第十五章
高溫穩定性和
高性能纖維材料
•一、引言
•高溫穩定性和耐火性有關,以高溫穩定纖維的基 團來分類,可分成有機纖維與無機纖維,1耐火性 纖維2高性能有機纖維3高性能無機纖維。
•二、耐高溫及耐火焰纖維
•1. 簡介
•耐高溫的要求為1高熔點2高硬度3尺寸安定性,
都屬於芳香聚醯胺類。高分子量芳香聚醯胺纖維 是由二胺與氯化二酸在醯胺類溶劑中經界面聚合 法或溶液聚合法的低溫聚縮合聚合體經溶液紡絲 而製得者。
•2. 化學結構式
•3. 防火性
•限制氧指數(Limited Oxygen Index,
LOI)來測量,也就是在氮氣中支持燃燒所 需氧氣的最小體積比率。高的LOI指數表示 具有高的防火性能。
•4. 娜美絲(PMI)
•(1)製備:
• PMI纖維是由間─一次苯基二胺與異 基二酸溶於二甲醯胺中發生聚合作用,然 後將聚合體溶液在200~212℃的熱空氣中 乾式紡絲後捲取,再經冷水中引出,復在 蒸氣中以牽伸比5.5進行延伸。
•(2)物理性質:
•在室溫娜美絲的強度可與高強度尼龍─66 相比,娜美絲比尼龍─66具有更高的耐酸 性、耐蒸氣性、抗β與r射線性,但對紫外 線則有些微衰解作用,娜美絲比尼龍─66 和聚酯纖維更能耐褶曲和耐磨擦,是低燃 性。Tm是375℃,水的重量損失是在
100℃附近。在100~300℃間重量無多大 變化。在400℃以上則重量損失率逐漸增 高。在450℃時則達到最大的損失率。相當 於DTA 440℃的吸熱。Tg約在275℃。
•(3)微細構造:
• 三斜晶系,單胞,苯環幾乎平行(110) 平面,一組氫鍵也幾乎與a軸平行,
•另一組則與b軸平行。這個結晶有三度空間 類似梯狀的結構。
• 娜美絲(PMI)在電子束下比PPT纖維較 不穩定,但比PET則較穩定,PMI
•包含結構上的表皮(skin)和皮質(core),
表皮保護纖維使其能抗化學藥品和耐高
•溫,皮質提供優良的物理和機械性質。
•5. 肯娜Kynol
•(1)製備:
• Kynol纖維是由低分子量的酚─甲醛樹 脂以熔融紡絲法而獲得。然後加熱處理
(cure)而生成高交鏈的分子。樹脂的製備 是由酚、甲醛和水的混合物,在加入濃硫 酸,使發生作用。聚合體在空氣中紡出、
捲取,再在氣相或液相(在100~150 ℃,
6~8小時)的甲醛中熱處理而製得。
•(2)物理性質:
• 肯娜比娜美絲的物理性質為差(表
一)。它具有一不尋常的應力─應變曲線(圖 六),在伸長量超過9%以後,則應力明顯 的減少,它的張力(tensile strength)隨纖 維直徑增加而降低,雖然肯娜耐高溫不及 娜美絲,但其耐火焰性則較高。事實上在 高溫下,隨著二氧化碳和水的逸出,娜美 絲即變成碳纖維(carbon fiber)的結構。
•(3)微細結構:
• 唯一的特徵顯示了鏈分子並無結晶光 環及順向結構,只有不規則的交鏈存在。
藉著拉伸可以獲得些微的順向,不過它的 應力─應變曲線變的較像娜美絲。當加熱 後表皮和皮質分開,因此表皮與皮質的不 平衡,導致產生不尋常的應力與應變曲 線。
•6. 克美爾 Kermel
•(1)製備:
• 由無水苯三甲酸(trimellitic
anhydride)與二醯胺或二異氰胺鹽聚合而 成。
•(2)物理性質:
• 有良好的尺寸安定性。
•7. Enkatherm
•(1)製備:
• 由oxamidrazone和對二苯醯氯
(terephthaloyl chloride)的界面縮合,
Enkatherm是PTO纖維與金屬螯合(Chelation) 而成。
•(2)物理性質:
• 有極高的耐火性,有13%回潮率,因此這種 纖維適合於衣著之用,從應力─應變曲線觀察顯 示具有良好的彈性和彎曲性。
•8. 應用
• 熱穩定性纖維主要應用於保護衣服,以免高 溫灼傷的危險。
•三、高性能有機纖維
•1.簡介
•具有抗張係數(tensile modulus)大於
40GNm-2者,由於分子結構的模式限制了 高係數與高強度,對於聚合體結晶學的詳 細研究,使我們了解纖維構造與物理性質 的關係。根據結晶學聚乙烯
(Polyethylene)、聚醯胺(Polyamides)及 聚酯(Polyester)都具有形成摺疊鏈的結
晶。因此我們明瞭纖維牽伸到自然延伸比 (4~10之間)仍然具有大比例的分子摺疊鏈 的存在。
•所以施以張力作用仍有負荷是由連結分子 (tie mole-
•cular)所負擔的。當選擇適當的分子量延伸 在適當的溫度下,可使摺疊鏈完全解開而 使在高牽伸率下得到伸展鏈的纖維。在超 牽伸過程中,則將使摺疊鏈減少。PPT纖維 則較接近理論係數,這便達到伸展鏈結構 的目的了。
•2.克夫勒(PPT)
•(1)製備:
• PPT是由─氯化苯二醯
﹝C6H4(COCl)2(terephthaloyl chloride)﹞和對─苯二胺
﹝C6H4(NH2)2(P-Phenylene diamine)﹞。
•(2)物理性質:
• 克夫拉49具有傑出的高強度和斷裂伸 度,太空級的克夫拉49須具有3.5 GNm-2 的抗張強度。比強度與比係數是強度與係 數對比重的比值,圖十顯示克夫拉49具有 傑出的比強度,使得此種纖維對補強複合 材料特別適用。可惜它的壓縮強度卻很 低。Kevlar纖維有優良的熱穩定性。在
560℃顯示熔融吸熱。在590℃顯示熱分解 吸熱,測得Tg在300℃左右,Tg/Tm比為 0.68,與一般聚合體的0.66相似。
•(3)微細結構:
• 顯示增加的係數與良好的順向有關。
顯示了非常規則的格子構造,細胞是單斜 晶系。
•3.克夫拉纖維的應用
•應用於繩索電纜,高耐衝擊性,作鋼盔或 防彈衣。克夫拉纖維補強塑膠(KFRP),
KFRP也應用於運動器材,特別是高爾夫球 桿、網球及曲棍球桿。最近的發展趨勢,
即結合Kevlar和碳纖維所形成的混成複合 材料(Hybrid Composite),不但成本降 低,而且性能更為優越,因此它的應用範 圍已逐漸擴大。
•四、高性能無機纖維
•1.簡介
•無機物料如碳、硼、鎢、三氧化二鋁、碳 化矽、四氮化三矽、等都具有高融點、高 抗張係數、低密度等優點,使得此種材料 對複合材料具有良好的補強性質。對於這 些性質的使用,只有一種缺點就是必須作 成高抗張強度的纖維形式。硼─環氧的複 合材料。製造碳纖維的原料有嫘縈、瀝青 (pitch)、木質素及聚丙烯腈等。
•2.聚丙烯氰的碳纖維
•(1)製備:
•(2)物理性質:
• 因為碳纖維大部分用於強化塑膠(CFRP) 中。 (表三)
•(3)微細構造:
• 只有Type I纖維含相當程度的表皮與皮 質。表皮在結構內則少於百分之十。
•3.碳纖維補強塑膠的應用
•(1)運動器材:
•(2)太空航空:
•(3)汽車工業:
•(4)一般工業: