第四節(jié)　PPS、PEEK、PTFE及PI纖維

一、PPS纖維

PPS纖維是聚苯硫醚（polyphenylenesulfide）纖維的簡稱，是由結(jié)晶型熱塑性工程塑料聚苯硫醚樹脂經(jīng)過紡絲制成。其重復(fù)結(jié)構(gòu)單元如下：

1979年美國Phillips公司合成出適于紡絲的高分子線型PPS樹脂并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，Phillips公司生產(chǎn)出商品名為“Ryton”的PPS纖維。之后，日本東麗、東洋紡、吳羽公司相繼進(jìn)行了PPS纖維的開發(fā)。目前，全球范圍內(nèi)只有少數(shù)幾家大型化學(xué)公司在生產(chǎn)PPS纖維，日本公司的產(chǎn)品占據(jù)主要市場。日本東洋紡公司的注冊(cè)商標(biāo)為Procon，日本東麗公司的注冊(cè)商標(biāo)為Torcon，美國Phillips公司的注冊(cè)商標(biāo)為Ryton。

中國于20世紀(jì)90年代開始開發(fā)PPS纖維，四川省紡織工業(yè)研究所與四川大學(xué)合作全力以赴進(jìn)行PPS纖維的研究開發(fā)。2006年，江蘇瑞泰科技有限公司根據(jù)與四川省紡織工業(yè)研究所共同開發(fā)的技術(shù)，成功進(jìn)行PPS纖維試生產(chǎn)，并在年產(chǎn)1500t規(guī)模的工廠中開始生產(chǎn)PPS纖維。但是，目前該公司PPS纖維在長時(shí)間使用時(shí)耐熱性上比國外PPS纖維的要差。

（一）PPS纖維的性能

PPS纖維機(jī)械性能好，耐熱性和熱穩(wěn)定性高，耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)異，阻燃性、電絕緣性等也非常好，加工性能良好，綜合性能出色。

1.力學(xué)性能　聚苯硫醚纖維結(jié)晶度較高，力學(xué)性能與其他高性能纖維比較接近，而且尺寸穩(wěn)定，完全滿足使用要求，性價(jià)比高。PPS纖維基本物理性能及其與其他纖維的比較見表2-8。

表2-8　PPS纖維基本物理性能及與其他纖維的比較

注　〇代表良；△代表中；×代表差。

2.耐熱性和熱穩(wěn)定性　PPS纖維玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為88℃，結(jié)晶溫度（Tc）約為125℃，熔點(diǎn)（Tm）達(dá)到285℃，與常規(guī)合成纖維相近。耐熱性好，可在溫度190℃以下的空氣中連續(xù)使用（暴露在空氣中105h，強(qiáng)度保持率依然在50%以上）；160℃高壓釜汽蒸160h，強(qiáng)度保持率在90%以上。

PPS纖維在高溫下仍具有很好的強(qiáng)度、剛性及耐疲勞性，可在200～240℃下連續(xù)使用，在低于400℃的空氣或氮?dú)庵芯^穩(wěn)定，基本沒有重量損失；在204℃空氣中2000h后強(qiáng)度保持率仍然有90%，5000h后強(qiáng)度保持率為70%，8000h后強(qiáng)度保持率依然接近60%；在260℃空氣中1000h后有60%的強(qiáng)度保持率；在175℃下處理104h后強(qiáng)力保持率為55%；在230℃下處理104h后強(qiáng)力保持率僅為47%；空氣中溫度達(dá)到700℃時(shí)發(fā)生完全降解。

3.阻燃性　PPS按UL標(biāo)準(zhǔn)屬于不燃；自身阻燃，極限氧指數(shù)可達(dá)34%～35%，著火點(diǎn)為590℃；在火焰上能燃燒，燃燒呈黃橙色火焰，并生成微量黑煙灰，離開火焰燃燒立即停止，無滴落物，形成殘留焦炭，發(fā)煙率低于鹵化聚合物，煙密度和續(xù)燃性低；不需添加阻燃劑就可以達(dá)到UL-94V-0標(biāo)準(zhǔn)。

4.耐化學(xué)性　聚苯硫醚高聚物分子主鏈上含有硫醚基，結(jié)構(gòu)對(duì)稱無極性，因此PPS纖維的耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)異，僅次于聚四氟乙烯（PTFE）。PPS纖維耐非氧化性酸、熱堿液性好，稀H2SO4和NaOH對(duì)纖維性能的影響較小；而HNO3對(duì)纖維性能的影響較大，濃H2SO4和濃HNO3等強(qiáng)氧化劑能使PPS纖維發(fā)生劇烈的降解；在有機(jī)酸、酯、醇、酮、烴類、氯代烴和芳香烴中不受侵蝕；250℃以上能溶于聯(lián)苯、聯(lián)苯醚及其鹵代物，對(duì)甲苯和氧化類溶劑等抵抗較弱。耐化學(xué)穩(wěn)定性極佳，在高溫的無機(jī)試劑中放置7天后其強(qiáng)度基本不損失。PPS纖維主要耐化學(xué)品性能見表2-9。

表2-9　PPS纖維主要耐化學(xué)品性能

5.其他性能　PPS纖維的密度約為1.34g/cm3，介電常數(shù)為3.9～5.1，介電強(qiáng)度（擊穿電壓強(qiáng)度）為13～17kV/mm，在高溫、高濕、變頻等條件下仍能保持良好的絕緣性；PPS纖維強(qiáng)度、伸長率和彈性等力學(xué)性能與聚酯相差無幾，紡織加工性能良好；PPS纖維耐磨性能優(yōu)異，1000r/min時(shí)的磨耗量僅為0.04g；PPS纖維吸濕率低，在相對(duì)濕度為65%時(shí)，吸濕率為0.2%～0.3%，幾乎全部是表面水分的作用；PPS纖維保溫性優(yōu)良，相對(duì)熱傳導(dǎo)率為5W/（m·℃）；PPS纖維大分子中有硫原子存在，對(duì)氧化劑比較敏感，耐光性較差。

PPS纖維的部分其他性能見表2-10。

表2-10　PPS纖維部分其他性能

（二）PPS纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

PPS纖維是可在高溫環(huán)境中使用和耐磨損的少數(shù)幾種纖維材料之一，其較高的熔點(diǎn)和在苛刻環(huán)境中的穩(wěn)定性使其在高溫濾塵、化工過濾材料，在保溫、絕緣材料等方面得到應(yīng)用。隨著電子、航空航天、國防技術(shù)的發(fā)展，PPS纖維市場前景十分廣闊。PPS纖維在各領(lǐng)域中的應(yīng)用見表2-11。

表2-11　PPS纖維在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

1.高溫粉塵濾袋材料　在國外，PPS纖維早已被確認(rèn)是主要的特種功能過濾材料，主要用于火力發(fā)電廠、燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐以及取暖燃煤鍋爐粉塵濾袋的過濾織物。早在1979年，歐美等發(fā)達(dá)國家就將PPS針刺濾料應(yīng)用于燃煤鍋爐袋式除塵器中。目前袋式除塵設(shè)備已占燃煤電力、燃煤鍋爐除塵設(shè)備的80%左右，其濾袋材料全部采用PPS纖維。

在國內(nèi)，PPS纖維也已被國內(nèi)環(huán)保設(shè)備生產(chǎn)廠家與環(huán)保設(shè)備應(yīng)用企業(yè)認(rèn)識(shí)，并確立了該產(chǎn)品在環(huán)保行業(yè)的重要地位，尤其是在燃煤電廠、工業(yè)燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并有逐步替代靜電除塵的趨勢。

2.化工過濾材料　利用PPS纖維的耐熱、耐酸堿腐蝕性和低的含濕率，可以用PPS纖維制成針刺非織造布，用于熱的化學(xué)品過濾。如高溫磷酸過濾、氯堿工業(yè)的過濾材料等。目前，該行業(yè)年實(shí)際需求量為500t左右，每年以20%左右的速度遞增。

3.防護(hù)材料　利用PPS纖維的耐熱性及阻燃性制作耐高溫、阻燃防護(hù)服。利用PPS纖維優(yōu)異的絕緣阻燃性能及耐磨性能，制成電絕緣材料，用于F級(jí)、H級(jí)電纜和電器絕緣材料。將PPS纖維用作宇航和核動(dòng)力站所需的各種織物，如涂層織物、防輻射織物、防輻射軍用帳篷、導(dǎo)彈外殼、隱形材料等。利用PPS纖維開發(fā)保溫衣用材料。日本東麗公司利用PPS纖維的熱遮蔽特性，開發(fā)出使用PPS復(fù)合絲的保溫衣用材料。

4.復(fù)合材料　PPS纖維與碳纖維、芳綸等混織可作為高性能復(fù)合材料的增強(qiáng)織物。

二、PEEK纖維

PEEK纖維最早由英國Zyex公司于20世紀(jì)80年代中期推向市場，商品名為“Zyex”，因其具有優(yōu)良的耐熱性、耐腐蝕性、耐摩擦性、電絕緣性及阻燃性能等，目前已在航空、航天、阻燃防護(hù)服及許多工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。PEEK纖維的出現(xiàn)將為高性能纖維增加一個(gè)新的重要品種，并能為高聚物材料開辟新的更廣闊的應(yīng)用范圍。

另外，Zyex公司還研制出了一種可耐高溫并可用于制造輕質(zhì)耐磨損織物的中空PEEK纖維，并申請(qǐng)了專利。這種纖維的外徑為0.07～0.8mm，其體積空隙率達(dá)80%，其耐磨損性可達(dá)實(shí)心單絲的3～4倍之高。

國內(nèi)一些紡織、環(huán)保企業(yè)開始采用進(jìn)口或國產(chǎn)PEEK樹脂進(jìn)行紡絲與應(yīng)用研究，這加速了我國PEEK纖維從科研向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變的速度。由于國內(nèi)紡絲級(jí)PEEK原料的研究和開發(fā)相對(duì)落后，尚不能滿足正常紡絲的要求，目前PEEK纖維及應(yīng)用產(chǎn)品主要靠國外進(jìn)口。

（一）PEEK的結(jié)構(gòu)與性能

PEEK纖維是一種半結(jié)晶的熱塑性高性能纖維，PEEK是一種線性全芳香族結(jié)晶聚合物，分子式：

由于其分子鏈具有剛性的苯環(huán)、柔順的醚鍵及提高分子間作用力的羰基，并且分子鏈段結(jié)構(gòu)規(guī)整，因此PEEK纖維有許多優(yōu)異的性能。

1.耐高溫性　PEEK纖維無論在空氣中還是在水蒸氣中，所具有的良好耐高溫性能都是其他纖維無法比擬的。有研究表明，PEEK纖維在270℃熱空氣中老化50天后，強(qiáng)力保持了79.7%，在300℃還能保持一定強(qiáng)度，其連續(xù)使用溫度接近260℃。另外，PEEK纖維的熱穩(wěn)定性很好，在空氣中的起始分解溫度達(dá)560℃。

PEEK纖維的熔點(diǎn)很高，在250℃條件下各項(xiàng)性能表現(xiàn)良好，在300℃條件下能夠保持一部分特性。圖2-20是在高溫?zé)峥諝庵蟹胖?8天后，PEEK纖維同其他纖維相比較在各個(gè)溫度的強(qiáng)度保持率；圖2-21是在高溫水蒸氣中放置七天后，PEEK纖維同其他纖維在各個(gè)溫度的強(qiáng)度保持率。PEEK纖維無論在空氣中還是在水蒸氣中所具有的良好耐熱性能都是其他纖維無法比擬的。

圖2-20中PEEK纖維在各個(gè)溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高強(qiáng)度損失都不明顯，在圖2-21中只有在溫度高于250℃時(shí)PEEK的強(qiáng)度損失才開始加快。

2.阻燃性　PEEK纖維有難燃性和自熄性，極限氧指數(shù)為33%，充分燃燒時(shí)只產(chǎn)生H2O和CO2，不產(chǎn)生任何有毒氣體，其在燃燒過程中放出的煙氣和毒性是高性能纖維中最低的，并且燃燒時(shí)形成殘留焦炭，不會(huì)熔化或滴落。

3.耐化學(xué)腐蝕性　PEEK纖維具有優(yōu)異的耐化學(xué)藥品性。在常用的化學(xué)藥品中，PEEK纖維只溶解于濃硫酸，并且在高溫下耐酸堿性也比其他大多數(shù)高性能纖維好，具有優(yōu)良的耐腐蝕性。表2-12為PEEK纖維同其他纖維在90℃條件下，浸泡在各種化學(xué)試劑中7天后原有強(qiáng)度的保持率。

表2-12　各種纖維在各種化學(xué)試劑中7天后原有強(qiáng)度的保持率（%）

從表2-12中可以看出，PEEK纖維對(duì)各種化學(xué)試劑的耐腐蝕性非常好，除亞甲基氰化物以外，對(duì)其他試劑都能維持百分之百的強(qiáng)度，明顯優(yōu)于其他纖維。

4.耐磨性　PEEK纖維一個(gè)比較突出的性能是使用過程中具有良好耐摩擦性，常溫下即表現(xiàn)出很好的耐摩擦性能，并且其耐磨性不隨溫度、壓力等的改變而發(fā)生明顯變化，160℃高溫下PEEK纖維使用壽命是尼龍的3倍多。

圖2-22為PEEK纖維同其他纖維在20℃和120℃時(shí)耐磨性相比較的情況。

雖然PA66纖維在20℃是耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他纖維，但在升到120℃時(shí)耐磨性明顯降低，低于同樣條件下的PEEK纖維。而PEEK纖維（不考慮PA66）耐磨性在任意溫度都是最好的，并且耐磨性不隨溫度的改變而發(fā)生明顯變化。

5.優(yōu)良的彈性回復(fù)能力　PEEK纖維產(chǎn)品不僅具有低應(yīng)變（在恒定負(fù)荷下保持固定的延伸率），而且還能在沖擊負(fù)荷下具有很好的彈性回復(fù)能力，因此這類產(chǎn)品可以用作網(wǎng)球拍弦和管弦樂器的樂弦。

6.絕緣性　PEEK纖維具有優(yōu)良的電絕緣性能，且其絕緣性隨溫度、濕度、頻率的改變變化極小。

7.耐紫外光老化性　PEEK纖維隨紫外光照射時(shí)間增加斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率降低，出現(xiàn)明顯的脆化現(xiàn)象，但即使在紫外光照射6天后，PEEK纖維的斷裂強(qiáng)度仍保留56%左右，具有比較優(yōu)良的耐紫外光老化性能。

8.耐水解性　PEEK纖維的吸水率很小，平衡吸水率約為0.5%。其在高達(dá)200℃，并有氣壓的蒸汽環(huán)境中長時(shí)間放置幾乎沒有強(qiáng)力損失，甚至溫度達(dá)到250℃時(shí)，強(qiáng)力損失也只有10%/月。

9.清潔性　通過前面所述工藝加工制備的PEEK纖維具有很高的純度和清潔性，能夠滿足醫(yī)用注射以及食品包裝的要求。

10.可回收性　除了比大多數(shù)纖維更經(jīng)久耐用外，PEEK纖維還可以回收再利用，用100%的PEEK纖維可以回收得到90%的原材料，甚至可以生產(chǎn)出一級(jí)聚合物。表2-13列出了PEEK纖維主要的一些性能參數(shù)。

表2-13　PEEK纖維的性能參數(shù)

（二）PEEK纖維的應(yīng)用

PEEK主要有單絲、復(fù)絲和短纖維。由于PEEK纖維具有優(yōu)良的耐摩擦、耐高溫、耐腐蝕等性能，目前已在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如工業(yè)、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域，主要用作高溫傳送帶、耐熱濾布、耐熱耐腐蝕紡織帶、航天部件、醫(yī)療器械及能源工業(yè)的耐高溫材料等。

1.傳送帶　PEEK纖維可在高溫條件下用于傳送帶和運(yùn)輸帶，造紙、織物熱定形、紡織印花、非織造布黏合和食品加工等領(lǐng)域。在造紙工業(yè)中，選用直徑為0.4～0.5mm的PEEK單絲織成雙層結(jié)構(gòu)作為干燥用織物，它帶著濕的紙張通過烘箱或一系列大的熱壓滾筒使水分快速蒸發(fā)。雖然PEEK纖維的價(jià)格比經(jīng)常用于該場合的聚酯和PTFE涂層玻璃纖維貴，但使用PEEK可以減少生產(chǎn)過程中更換傳送帶的次數(shù)，從而使生產(chǎn)中斷和時(shí)間損失降到最少，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。PEEK纖維由于優(yōu)良的清潔性還被大量地應(yīng)用于網(wǎng)眼傳送帶，在制藥及加工各種食品時(shí)用于高溫烘干。這種傳送帶不僅耐用，而且非常干凈容易除菌，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的金屬傳送帶在使用過程中由于磨損會(huì)造成金屬污染，這種傳送帶還有逐步取代金屬帶的趨勢。

2.過濾織物　由于優(yōu)良的耐高溫和耐磨性，PEEK纖維常用于制作過濾篩和高溫氣體過濾氈等。用直徑0.05～0.3mm的細(xì)PEEK纖維或用交替的束絲經(jīng)過密織制成具有特定要求的精密網(wǎng)孔篩布或過濾布，可用于化學(xué)藥品生產(chǎn)中過濾熱的熔融黏合劑以及造紙工業(yè)中幫助粉末漿脫水等。用短纖維附在PEEK纖維增強(qiáng)織物上針刺而制成高溫氣體過濾氈，可對(duì)高溫蒸汽中的小顆粒進(jìn)行分離，常作為高溫?zé)煹罋鉃V材或用于航空飛機(jī)和汽車的燃料過濾器等。與其他材料制成的氣體過濾氈相比，PEEK基過濾網(wǎng)的熱穩(wěn)定性好、抗撕拉能力強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定性好，并可在對(duì)耐磨要求高的場合下使用。另外PEEK纖維作為過濾織物也廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在透析、層析儀器或診療設(shè)備中使用，可保證純凈度。

3.編織物、繩索和弦　PEEK纖維具有優(yōu)良耐磨損性、耐彎曲疲勞性和耐剪切性能，經(jīng)常使用直徑0.2～0.3mm之間染成黑色的PEEK單絲編織成襯套，來保護(hù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車排氣系統(tǒng)或與之相近的電子線路。

還可以使用PEEK復(fù)合絲做成縫紉線或繩索，用于過濾織物和帶的增強(qiáng)體。

PEEK纖維不僅具有低應(yīng)變，而且在高速交變應(yīng)力的作用下還具有很好的彈性回復(fù)能力，因此還可以用作體育和樂器用弦，如網(wǎng)球拍弦和吉他、小提琴弦等。

4.復(fù)合材料　PEEK纖維用于復(fù)合材料織物是PEEK纖維最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，可用于航空航天、高級(jí)轎車、醫(yī)療及體育領(lǐng)域，尤其在航空航天領(lǐng)域發(fā)展很快。因?yàn)橛詈焦I(yè)所要求的結(jié)構(gòu)材料是質(zhì)輕、具有杰出熱性能及力學(xué)性能，并且在著火時(shí)對(duì)乘客及機(jī)務(wù)人員危害性小的材料，PEEK纖維作為一種高性能纖維完全滿足上述要求。這種復(fù)合材料織物通常是以PEEK纖維與其他增強(qiáng)纖維，如玻璃纖維、對(duì)位芳綸、碳纖維，按一定比例和方式結(jié)合起來的復(fù)合材料。用PEEK復(fù)絲與高強(qiáng)高模的碳纖維進(jìn)行三維編織制得預(yù)制件，預(yù)制件加熱后在一定壓力下固化，這樣PEEK纖維就會(huì)熔融流動(dòng)并覆蓋碳纖維，從而制得具有優(yōu)異性能的三維編織碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料。采用三維編織技術(shù)與熱壓方法結(jié)合，可以解決因PEEK熔點(diǎn)高、熔體黏度大等特點(diǎn)造成的預(yù)浸料的鋪敷困難，而且可以保持碳纖維的單向強(qiáng)度，從而制備出具有優(yōu)異的抗蠕變、耐濕熱、耐老化、耐磨損的高性能熱塑性樹脂基復(fù)合材料。另外，用PEEK纖維制成復(fù)合材料還可用作增強(qiáng)高壓蒸汽管、熱水膨脹波紋管、耐熱耐壓的增強(qiáng)化學(xué)藥品管等，應(yīng)用于需要耐高溫、耐水解、耐高機(jī)械作用和化學(xué)應(yīng)力作用的場合。

5.醫(yī)用材料　PEEK纖維最新的一個(gè)用途是在醫(yī)療技術(shù)方面。由于其純度高、無毒（FDA認(rèn)可），并且具有非常好的耐消毒性、射線透射性和良好的人體相容性，使得PEEK纖維的醫(yī)用前景也十分廣闊。復(fù)合的PEEK材料可用作人造器官、手術(shù)器具、手術(shù)骨釘和螺絲、骨骼替代材料、導(dǎo)管和氣管的代用材料等。好的彈性回復(fù)能力和高的能量吸收能力使得PEEK很適合用作韌帶材料。另外，特制的PEEK纖維作為縫合線用于移植的器官上，并可長期使用。

三、PTFE纖維

聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene），簡稱PTFE纖維，是四氟乙烯單體經(jīng)自由基聚合而得到的全氟直鏈型熱塑性高分子聚合物，有“塑料王”之稱。PTFE纖維由美國DuPont公司率先研發(fā)并于1953年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。奧地利Lenzing公司于20世紀(jì)70年代研發(fā)成功接近乳液紡絲法纖維強(qiáng)度水平的PTFE膜裂纖維，該方法生產(chǎn)效率極高，但是生產(chǎn)的纖維線密度不勻。除此之外，俄羅斯在研發(fā)多種PTFE纖維方面也取得了較大的成效。在美國和日本PTFE的商品名為特氟綸（Telfon），俄國則稱之為波利芬。

一直以來，國外只有美國、奧地利等少數(shù)國家擁有PTFE纖維的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)能，我國只有臺(tái)灣地區(qū)擁有此項(xiàng)技術(shù)。2011年在金由氟公司、上海凌橋環(huán)保設(shè)備廠和解放軍軍需裝備研究所的共同努力下，成功研發(fā)了膜裂法高性能PTFE纖維生產(chǎn)技術(shù)并擁有千噸級(jí)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的量產(chǎn)，經(jīng)過美國ETS檢測認(rèn)定的國產(chǎn)PTFE纖維現(xiàn)已出口到亞洲（日、韓）、美洲、歐洲以及中東等國家和地區(qū)。目前我國生產(chǎn)的PTFE纖維產(chǎn)量已占全球總量的50%以上，且部分性能超過國際同類產(chǎn)品。

由于PTFE的全氟化直鏈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，目前尚無合適的溶解PTFE的溶劑，因此溶液紡絲法不能用于制備PTFE纖維。由于PTFE的分子剛性很大，熔體黏度為1011～1013Pa·s，因此也不能通過熔體紡絲法制備PTFE纖維。基于以上原因，雖然PTFE纖維的工業(yè)化生產(chǎn)已有50多年，但迄今為止仍只有少數(shù)幾家公司能夠量產(chǎn)PTFE纖維制品。目前，PTFE纖維的制備方法主要有膜裂紡絲法、糊料擠出紡絲法和載體紡絲法。

PTFE纖維根據(jù)表觀顏色的不同被分為棕色PTFE纖維和白色PTFE纖維。棕色PTFE纖維通常是載體紡絲經(jīng)燒結(jié)除去基質(zhì)聚合物后得到，纖維手感非常柔軟，且自潤滑性良好，廣泛用于航空航天和國防軍事等領(lǐng)域。白色PTFE纖維通常是由膜裂法和糊料擠出法制備，用其制成的濾料具有較高的過濾截面，從而可提高過濾效率。

（一）PTFE的結(jié)構(gòu)與性能

1.PTFE纖維的結(jié)構(gòu)　PTFE的分子結(jié)構(gòu)為：

PTFE分子鏈的規(guī)整性和對(duì)稱性極好，大分子鏈為線性結(jié)構(gòu)，其側(cè)基全部為氟原子，幾乎沒有支鏈，容易形成有序的排列，故極容易結(jié)晶，結(jié)晶度達(dá)57%～75%，有的結(jié)晶度品級(jí)高達(dá)93%～96%。與聚乙烯分子相比，在PTFE分子中，氟原子取代了聚乙烯中的氫原子，由于氟原子半徑（0.064nm）大于氫原子半徑（0.028nm），使得C—C鏈由聚乙烯的平面、充分伸展的曲折構(gòu)象漸漸扭轉(zhuǎn)到PTFE的螺旋構(gòu)象。該螺旋構(gòu)象正好形成了一個(gè)緊密、完全“氟代”的保護(hù)層，包圍在PTFE易受化學(xué)侵襲的碳鏈骨架外，這使得聚合的主鏈不受外界任何試劑的侵襲，因此，PTFE具有其他材料無法比擬的耐溶劑性、化學(xué)穩(wěn)定性以及低的內(nèi)聚能密度。同時(shí)，由于C—F鍵極其牢固，鍵能達(dá)到460.2kJ/mol，遠(yuǎn)比C—H鍵（410kJ/mol）和C—C鍵（372kJ/mol）高，這使PTFE具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，它的熔點(diǎn)為327℃，分解溫度在415℃以上。

2.PTFE纖維的性能　由于PTFE分子結(jié)構(gòu)特征比較特殊，與普通的塑料相比，PTFE具有以下眾多的優(yōu)良品質(zhì)：

（1）化學(xué)穩(wěn)定性。PTFE分子中的C—F鍵具有極高的鍵能，除了強(qiáng)氟化介質(zhì)、熔融堿金屬、氟元素和300℃以上的氫氧化鈉對(duì)其有些影響外，所有強(qiáng)氧化劑和還原劑、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿以及各種有機(jī)溶劑等對(duì)其均無影響，即使在煮沸的王水中也不影響其質(zhì)量和性能。除了在溫度高于300℃時(shí)，以約0.1 g/100g的比例微溶于全烷烴中外，幾乎不溶于所有的溶劑。

（2）耐候性。PTFE不燃、不吸潮，在紫外線及氧的環(huán)境中均非常穩(wěn)定，具有優(yōu)異的耐候性。

（3）耐溫性。PTFE的長時(shí)間使用溫度范圍為-190～260℃，其最高瞬時(shí)使用溫度可達(dá)290℃，即使在-260℃的超低溫下依然可保證一定的韌性。

（4）不粘性。PTFE的表面張力很小，僅為0.019N/m，暫未發(fā)現(xiàn)可以黏附在其表面的固體材料，只有表面張力低于0.02N/m的液體才能使其表面完全浸潤。

（5）絕緣性。PTFE的分子鏈為非極性分子鏈，具有很好的介電性和極好的耐電弧性。即使在高壓放電時(shí)，PTFE也僅會(huì)放出少量裂解的不導(dǎo)電氣體，卻不會(huì)炭化而短路。

（6）力學(xué)性能。PTFE的非極性分子鏈?zhǔn)蛊浯蠓肿娱g的引力很小，且PTFE分子鏈為無支鏈的高剛性鏈，纏結(jié)少，使得PTFE的整體力學(xué)性能不佳。因此，對(duì)PTFE施以長期作用的負(fù)荷時(shí)，會(huì)發(fā)生較大的蠕變，且易產(chǎn)生冷流現(xiàn)象，但其耐疲勞性非常優(yōu)異，故通常不會(huì)發(fā)生永久性疲勞破壞。

（7）潤滑性。由于PTFE的大分子間引力非常小，且其表面對(duì)于其他分子的吸引力也非常小，導(dǎo)致其摩擦系數(shù)也非常小。PTFE是目前發(fā)現(xiàn)的摩擦系數(shù)最低的自潤滑材料。

（8）耐老化及抗輻射性能。PTFE分子中沒有光敏基團(tuán)，故不僅在高溫和低溫條件下尺寸穩(wěn)定，而且在極其苛刻的條件下性能也不會(huì)發(fā)生變化。在潮濕狀態(tài)下不會(huì)受微生物侵襲，對(duì)各種射線的輻射有極高的防護(hù)能力。

（9）阻燃性。PTFE的極限氧指數(shù)高達(dá)95%，在高溫中可以有效地控制火焰的蔓延。

PTFE纖維性能指標(biāo)見表2-14。

表2-14　PTFE纖維性能指標(biāo)

1.短纖維長48～72mm，卷曲度8個(gè)/25mm。

2.基布經(jīng)緯密度100～300根/10cm，克重100～142g/m2。

（二）PTFE纖維的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

近年來，人們對(duì)PTFE纖維或紗線的獨(dú)特性能有了更深的認(rèn)識(shí)，因此以產(chǎn)業(yè)用途為中心的需求正在不斷擴(kuò)大。

1.PTFE纖維在過濾材料方面的應(yīng)用　目前，PTFE的主要用途是垃圾焚燒爐和煤鍋爐用的排氣凈化濾材、非金屬軸承、減低摩擦用的塑料填料和縫紉絲等，其中，過濾材料是目前PTFE最大的應(yīng)用領(lǐng)域。由PTFE纖維制作的高溫粉塵濾袋在日本的商品名為“杰法雅”，已作為都市垃圾焚燒爐的濾袋而被廣泛使用。作為過濾材料，PTFE纖維可以純紡，也可以與其他纖維混用。“杰法雅”氈的制法是將直徑約為6μm的玻璃超細(xì)纖維與PTFE纖維混合，加工成針刺氈，這種均一混合的纖維，通過過濾氣體的流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生正負(fù)相反的電荷，這樣一些亞微米級(jí)的微小粉塵就可以進(jìn)行電氣（駐極體效果）捕集，因此過濾效率極高。澳大利亞的電廠也大規(guī)模應(yīng)用PTFE濾袋，因?yàn)镻TFE濾袋不像間位芳酰胺纖維（Nomex）濾袋在酸的露點(diǎn)溫度以下會(huì)遭受嚴(yán)重腐蝕。

上海金由氟材料有限公司利用PTFE纖維開發(fā)出了高效長壽命耐高溫的新穎濾料，它由經(jīng)向纖維線與緯向纖維線編織成濾料布，其特征在于經(jīng)向纖維線由玻璃纖維并捻為束而成纖維線，緯向纖維線由PTFE纖維束和玻璃纖維束并捻成纖維線。經(jīng)向纖維線的玻璃纖維束，每束玻璃纖維的根數(shù)為60～600根，每根纖維直徑為6～9μm；緯向纖維線的PTFE纖維束，每束PTFE纖維的根數(shù)為150～400根，每根纖維纖度為10旦以上。經(jīng)向纖維線與緯向纖維線編織成的濾料布的經(jīng)向密度為12～22束/cm，緯向密度為12～22束/cm，經(jīng)向強(qiáng)力為1000～4500N/2.5cm，緯向強(qiáng)力為1000～4000N/2.5cm，經(jīng)向纖維線與緯向纖維線編織成的濾料布表面上覆有PTFE微孔薄膜。該過濾氈與傳統(tǒng)的濾料相比具有以下功效：耐溫性優(yōu)越，可耐250℃高溫；耐酸、耐堿性強(qiáng)，抗氧化性好；表面光滑，易清灰，運(yùn)行阻力低；具有良好的低摩擦性、難燃性、絕緣性和隔熱性；過濾效率高，使用壽命長。

PTFE短纖維可用于制造過濾用針刺氈；PTFE機(jī)織紗可用于制作針刺氈的基布稀松布，因其使用壽命長，不僅可用作PTFE氈的基布，也可用于其他類型高性能纖維制成氈的基布。PTFE縫紉線可用于各種類型過濾器的制造。

2.PTFE纖維在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用　膨體PTFE材料是純惰性的，本身沒有任何毒性，而且具有非常強(qiáng)的生物適應(yīng)性，不會(huì)引起機(jī)體的排斥，對(duì)人體無生理副作用。這種材料具有多微孔結(jié)構(gòu)，從而可用于多種康復(fù)解決方案，包括用于軟組織再生的人造血管和補(bǔ)片以及用于血管、心臟、普通外科和整形外科的手術(shù)縫合線，其優(yōu)良的抗微生物、抗菌性、撓曲壽命長及回潮率為零等優(yōu)點(diǎn)更使人們不斷地開拓著PTFE纖維在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。

W. L.Gore&Associates（美國戈?duì)枺┕?008年10月宣布推出GORE INFINIT Mesh，這是目前為止第一個(gè)也是唯一一個(gè)100%用單纖維絲制造的外科手術(shù)用修補(bǔ)網(wǎng)，完全采用PTFE材料。GORE INFINIT Mesh的大孔結(jié)構(gòu)結(jié)合PTFE聚合物的化學(xué)惰性，為醫(yī)生和病人提供了優(yōu)于聚丙烯和聚酯網(wǎng)格的性能。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能夠盡量減少身體異物反應(yīng)，最大限度地提高長期患者的舒適度和生活質(zhì)量。

GORE INFINIT Mesh完全采用具有化學(xué)惰性的醫(yī)療聚合物材料——PTFE制成，有利于提供長期的生物相容性和極小的慢性異物反應(yīng)。Gore公司的PTFE材料使GORE INFINIT Mesh產(chǎn)品具有更軟更靈活的特點(diǎn)，而且牢固可靠。事實(shí)上，Gore公司的PTFE已經(jīng)被2500多萬例移植物證明是可靠的。

GORE INFIFINIT Mesh的大孔網(wǎng)狀針織結(jié)構(gòu)采用了“StableLink”技術(shù)，以保證在植入過程中易于操作和網(wǎng)格的穩(wěn)定性，這種結(jié)構(gòu)表面積減少，有利于組織完整生長。此外，堅(jiān)實(shí)的單絲纖維有助于降低感染的風(fēng)險(xiǎn)，與多層滌綸絲相比減少了潛在的細(xì)菌滋生地點(diǎn)。

3.PTFE纖維在建筑方面的應(yīng)用　建筑用織物是指用作建筑結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)部件的織物，目前已知的PTFE建筑用織物主要有兩種：一種是涂覆有PTFE的玻璃纖維織物，這種材料性能優(yōu)異，但是柔順性不好，因此不能有效地用于需要方便移動(dòng)的場合；另一種是美國戈?duì)柟旧a(chǎn)的商品名為TENARA的建筑用織物，該織物由100%的PTFE機(jī)織物為基布，表面復(fù)合PTFE薄膜制造而成。這種膜結(jié)構(gòu)建筑材料透光性好，可降低照明及空調(diào)費(fèi)用，使用壽命達(dá)20年以上，可降低涂裝清掃費(fèi)用，對(duì)大構(gòu)架屋頂?shù)慕ㄖて诳煽s短50%，可降低屋頂材料費(fèi)的50%和總建筑費(fèi)用的20%，還具有輕量耐震不燃、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，因此常被用作室外球場、競技場、體育館、滑冰場、游泳池、大型展覽會(huì)等的屋頂材料。

4.PTFE纖維在航天航空方面的應(yīng)用　PTFE纖維在航空、航天領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。例如，自潤滑關(guān)節(jié)軸承是航空、航天領(lǐng)域及眾多新技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的產(chǎn)品，其中，自潤滑材料的性能是保證關(guān)節(jié)軸承具備重載、耐沖擊、長壽命的關(guān)鍵因素。PTFE纖維織物作為一種新型高分子材料，具有韌性好、強(qiáng)度高、摩擦低等優(yōu)點(diǎn)，是作為飛機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備關(guān)節(jié)軸承潤滑層的理想材料。李如琰采用PTFE與諾梅克斯（Nomex）、玻璃纖維（或芳綸）等材料，經(jīng)一定方法紡織，然后經(jīng)過特殊浸漬處理后制成具有強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)的復(fù)合織物，將這種纖維織物應(yīng)用于關(guān)節(jié)軸承上，使關(guān)節(jié)軸承既保持了高承載、自動(dòng)調(diào)心的特性，又兼有自潤滑、耐沖擊、壽命長等特點(diǎn)，這種自潤滑關(guān)節(jié)軸承可廣泛應(yīng)用于航空、航天等高新技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵承載部位。

隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展，PTFE材料在光學(xué)、電子、醫(yī)學(xué)、石油化工、輸油防滲等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。

四、聚酰亞胺（PI）纖維

聚酰亞胺是指主鏈上含有酰亞胺環(huán)（—CO—N—CO—）基團(tuán)的芳雜環(huán)高分子聚合物，英文名為polyimide，簡稱PI纖維，是迄今為止耐熱等級(jí)最高的高分子材料，并成為當(dāng)前高技術(shù)纖維中的重要品種之一。隨著聚酰亞胺合成技術(shù)的提高及纖維紡絲技術(shù)的進(jìn)步，具有耐輻射性、耐高溫性、高強(qiáng)度等優(yōu)異綜合性能的聚酰亞胺纖維產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程逐漸加快，在航空航天、環(huán)保防火等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于相關(guān)技術(shù)壟斷，聚酰亞胺纖維的市場價(jià)格一直居高不下，這也是影響其服用及裝飾用產(chǎn)品開發(fā)的主要原因。

20世紀(jì)80年代，奧地利的Lenzing公司采用PI溶液進(jìn)行干法紡絲，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品名為P84，主要用于高溫濾材領(lǐng)域，但價(jià)格昂貴且對(duì)我國實(shí)行限量銷售；隨后，法國Phone-Poulene公司推出具有優(yōu)異阻燃性能的PI纖維Kerne1 235AGF，應(yīng)用于安全毯、防護(hù)服、消防服等領(lǐng)域；20世紀(jì)90年代，俄羅斯科學(xué)家在聚合物中引入含氮雜環(huán)單元，開發(fā)的PI纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)到5.8GPa，初始模量為285GPa，這對(duì)實(shí)現(xiàn)航空航天飛行器輕質(zhì)高強(qiáng)具有重大意義。

2011年，長春高琦聚酰亞胺纖維有限公司與中科院長春應(yīng)化所合作，采用聚酰胺酸溶液為紡絲液，成功建成300t/a濕法紡絲生產(chǎn)線，后擴(kuò)大到千噸級(jí)，并于2013年通過技術(shù)鑒定，標(biāo)志著我國聚酰亞胺纖維實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2013年，東華大學(xué)與江蘇奧神集團(tuán)在對(duì)干法成形聚酰亞胺纖維進(jìn)行工程化研究的基礎(chǔ)上，成功建成投產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干法紡絲生產(chǎn)線，在國際上屬于首創(chuàng)。目前，國產(chǎn)聚酰亞胺纖維已成功應(yīng)用于水泥行業(yè)的耐高溫過濾材料、紡織服裝、工業(yè)用隔熱材料等領(lǐng)域。

（一）PI纖維的結(jié)構(gòu)

聚酰亞胺纖維的分子主鏈中有酰亞胺環(huán)、芳香環(huán)等，分子鏈間剛性大，酰亞胺環(huán)中的碳和氧雙鍵相連，與芳香環(huán)產(chǎn)生共軛效應(yīng)，導(dǎo)致主鏈鍵能和分子間氫鍵作用力較大，這種結(jié)構(gòu)使聚酰亞胺纖維具有高模量特點(diǎn)。此外，獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)還賦予纖維耐輻射、耐高溫、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)性能等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)單元如圖2-23所示。

采用不同的工藝技術(shù)制備出來的聚酰亞胺纖維，具有不同的纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)。采用干法紡絲制備的纖維呈圓形，纖維表面光滑無溝槽，內(nèi)部無空洞，無皮芯現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)更為致密均勻。采用濕法紡絲工藝制備的纖維結(jié)構(gòu)密實(shí)均勻，截面呈腰圓形。如圖2-24所示。

（二）PI纖維的基本特性

聚酰亞胺高度共軛的分子鏈結(jié)構(gòu)，賦予聚酰亞胺纖維具有高強(qiáng)高模的特性，表2-15為聚酰亞胺纖維與其他產(chǎn)業(yè)化高性能纖維機(jī)械性能的比較。從該表可見，聯(lián)苯結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺纖維強(qiáng)度和模量高于Kevlar系列芳香族聚酰胺纖維，而含嘧啶單元結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺纖維的強(qiáng)度和模量與PBO纖維相當(dāng)。聚酰亞胺纖維具有突出的耐熱性能，對(duì)于全芳香族的聚酰亞胺纖維，其起始分解溫度一般都在500℃左右，熱氧化穩(wěn)定性十分優(yōu)越，其膨脹系數(shù)較小（2×10-5～3×10-5℃-1）。聚酰亞胺還具有優(yōu)異耐酸堿腐蝕性和耐輻照性能，經(jīng)10-8Gy電子輻照后其強(qiáng)度保持率仍為90%。極限氧指數(shù)高，是一種良好的阻熱阻燃材料。普通商品化的聚酰亞胺纖維的相對(duì)介電常數(shù)大多在3.4～3.6之間，通過改性，引入氟及大的側(cè)基等可得到相對(duì)介電常數(shù)在2.5～3.0、介電損耗在10-3的聚酰亞胺材料。

表2-15　聚酰亞胺纖維與其他高性能纖維機(jī)械性能的比較

P84是一種芳香型共聚聚酰亞胺，纖維強(qiáng)度3.8cN/dtex。P84纖維可在260℃以下連續(xù)使用，瞬時(shí)溫度可達(dá)280℃。該纖維具有不規(guī)則的葉片狀截面，比一般圓形截面增加了80%的表面積。葉片狀的橫截面使P84纖維具有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是纖維表面積大，因而具有較強(qiáng)的阻塵與捕塵能力，大大提高了過濾效率；二是不規(guī)則的纖維截面因其內(nèi)應(yīng)力大小不同，分布不均勻，使纖維自然卷曲，導(dǎo)致纖維之間具有較強(qiáng)的抱合力和纏結(jié)力。

（三）PI纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著環(huán)保要求的日益提高，高溫濾料在高溫?zé)煔庵卫眍I(lǐng)域的需求日益增大，PI纖維在耐高溫濾料領(lǐng)域的需求隨之增大。PI纖維在耐高溫濾料領(lǐng)域主要應(yīng)用于電廠、水泥行業(yè)、鋼鐵行業(yè)等的袋式除塵器。PI纖維能夠滿足鋼鐵冶煉超高溫工作環(huán)境（高于200℃）的使用要求，PI纖維用于鋼鐵行業(yè)除塵濾料的年需求量至少為1kt。

在航空航天領(lǐng)域，隨著飛行器輕質(zhì)高強(qiáng)的要求日益提高，特種纖維材料的需求量逐漸增大。俄羅斯已將PI纖維應(yīng)用于航空航天中的輕質(zhì)電纜護(hù)套、耐高溫特種編織電纜等。此外，PI纖維除了可代替碳纖維作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，還可用于防彈服織物、高比強(qiáng)繩索、宇航服、消防服、高溫濾材等。基于PI纖維的性能優(yōu)勢，以及我國在PI原料生產(chǎn)技術(shù)方面的優(yōu)勢，PI纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景。

在國際上被稱為“黃金絲”的聚酰亞胺纖維2014年12月已應(yīng)用于民用服裝領(lǐng)域，這標(biāo)志著我國在世界上首次將這一源自于航天領(lǐng)域的先進(jìn)材料應(yīng)用于民生領(lǐng)域，為服裝紡織行業(yè)創(chuàng)造了一類全新的纖維材料。國內(nèi)資深戶外專業(yè)人士穿著由聚酰亞胺纖維制成的軼綸OR95服飾與其他頂級(jí)戶外品牌服裝，在東北零下20℃的戶外進(jìn)行了為期兩天的極寒環(huán)境體驗(yàn)。體驗(yàn)結(jié)果表明，PI纖維制成的服裝在徒步、靜止?fàn)顟B(tài)下的保暖、舒適及輕便性能均高于其他頂級(jí)戶外品牌服裝。

有關(guān)專業(yè)部門的檢測也證明了這一點(diǎn)。在國家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的紅外對(duì)比測試中表明，采用聚酰亞胺纖維的保暖服的保暖性能更優(yōu)秀，使同一試驗(yàn)者的體溫高出相同面密度的世界頂級(jí)抓絨保暖服裝4～6℃。在中國紡織制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行的保暖性能對(duì)比測試中，聚酰亞胺纖維制成的120g/m2軼綸OR95絮片的折算保暖率為70.5%，同樣為120g/m2的世界頂級(jí)中空滌綸保暖絮片（樣品取自于極地科考服）的折算保暖率為64.9%；135g/m2的軼綸OR95絮片的折算保暖率為75%，同樣為265g/m2的世界頂級(jí)中空滌綸保暖絮片的折算保暖率為76.1%。在面密度差近一倍的條件下，聚酰亞胺纖維制成的軼綸OR95絮片表現(xiàn)出神奇的保暖效果。軼綸還通過了歐洲瑞士紡織測試研究所oeko-100tex級(jí)生態(tài)紡織品認(rèn)證，成為嬰兒用一級(jí)產(chǎn)品。在“紡織之光”2013年度中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)評(píng)選中，被全票評(píng)為中國紡織工業(yè)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。