASCL18《检测和校准实验室能力认可准则在纺织检测领域的应用说明》中增加相应的适当内容。
同时,为了提高纤纺实验室检验结果的可靠性,各纤纺实验室应根据自身的技术特点,重点关注人员,环境、方法、设备、校准、检测结果、质量控制等方面的技术内容。
化学纤维的应用范文篇12
TOPIC1
化纤智能织造时代来了
近两年来,“工业4.0”的概念出现在媒体和公众视野中的频率越来越高,“智能工厂”、“智能织造”等概念也随之而来。
据AC自动机械有限公司董事长RolfK.LGAENZ介绍,“工业4.0”其主要趋势是把生产信息链每一个环节的信息都进行交互,这其中也就包含了工业链的外部,这种能够直接与客户需求进行交互的生产模式被称为“智能工厂”。智能工厂的目的是实现自我监控与自动控制生产,这两点都需要基于对相关数据和信息的及时处理与反馈。通过这种信息的互通与交联,生产过程将会变得越来越灵活。
“我们公司在2009年就已经收购了Autefa公司的长丝自动化设备部门和欧瑞康的前子公司品牌,现在我们已经成为世界上最先进的长丝自动化设备供应商之一。当然我们也不会止步,而是会一直专注于开发世界上最为先进的自动化系统,满足将来全自动化的生产需求。”RolfK.LGAENZ说道。
世界范围内的“智能织造”已经来了,那么对于中国化纤行业而言还会远吗?
对此,东华大学研究院副院长王华平就表示,我国是名副其实的化纤制造大国,随着世界制造业进入新一轮的分工调整,我国制造业的核心竞争力不足,国内资源、环境与劳动力要素制约加剧,生产成本的上涨及市场同质化和产业转移,使得化纤行业过去主要依靠数量、成本竞争的发展模式已经难以为继。纺织企业的竞争,已经从规模型扩张转入到质量效益型扩张。纺织制造数字化、智能化是发展的大趋势,是纺织业由大转强的核心技术,纺织制造技术创新是数字化、智能化、集成制造技术,通过提高纺织行业智能化、自动化、连续化水平,才能更好地实现我国纺织强国战略。
“从去年调研江苏纺织全产业链百余家企业来看,行业确实应该要降低纺织企业信息化的建设和使用门槛。智能化,肯定是有好处的,它是行业实现‘互联网+’的重要切入点,能整体提升纺织化纤行业的信息化水平。”教育部战略研究中心云计算首席科学家史爱武说。
在金电联行(北京)信息技术有限公司执行副总裁艾小缤看来,大数据时代的来临,智能织造的到来,正在驱动着纺织化纤业出现变革。新一波生产率增长和消费者盈余浪潮随之而来,使得人们也在用数据视角重新认识纺织化纤业。
“纺织化纤业既是数据的生产者、拥有者,也需要逐渐成为数据时代的使用者、受益者,通过科学计算,挖掘行业内的数据金矿和价值。所以金电联行正在与北京三联虹普新合纤技术服务股份有限公司合作,携手打造大数据驱动的‘互联网+’创新模式,用科技的力量助推行业调整与变革,开启行业的大数据客观信用之路。”艾小缤表示。
三联虹普作为业内的知名企业,提出了化纤行业“智能织造”中的“锦纶纺丝4.0整体解决方案”。“我们确实看好智能织造,并且希望可以早点实现锦纶纺丝全流程智能生产的目标。”三联虹普纺丝工程部经理于佩霖说。
TOPIC2
先进技术擎起行业旗帜
从无到有,从简单到复杂,中国化纤企业一同见证了中国制造举世瞩目的发展。现如今,中国的化纤业也正走在从生产大国向生产强国进军的路上,化纤企业的外部生存环境已经发生了巨大的变化,上下游产业链融合的需求进一步体现。而化纤行业的领头者们需要有更宽的视野,针对客户需求更需要有细致的理解,来创造新的创业环境。
提到先进纤维技术不得不提的就是日本,作为传统的纤维大国,日本一直以技术走在世界前列,帝人、东丽等日本企业的纤维技术一定程度上就代表了世界纤维技术的前进方向。
帝人集团技术战略部分管部长宫坂信义表示,帝人在中国设立的浙江佳人新材料有限公司一方面承袭了来自日本的先进纤维技术,另一方面也在满足着中国对技能环保、绿色可持续发展的要求。佳人利用世界最先进的化学法循环再生技术,以及聚酯的循环型回收再生体系ECOCIRCLE,并通过推广这一技术和体系而培育的商业模式所积累的知识经验,将中国原本只是进行焚烧处理的废旧衣物进行回收再利用,逐步建立起中国特有的循环型再生体系。
对于东丽而言,这些年来在纳米纤维的研发和应用方面,也是下了不少功夫。据东丽纤维研究所(中国)有限公司董事长前田裕平介绍,共混纺丝技术的发展已经经历了50个年头,而这项技术的最新成果就是促成了纳米纤维的诞生。“根据目前东丽研究的成果,利用混纺,纳米纤维的纤度可以达到60nm,而利用喷丝头纺丝技术,可以生产均匀的圆形及非圆形切面纳米纤维。”前田裕平说。
“日本的纤维技术确实值得业内去学习,不过也应该看到国内的技术进步也非常快。在过去二十年时间里,我一直在研究纳米纤维的制造及其批量化,探索了多种多样的静电纺丝方法,我们还发明了一种纳米捻线制备解决工艺。目前,我们已经成功开发出了熔体微分静电纺丝商业化技术及其装备,制备的纳米纤维有望应用于高效空气过滤、海上漏油处理及水处理等领域的设备。”北京化工大学机电工程学院教授杨为民这样表示。
“无论化纤行业将朝着怎样的方向发展,都不得抛弃行业发展的根本――技术,以及作为促进行业系统工程进一步深度融合和新型产业的交叉重点――应用。根据目前行业的情况和我们研究的结果,导电纤维现在已经可以应用于功能性发热服装;中空纤维可以应用于医用临床载药;冰霜纤维应用于功能性人造皮革,并且正在等待产业推广;壳聚糖纤维已经可以应用于儿童一些疾病的治疗,目前这项研究得到了山东海斯摩尔生物科技有限公司和香港科技署的赞助,并和台湾泡泡龙病友协会进行了合作。”香港理工大学助理教授、博士生导师介绍了她所了解的一些情况。
东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳表示,近年来,随着科学技术的进步和人们生活水平的提高,可穿戴电子产品得到了快速发展,但是为其提供能源的储能设备则体积较大、僵硬,不能满足未来的发展需要。而石墨烯纤维具有良好的力学强度、柔韧性和导电性,并且可以很方便的编织到织物中,因此由其制备而成的超级电容器可以说是可穿戴电子产品储能设备的最佳选择。但是也存在一些现实问题,会限制其实际应用。“在这种情况下,我们找到了一种有效提高石墨烯纤维超级电容器电化学性能的方法,提高了产品的整体性能。不得不说,这就是借助了先进纤维技术所尝到的甜头。”朱美芳说。
以学融技,以纤提艺,期待行业可以借助先进纤维技术在新的里程中越走越顺。
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功能性纤维风头不减
事实上,对于化纤行业来说,在“智能织造”来临之时,功能纤维将迎来良好的发展机遇。
“在我看来,功能性纤维比例的不断增长是非常正常的,常规纤维出现下滑的原因很大程度上是由于规模的过度扩张和市场需求的下滑,功能性纤维的发展则是现代纤维科学进步的象征。功能性纤维、差别化纤维和高性能纤维的发展为传统纺织工业的技术创新,向高科技产业的转化创造了有利条件,为人类生活水平的提高作出了贡献。这条路肯定是要走的,别人走,你不走,就意味着落后。”恒力集团研发部部长金管范介绍道。
同样在化纤行业内历练多年的吴江新民化纤有限公司总经理戴建平对此也深有感触。在他看来,目前国内化纤产能的阶段性过剩已经成为一种现实,在这种情况下,再盲目地新上产能、做常规纤维品种已经没有出路。而开发具有一定潜在功能的聚酯材料系列产品,并且在后加工应用中体现其功能特性以适应市场的需求,才是王道。
而具体到功能性纤维的研发与应用方面,不少企业也已经迈出了步伐。赛得利集团高级商务副总裁潘伟业曾在陶氏化学任职21年,对于功能性纤维的发展也看得比较清楚,他认为,再生纤维素纤维目前的市场需求和潜力都有待企业重视和发掘。“再生纤维素具有光滑凉爽、透气、抗静电、染色绚丽并且天然可降解等特性,是符合消费者要求和服装行业发展的纤维,整个行业也应该进一步从终端消费者需求上重塑再生纤维素的纤维价值。”
随着国民经济的发展,人们安全防护意识也在不断提高,生产安全和反恐防恐的需要,使得阻燃纤维这种功能性纤维的发展也迎来了新一轮的机遇。近两年来,阻燃抑菌聚酰亚胺纤维、碳纤维、阻燃粘胶纤维、阻燃涤纶、PBI纤维、PBO纤维等阻燃纤维材料发展很快,这些纤维材料及其相关制品在隔热、防火阻燃、耐高温、耐磨、不易变形等安全防护服装和安全防护产品应用方面也呈现出了快速增长的势头。
“但是我也想强调一点,目前,国内生产企业在关注自身技术和产品研发的同时,还应该加大产品应用的技术开发力度,突出产品应用特点和重点,联合下游企业打造可持续发展的产业链条。”总后勤部军需装备研究所教授级高工郝新敏建议道。