高性能纖維材料發展趨勢與應用

 

刊登日期:2021/9/5
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王惠民、張昌榮 / 工研院材化所
 
高性能纖維是纖維科學和工程界所開發的一批具有高強度、高模量、耐高溫的新一代合成纖維。由於具有普通纖維所沒有的特殊性能,而被廣泛應用於航空航太、軌道交通、艦船車輛、新能源、健康產業和基礎設施建設等重要領域,集軍事價值與經濟價值於一身,是各國重點發展焦點之一。當前全球高性能纖維產業仍處於高速發展期,需求量持續增長,高性能纖維市場前景廣闊,在世界各國重大科技工程和研究計畫的推動下,全球高性能纖維及其複合材料技術不斷取得突破,以多樣化、系列化和高效率、規模化生產的方向發展,應用領域也不斷拓展。本文將整理國內外技術與產業發展現狀,研判未來發展趨勢和挑戰。
 
【內文精選】
前 言
隨著下游應用領域的不斷擴展及高性能纖維(High Performance Fiber)產品性能與穩定性的不斷改善,全球高性能纖維市場需求規模近幾年呈加速擴張趨勢。目前高性能纖維正進入蓬勃發展的新階段,其生產國已由原來僅限於少數先進國家擴展到10多個國家和地區。2019年全球高性能纖維產量達到700千噸,從全球範圍看,北美是最大生產地區,占全球產量的29.57%;其次是歐洲,占全球的28.96%。美、日及歐盟在高性能纖維市場已經具有較為穩定的產品及市場占有率。美國在芳香族聚醯胺纖維領域的競爭地位是因為有DuPont的支撐;日本在碳纖維領域的競爭優勢是因為有Toray、Teijin及Mitsubishi Chemical;歐盟在超高分子量聚乙烯領域的優勢地位是由荷蘭DSM來奠定的。這些世界主要高性能纖維生產廠家靠技術創新提高生產效率、降低成本和開發新品種,為化纖業的發展帶來勃勃生機。
 
高性能纖維特性與技術發展
高性能纖維是指具有特殊的物理化學結構、性能和用途,或具有特殊功能的化學纖維,按性能不同分為高強度高模量纖維(High Strength and High Modulus Fiber)及耐高溫纖維兩大類。其中高強力係指強度大於17.6 cN/dtex (20 g/d),彈性模量在440cN/dtex以上的纖維;耐高溫係指纖維須在180˚C的溫度下可維持相當長使用時間,或是具有阻燃特性之纖維也可分類在此。高性能纖維之主要特性如下:①具高強度、高彈性模量,極高的機械性能;②具有耐高溫性,高溫尺寸穩定性佳,熱收縮率低;③密度低,有利於製品的輕量化;④耐腐蝕。各類高性能纖維的物性整理於表一。由於篇幅有限,本文將針對世界三大高強度纖維:碳纖維、芳香族聚醯胺纖維及芳香族雜環纖維進行說明。
 
3. 芳香族雜環PBO纖維
PBO纖維是聚對苯撐苯並二噁唑(Poly(p-phenylene benzobisoxazole))纖維的簡稱,最早在1990年由美國空軍空氣動力學開發研究人員發明。PBO纖維由於具有極剛性的線性結構與分子截面很小,因此物理機械性能和化學性能十分優異。PBO纖維的製備包括單體合成、聚合和纖維紡絲三個步驟。目前TOYOBO生產方法採鹽酸鹽脫氣法(圖七),由4,6-二氨基間苯二酚鹽酸鹽(DAR·2HCl)與對苯二甲酸(TPA)在多聚磷酸(PPA)中聚合製備紡絲原液,再進行乾噴濕紡。由於反應黏度高,需控制HCl脫泡速度,總反應時間長達140小時,製程能耗高,亟需以低碳製程作為解決方案。
 
圖七、PBO纖維的製備流程
圖七、PBO纖維的製備流程
 
可熔紡高性能纖維技術發展現況
如上所述,目前高性能纖維皆因聚合物熔點高於裂解溫度,無法進行熔融聚合紡絲,遂只能使用氯化物及強酸或大量有機溶劑(4倍固含量)進行濕紡加工,且反應產生HCl需中和,導致纖維帶有大量無機鹽,需經多次熱水水洗後再進行高溫延伸,容易造成環境汙染,製程複雜且生產能耗高。吾人透過特殊分子結構設計,導入軟鏈結構進行預二酸化並改變合成路徑,所合成耐高溫結構二酸與可二胺進行熔融聚合,開發新型可熔紡之耐熱間位芳香族聚醯胺纖維,除了有高的玻璃轉移溫度(Tg)、良好的熱穩定性,也具備良好的加工性,其特性與國際溶劑纖維比較列於表四。有別於濕紡芳香族聚醯胺纖維,採無溶劑熔融聚合生產、熔紡加工之芳香族聚醯胺纖維材料,符合全球環保法規及未來趨勢,且生產成本低、可延用現有聚合及熔紡設備之生產,具潛力可部分取代進口DuPont Aramid及FR Rayon等原料,廣泛應用於工業防護之高性能防護衣 …以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
表四、可熔紡之耐熱芳香族聚醯胺纖維與國際商品比較
表四、可熔紡之耐熱芳香族聚醯胺纖維與國際商品比較
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》417期,更多資料請見下方附檔。

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