化学纤维的优点篇1
机床在切削金属时，机床自身受到大的复杂多变的载荷和温度场影响，往往会引起机床振动，进而影响加工质量，使得机床性能不能充分发挥，降低机床使用寿命。振动严重时还会产生崩刃、打刀现象，使得加工无法进行。此外，加工中，工艺系统在各种热源（摩擦热、切削热、环境温度和辐射热等）的作用下，产生温度场，致使机床、刀具、夹具产生热变形，从而影响工件和刀具之间的相对位移，造成加工误差，影响加工精度。有调查表明［1］：在精密加工中，仅热变形影响的制造误差占总制造误差的40％～70％。例如某万能磨床的床身，在工作台和砂轮架重力作用下，引起床身导轨凸凹为4～5μm，而当磨床运转后，由于床身下部油池温度的升高，床身热变形所引起的床身导轨凸凹却高达25～30μm。日本东京大学佐田登志夫教授把机床热变形看作是由于温度变化引起的机床结构刚度不足，提出了“热刚度”概念，将机床的静刚度、动刚度、热刚度有机结合在一起进行研究。为此，必须在不断提高机床自动化程度的同时，尽可能改善机床的静态性能、动态性能和热稳定性。笔者认为解决上述问题的途径主要有：一是优化机床结构，二是使用新型材料。机床结构优化方面：近年来随着计算机技术和有限元的迅速发展，研究者在机床结构的优化设计取得了丰硕成果。如通过试验与理论分析，找出了机床的薄弱环节、针对机床的薄弱环节进行结构优化，使得机床结构的动、静态力学性能得到提高。另外，结构优化中的尺寸优化、形状优化、拓扑优化技术已经在机床结构优化设计方面发挥着重要作用。研究者在机床结构设计和控制系统研究的同时，发现传统的机床基础件铸铁材料虽然具有良好的刚度、强度和切削性能，但其动态性能不足，热稳定性差，而且在生产过程存在周期长、耗能大的缺点，已经不能很好满足用户控制加工成本或特殊加工的需要。为此，研究者开始致力于机床基础件新型复合材料的研发，并先后尝试了天然花岗岩、普通混凝土、钢筋混凝土、聚合物混凝土和纤维增强树脂混凝土制造机床基础件。作为结构材料，聚合物混凝土铸件在机床行业被广泛接受已经30多年了。据统计，在欧洲，每10台机床就有一台使用矿物铸件做床身。如瑞士、法国、日本德国等已成功用树脂混凝土制造机床床身、立柱、主轴等构件，其中法国树脂混凝土机床构件已产业化，形成系列产品，并制定了国家标准（Din），但是它在国内机床制造业中的应用推广却很慢。目前国内对新型材料做机床床身进行的研究多倾向于提高机床性能，以高成本为代价来获得高精度机床，而以降低机床成本和环境保护为主要目的研究较少，特别是当前钢铁材料大幅涨价，更加剧了国内机床企业的竞争压力。寻求一种价格较为低廉且性能与铸铁相差无几甚至高于铸铁的新型材料代替铸铁制造机床床身，已成为制造企业谋求提高机床质量和企业利润的出口。2012年国家04专项“高档数控机床与基础制造装备”将“纤维增韧增强树脂矿物复合材料及其精密机床床身精度稳定性技术”列为课题项目之一。笔者早在2004年曾把纤维增强树脂混凝土作为一种用于制造机床基础件的新型复合材料，发现其具有良好的吸振性和热稳定性，并对其阻尼比等参数进行了试验。试验发现纤维增强树脂混凝土热变形系数约为5．92×10－6℃，约为铸铁的1／2，热传导率是灰铸铁的1／20以下，在遇到短时内外界温度变化时，温度恒定时间要长3倍以上，而温度影响的反应振幅只有1／3。钢纤维的加入提高了其抗剪强度、抗压强度及劈裂抗拉压强度和抗冲击性能，优越的动静态性能满足了发展高速度、高精度机床对床身的要求。长期以来，研究者对机床振动、热变形测量及误差补偿的研究，主要从改善和优化制造机床的结构出发，未能从利用其他具有优良热性能材料的角度出发，同时从优化制造机床基础件的结构的角度出发来提高机床静、动态和热性能，以提高机床的加工精度。机床稳定的热性能是影响机床加工质量的重要因素，开展纤维增强树脂混凝土机床基础件的热性能研究是很有必要的，研究者多从静、动态力学角度研究材料性能，尚未涉及热态性能研究。此外，纤维增强树脂混凝土复杂的力学性能和本构关系完全不同于传统机床基础件材料铸铁，设计者不能完全遵循传统的设计方法设计纤维增强树脂混凝土数控机床基础件，需考虑材料自身力学性能。
1国内外研究现状
1．1纤维增强树脂混凝土数控机床基础件的研究现状
树脂混凝土在机床基础件中的应用大致经历了普通混凝土、树脂混凝土、纤维增强树脂混凝土的发展历程。国外，自从混凝土问世以来，其在制造机床构件方面的应用得到了飞速发展。如德国的Schlesinger公司、Boehrin－ger公司、Burkhart＆weher公司以及Darmstadt大学等企业研究所成功将树脂混凝土用于加工中心和高速机床上，并完成聚合物混凝土德国工业标准等。欧洲其他国家如：瑞士的Georgefesher公司、Studer公司等，自Studer公司自行研制成第一台外圆磨床的树脂混凝土床身和主轴后，20世纪80年代初又制成了S30到S50数控外圆磨床的树脂混凝土床身。意大利的norma公司与SanRocco公司相继推出装有钢筋混凝土构件或纤维增强树脂混凝土构件的机床产品。日本机械工业促进协会技术研究所试制了树脂混凝土材料磨床床身，并将聚合矿物复合材料技术应用于高速车床床身。为了更好地将树脂混凝土应用于机床基础件，满足近年来机床产业高精高速发展的新要求。国外学者采用将钢纤维、玻璃纤维加入混凝土或树脂混凝土以提高材料力学性能用于制造机床结构；尝试将聚合物混凝土与传统金属材料结合的方式设计机床结构等不同的方式。如早在1995年，m．Rahman等［2］就将钢纤维增强混凝土用于制造型号pSG－52DX的机床结构，并对其性能进行测试，验证了钢纤维增强混凝土用于制造机床的合理性。随后凭借该材料优良的阻尼特性，在2001年，m．Rahman［3］又将其应用于数控机床。2008年JungDoSuh［4］将聚合物混凝土框架结构应用在龙门铣床机床底座上，并取得了不错的效果。2011年SungKyumCho等［5］将树脂混凝土用于小型机床结构以减轻结构的质量，提高结构刚度。2012年HeaderHaddad［6］对树脂混凝土的各种力学性能参数进行测试，获得了性能优良的树脂混凝土材料，并将用于精密机床结构的制造。国内自20世纪50年代末，机床制造业中提出用非金属材料制造机床支撑件开始，北京机床研究所、上海机床厂、大连机床厂、同济大学等企业、高校研究所通过自主研发或采用技术交流的形式进行相关技术研究，相继采用钢筋混凝土或聚合物混凝土用于机床基础件的制造。但由于受到各种因素的影响，没有获得批量生产。随后，国内多所高校企业展开混凝土材料在机床上应用的研究。如辽宁工程技术大学徐平［7］从机理上分析了钢纤维聚合物混凝土力学性能和阻尼的内在本质，并通过制造、测试钢纤维聚合物混凝土车床床身模型证明了该材料制造机床床身的优越性和合理性。早在2007年济南鲁洋科技有限公司又与济南第四机床厂共同合作研发，并制作了树脂基复合材料床身。国内其他高校如大连理工大学、山东大学（山东工业大学）、重庆大学、昆明理工大学等分别从纤维增强树脂混凝土材料的制备工艺、性能测试以及纤维增强树脂混凝土机床基础件的制造加工、床身静动力学性能测试、仿真分析等角度来验证纤维增强树脂混凝土用于制造机床基础件合理性。国内吴隆［8］较早将树脂混凝土用于机床床身的制造，对材料组分的配比以及填料对材料的影响进行了相关研究。山东工业大学的李剑锋等［9］将聚合矿物复合材料用于了机床夹具的制造。大连理工大学的王德伦［10］团队进行了钢纤维混凝土床身的特性分析与试验研究，从静态与动态性能分别分析了钢纤维混凝土制造床身的可行性，结果表明钢纤维混凝土材料制成的床身在刚度、强度和固有频率等方面均能满足床身要求。浙江工业大学的卢波［11，12］团队基于有限元方法对树脂混凝土构件在磨床上的应用进行了大量的研究。他们将树脂混凝土应用到大型数孔龙门平面磨床立柱的制造，并采用有限元方法对树脂混凝土立柱进行了动力学分析，验证了树脂混凝土立柱比铸铁材料具有更佳的动态特性。陈旭东等［13］研究了树脂混凝土材料VmCL600加工中心关键结构的制造，提出金属材料与树脂混凝土相结合的混合结构用于机床床身制造，能进一步提高机床床身的综合性能。重庆大学的周忆［14］教授团队对树脂基复合材料床身的阻尼性能及热性能进行了研究。屈涛等［15］基于试验的方法对树脂混凝土床身进行了模态分析。山东大学的白文峰等［16］对纤维增强聚合物混凝土及其界面与阻尼机理进行了相关研究。由于混凝土本身存在着非均匀、非连续、非线性以及多相性等特点，决定了其力学性能的复杂多变，为分析其受力破坏机理，人们建立了各种各样的理论模型。目前，国内外对混凝土、钢纤维混凝土、高强混凝土的研究在日臻完善，但对纤维增强树脂混凝土的力学性能及本构关系的研究相对较少。另外，研究者多从纤维增强树脂混凝土材料的制备工艺、力学性能测试以及纤维增强树脂混凝土机床基础件的制造加工、床身静动力学性能测试、仿真分析等角度来验证纤维增强树脂混凝土用于制造机床的基础件。对纤维增强树脂混凝土机床基础件设计方法及工艺多借鉴传统铸铁材料的机床基础件，与纤维增强树脂混凝土特殊的成型工艺相匹配的结构优化设计方法相对较少。笔者认为纤维增强树脂混凝土数控机床基础件理论研究尚需从以下几个方面进行展开：（1）研究在树脂混凝土加入其他材质纤维（如玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维）时，纤维含量、长径比，粘结剂、骨料、填料等组分对其物理力学性能、阻尼性能、热稳定及化学稳定性的影响；以阻尼减振、热稳定和力学性能的良好组合为优化目标，进一步优化纤维增强聚合物混凝土的组分配比，确定适于制造数控机床基础件的纤维增强树脂混凝土材料的最佳成分配比；研究纤维增强树脂混凝土制造数控机床基础件的成型机理及生产工艺流程；根据其成型工艺，完善纤维增强树脂混凝土机床基础件的设计方法。（2）运用复合材料界面理论，从微观角度对纤维增强树脂混凝土的（钢纤维／基体）界面分析，研究纤维增强树脂混凝土在发生热变形时界面热剪应力与温度变化的关系。建立材料组分最佳比例下的纤维增强树脂混凝土力学本构关系。（3）在分析纤维、界面对材料阻尼的影响以及纤维增强树脂混凝土阻尼定量分析的基础上，建立纤维增强树脂混凝土材料阻尼数学模型。结合数控机床运行环境，建立多场耦合条件下，纤维增强树脂混凝土机床基础件的热、动力学数学模型。
1．2机床结构热动力学优化方面的研究现状
机床结构热动力学性能优化是改善机床动态性能和热稳定性的主要途径。自20世纪60年代，国内外学者对机床结构设计方法及数字化设计进行了广泛研究。通过试验与理论分析，找出了机床的薄弱环节，针对机床的薄弱环节进行结构优化，提高机床结构的静、动态力学性能。目前研究者已经开始尝试采用拓扑优化的方法来解决机床结构优化时遇到的问题。德国人L．Kroll等［17］利用拓扑优化技术在对机床各部分零件进行轻量化设计的基础上，获得整机的轻量化设计。马超［18］借用有限元分析软件，基于变密度拓扑优化对某型号机床立柱进行了拓扑优化，实现了机床结构的轻量化设计。饶柳生等［19］基于拓扑优化技术中的Simp方法通过改变加强筋板在机床立柱上的个数与分布位置，达到对机床立柱静动态性能优化的目的。巫修海等［20］采用iCm法的连续体拓扑优方法对高速卧式加工中心的立柱进行了优化设计，并获得了一定的效果。上述研究者多忽略了机床结构热变形的影响。研究者对数控机床基础件进行优化设计时，需要考虑结构的散热。尤其设计与数控机床主轴系统相关联基础件时，更应该考虑其结构的散热功能。笔者认为考虑机床热变形的影响因素对机床基础结构进行优化设计时，需要首先获得机床结构工作过程时精确的温度场，建立精确的热力耦合工况，最后考虑热力耦合作用，采用拓扑优化技术对机床基础件进行热动力学性能优化设计。
1．3纤维增强树脂混凝土机床基础件热动力学性能拓扑优化
纤维增强树脂混凝土可以看成以纤维为增强相以聚合物混凝土为基体形成的混杂两相复合材料。目前连续体结构的拓扑优化设计研究主要集中在采用单一材料进行优化设计，而两相、多相复合材料的连续体结构拓扑优化设计相对较少，且多停留在对结构的静力学性能进行优化，针对结构较复杂的纤维增强树脂混凝土机床基础件进行拓扑优化设计的研究更少。笔者［21］曾采用单元变密度方法和节点变密度方法，提出以模态阻尼比最大作为优化的目标函数，结合有限元建模、独立敏度分析、滤波和灵敏度再分配等步骤完成阻尼结构在板壳结构表面的布局优化，并取得了一定的效果。研究发现，对纤维增强树脂混凝土两相材料进行拓扑优化是可行的。另外，其他研究者也为解决纤维增强树脂混凝土两相材料机床基础件拓扑优化提供了解决思路。2000年Sigmund等［22］在对柔顺机构进行拓扑优化设计时，就采用了两相材料的插值模型。mei等［23］曾将柔度最小作为优化的目标，利用水平集方法对多相材料连续体结构进行了拓扑优化。wang等［24，25］在对多相材料进行拓扑优化时引入了相场理论。孙士平等［26］在对多相材料进行拓扑优化时，为了提高优化精度、抑制数值不稳定现象，提出了周长控制方法。Li等［27］曾以应力大小为约束条件，对两相材料的柔顺机构进行了拓扑优化设计。郭旭等［28］在节点水平集法的基础上提出拓扑描述函数法，通过引入支集放松技术，提高计算效率。由此可知，拓扑优化可以用于纤维增强树脂混凝土数控机床基础件的热动力性能优化。针对纤维增强树脂混凝土机床构件的热动力学性能拓扑优化的研究尚未报道。笔者认为纤维增强树脂混凝土在制备过程相对铸铁具有好的抗腐蚀性、吸振、防锈、耐热性以及常温下一次成型的低能耗特性。但纤维增强树脂混凝土同样具有很多缺点：成型时流动性比较差，弹性模量与铸铁比相对较小、不能焊接等。成型时的流动性制约了其不能像铸铁那样加工成相对复杂的构形；弹性模量低要求设计时若需提高结构刚性，需要增大截面的惯性矩，不能按照设计铸铁机床构件的图纸来制造纤维增强树脂混凝土数控机床构件，例如设计纤维增强树脂混凝土机床床身的截面形状可以根据实际需要来设计不同于铸铁床身的截面形状等；不具有焊接性能，制约了其用于制造数控机床基础件时只能一次成型或通过预埋构件进行连接，不能采用焊接的方式连接各部分构件等。考虑到纤维增强树脂混凝土苛刻的加工制造条件，要求设计者在对纤维增强树脂混凝土数控机床基础件热动力学性能设计，需采用传统设计方法设计的同时，尝试新的优化设计方法———拓扑优化方法。
2解决策略
为加快纤维增强树脂混凝土在数控机床基础件中的应用、提高数控机床抑制振动、热变形的能力，笔者认为需要从以下几方面进行研究：（1）机床的内部和外部热源都能引起机床的温度变化，使其产生热变形，破坏各部件之间的相对位置精度和运动精度，影响机床的几何精度和工作精度，其中基础件的热变形是影响机床加工精度的主要因素。研究者拟根据数控机床工作现场受到的外界及自身产生的温度场、载荷场，建立不同工况条件下，数控机床的载荷场。（2）根据纤维增强树脂混凝土苛刻的加工制造条件，基于能量原理，建立复杂工况下纤维增强树脂混凝土数控机床基础件的热动力学方程；采用有限元方法，对其进行数值求解。（3）发展和完善新的拓扑优化方法用于纤维增强树脂混凝土数控机床基础件的热动力学性能。该方法需要兼顾克服纤维增强树脂混凝土自身缺点影响、数控机床复杂的工况条件干扰的同时，并能提高优化设计计算效率。引入耦合物质点方法用于纤维增强树脂混凝土机床基础件的热动力学性能优化设计中，构造适合纤维增强树脂混凝土自身性能、满足结构间特性的，在空间上具有连续性、光滑性的拓扑变量场，建立多场耦合条件下纤维增强树脂混凝土机床基础件热动力学性能拓扑优化模型，引入动力学缩聚理论提高优化效率。最终获得最优、最实用的纤维增强树脂混凝土数控机床基础件结构。研究者需攻关的关键点为：（1）钢纤维增强树脂混凝土机床床身的动力学模型的建立①基于试验的方法研究在树脂混凝土加入钢纤维的含量、长径比，粘结剂、骨料、填料等组分对其物理力学性能、阻尼性能、热稳定性能及化学稳定性的影响，优化纤维增强聚合物混凝土的组分配比。②基于热力学第一定律，运用损伤力学和界面力学原理探究在热动力学约束条件下钢纤维增强树脂混凝土微观／细观结构和宏观特征关系、多相界面行为，增强、阻裂机理，建立材料的力学本构关系。③结合试验与理论研究结果，根据材料发生热变形时界面热剪应力与温度变化的关系，以及钢纤维增强树脂混凝土的阻尼性能，建立材料组分最佳比例的力学本构关系。④基于钢纤维增强树脂混凝土的力学本构关系，结合机床的结构特点，基于数值方法建立钢纤维增强树脂混凝土床身的动力学模型。（2）热、力环境载荷变化规律对数控机床床身动响应影响研究①基于朗格朗日定律研究机床床身受到温度场引起的等效热载荷，研究机床床身所受热载荷与动载荷的耦合关系，建立床身所受热载荷与动载荷的特征参数在机床床身空间及时间域内的表述模型。②探讨作用在机床床身上整体及局部的温度场／力的变化规律。③研究温度场和载荷对机床床身的动态响应特性。（3）钢纤维增强树脂混凝土机床床身热动力学建模及优化①分别以上述钢纤维增强树脂混凝土床身的动响应模型和环境载荷模型为边界条件和载荷条件，建立复杂环境约束条件下，钢纤维增强树脂混凝土机床床身的整体热动力学响应模型，分析床身的热动力学响应特性。②引入物质点方法，研究适合钢纤维增强树脂混凝土机床床身结构的热动力学拓扑优化方法，并建立以结构动响应最小为目标的床身动力学拓扑优化模型。③采用数值仿真和试验相结合的方法，研究优化后钢纤维增强树脂混凝土机床床身抑制振动、抗热性能效果。④运用形状优化方法紧密结合钢纤维增强树脂混凝土制造工艺，对拓扑优化的结果进行形状优化的处理，以利于钢纤维增强树脂混凝土机床床身的制造。
3解决思路
具体解决思路如图1所示。从研究纤维增强树脂混凝土材料本身力学性能及阻尼特性入手，建立材料本构关系。结合现场测试获得的tHC6380精密卧式的载荷谱，基于拓扑优化的方法，结合材料自身制造工艺特点对纤维增强树脂混凝土机床基础件的热、动力学性能进行优化设计，为该材料在高档数控机床基础件中的应用提供理论依据。
4结语
化学纤维的优点篇2
关键词：玻璃纤维；氧化锆纤维；碳纤维
1新型纤维材料的的产生发展：
二十世纪三十年代美国康宁公司成功制备出世界上第一束玻璃纤维。到了五十年代，池窑拉丝工艺的成功开发使玻璃纤维实现了跨越式的发展。二十世纪末，玻璃纤维已经发展成为较为成熟的纤维材料。氧化锆纤维是一种多晶质耐火纤维材料。自二十世纪六十年代末，科学界开始致力于氧化锆纤维的研制工作。美国联合碳化物公司首先成功制备出氧化锆纤维。在1987年之前，所制备的氧化锆纤维大都是短纤维，随着1987之后航空航天事业的大发展，碳纤维的不稳定性，使得氧化锆纤维日益受到关注。氧化错连续纤维氧化锆纤维化学性质稳定，具有很好的抗氧化性能。并且具有很小的热导率，具有很好的抗冲击性、可烧结性等，其本身具有高熔点及其他优异的高温性能，因而是良好的耐火纤维材料。碳纤维产生于二十世纪六十年代，经过大约六十年的发展，目前，世界pan基碳纤维总产量近4万t，日本东丽、东邦和三菱人造丝等3家公司的产量占其中的75%。目前，新一代碳纤维有t700、t800、t1000，最高拉伸强度达到7.02Gpa，模量为296Gpa。
2新型纤维材料的制备方法：
2.1玻璃纤维的制备方法玻璃纤维的制备方法主要有坩埚拉丝法和池窑拉丝法。坩埚拉丝法主要是通过电流加热坩埚中的玻璃球，并使其融化且保持一定的温度和液面高度。通过重力的左右，使玻璃液通过坩埚底部侧漏板上的漏孔稳定的流出。用玻璃棒将稳定的液流引下成丝，集结成束，经过集束轮，将浸润剂涂到丝束上，并将丝绕到丝筒上，再然后就将丝放入排线轮内，旋转的排线轮使丝束按照所要求的卷绕结构，有规律地卷绕在绕丝筒上。在卷绕过程中，排线轮逐渐后移，使原丝布满丝筒。当丝筒绕满后取下，即成为玻璃纤维原丝。池窑拉丝法主要先将块体的原料配制，玻璃的溶制，然后将玻璃液经过多排多孔拉丝漏板，经丝根冷却器和拉丝机高速牵引成型为纤维。
2.2氧化锆纤维的制备方法目前氧化锆纤维的主要制备方法浸渍法、混合法及溶胶-凝胶法。浸渍法主要是将粘胶纤维或织物通过饱和锆盐的浸泡，等到纤维充分的吸附膨胀后，取出清洗后，经过特殊的干燥工艺，热裂和煅烧去除有机物后，从而得到氧化锆纤维。由于此方法中前驱体含有的有机物含量高，因而所得的纤维质量较差。混合法是将有机物高分子聚合物与纳米级氧化锆粉末或者锆盐直接混合获得所需的纺织液体，然后经过纺丝工艺，再经过热处理后，便可以的到氧化锆纤维。但是此方法过于复杂，难于制成高质量的纤维。凝胶-溶胶法，通常先将醋酸锆盐或者高的醇盐，经过水解缩聚反应，获得含有锆-氧-锆的长链前驱体熔胶纺织液，经过纺织，热处理的工艺后，获得氧化锆纤维。此方法纺丝性能好，前驱体中锆的含量高，纤维的缺陷少，强度性能好，过程简单。
2.3碳纤维的制备方法目前市场上应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造过程包括纤维纺丝、热稳定化、碳化、石墨化4个过程。第一部是原丝制备，首先采用湿法纺丝制得聚丙烯腈和粘胶原丝，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。高性能聚丙烯腈基碳纤维制备需要采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝。制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相和潜在中间相（喹啉可溶各向异性沥青）等。第二部是预氧化过程从而得到耐热和不熔的纤维。第三部是碳化，其温度大约为聚丙烯腈纤维1000～1500℃，沥青1500～1700℃，粘胶纤维400～2000℃。第四部是石墨化，聚丙烯腈纤维为2500～3000℃，沥青2500～2800℃，粘胶纤维3000～3200℃。第五、表面处理，通过气相或液相氧化等，使纤维具有化学活性，以增大对树脂的亲和性。第六部上浆处理。通过上浆处理防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。
3.玻璃纤维、碳纤维、氧化锆纤维的应用前景
3.1玻璃纤维的应用前景
随着玻璃纤维拉挤成型工艺的迅猛发展，不仅可拉出捧管和越来越多型状断面的型材，而且拉挤中层加缠绕层提高了型材的抗劈能力和刚度。空心和夹玻璃棉芯的拉挤门窗框、拉挤与缠绕法结合开发路灯和输电FRp线杆以及拉挤经处理提高耐碱性后的玻纤纱线制成增强水泥棒在许多工业生产和应用中显示出巨大的优势。
玻纤湿法毡制品可用于增强沥青防水的材料，制成的玻纤基沥青毡和瓦对于建筑行业来说是优良的防水材料。湿法毡还可用于增强地板革和FRp的表面毡，近几年开发的玻纤毡增强热塑性冲压片材，已被广泛用于制造汽车等结构零部件。玻纤纱经纺织加工成网布或麻袋布经有机和无机表面处理，用于增强大理石和阻燃有机和无机涂料在国外建筑室内外装修上近两年有较大用量。将来，随着光纤光缆的高速发展，将玻纤作防水处理后作为光芯缆填料会有很大的市场。随着空调量的加大，集保温好、噪声低、重量轻的优点于一身的复合玻璃棉毡通风管也会逐步扩大应用。
3.2氧化锆纤维的应用前景
由于氧化锆纤维具有很高的熔点，很好的高温特性，并且具有很低的热导率，因此成为航空航天隔热材料的理想选择。此外，氧化锆纤维可以与很多金属或合金制备成宽温度范围的使用的超强金属基复合材料，与玻璃的复合材料可以支撑高强度绝热的玻璃。此外，氧化锆纤维制品还有氧化锆纤维粘、氧化锆纤维纸、氧化锆纤维布及刚性氧化锆纤维制品。氧化锆纤维是一种应用前景广阔的特种陶瓷纤维，具有优异的耐高温、耐腐蚀、抗氧化性，可以在航空、航天、化工冶金等领域的高温环境中使用，具有很高的开发利用价值。
3.3碳纤维的应用前景
碳纤维复合材料由于其比强度、比模量高、不生锈等众多优点，已成为飞机、导弹、运载火箭、人造卫星等结构上不可缺少的基础材料。碳纤维复合材料在飞机主翼、水平和垂直的横尾翼和横梁、装饰材料、板材料的使用大幅度降低飞机结构重量，改善飞机性能，减少燃料消耗。
大丝束碳纤维的生产工艺的成熟为碳纤维及其复合材料在汽车、电力、建筑、电子和化工等行业的应用创造较大的发展空间。
另外，碳纤维轻量化、耐疲劳、耐磨、耐腐蚀的优异特性使其在体育用品市场有巨大的发展潜力。目前主要应用于高尔夫球棒、钓鱼杆和网球拍框架。除此以外，碳纤维在冰球棍、滑雪杖、射箭、自行车、划船、赛艇等体育用品中也会扩大应用。
参考文献：
1.刘贵双..氧化锆纤维及纤维板的制备与性能研究.
2.胡利明，高芳，陈文.氧化锆纤维及其制品.人工晶体学报，2009，38，1.
3.刘和义，侯宪钦，王彦玲，赵相金，许东.氧化锆连续纤维的制备进展与应用前景.材料导报.2004，18，8.
化学纤维的优点篇3
综述了高温烟气净化材料使用的聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、芳纶1313、芳砜纶等新型合成纤维的性能特征、发展和应用现状，展望了相关纤维生产企业应尽快提高产品性能，以满足不断扩展的应用需求。
关键词：高温；净化；合成纤维
高耗能、高污染产业的发展，带来了严重的环境污染问题，由于空气、水等环境污染带来的经济损失每年在1000亿元以上[1]。为了有效解决高温烟尘气体的净化问题，近年来，环保部门把袋式除尘技术列为优先发展技术。随着袋式除尘技术的推广应用，我国对耐高温的新型合成纤维的需求量也逐年递增。目前，我国已有聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、芳香族聚酰胺类纤维等新型合成纤维用于高温烟气净化。
1聚苯硫醚纤维
聚苯硫醚纤维（ppS）是由美国philips-Fikers公司在1979年首先研制成功，并在1983年投放市场，后来的日本东丽、东洋纺、帝人以及德国的Bayer等公司均有ppS纤维上市。该类树脂具有部分结晶和可取向性，因此采用熔融纺丝方法，可生产长丝、短丝、圆形丝和异型丝。
ppS纤维的化学结构由交错排列的硫原子和对位取代苯环组成，大分子结构具有极高的稳定性。ppS纤维在高温下具有优良的强度、刚性及耐疲劳性，可在200℃~400℃下连续使用，其极限氧指数Loi为34%~35%。在200℃高温空气中，2000h后仍有90%的强度保持率，5000h后有70%的强度保持率，8000h后有60%的强度保持率[2]。庄玉玲[3]采用气体试验法对ppS滤料在So2气体中腐蚀失效的过程进行了研究，通过试验前后ppS滤料的机械特性、微观特征和化学结构的分析，认为ppS对So2气体具有良好的耐腐蚀性。
孙亚颇[4]将ppS纤维制成ppS针刺毡并对其进行过滤效率、强度及透气性能测试。结果表明，ppS针刺毡性能达到高温烟气净化的应用要求，对于粒径大于5μm的尘埃具有很好的过滤性能，过滤效率可达到100%；对于粒径0.5μm～5μm的尘埃，过滤效率可达90%以上。
2聚四氟乙烯（ptFe）纤维
ptFe材料在20世纪40年入工业生产，商品名为“特氟隆”（teflon），用于高温滤料的有ptFe纤维、微孔膜和浸渍液。ptFe纤维在1953年由美国杜邦公司开发，1957年实现工业化生产，制丝方法有乳液纺丝法、膜裂纺丝法、熔体纺丝法等。目前，国际上ptFe纤维主要生产厂商有美国杜邦公司、Gore公司、奥地利兰精公司、日本大金公司及东丽公司等。
ptFe纤维分子量大，聚合度在104数量级，对高温和化学作用的影响具有极强的适应能力。ptFe可在260℃下长期使用，短时间内可耐300℃高温，极限氧指数（Loi）为95%，除了熔融的碱金属、氟化介质以及高于300℃的氢氧化钠外，ptFe几乎不受任何化学试剂腐蚀。罗章生[5]利用聚四氟乙烯优异的耐高温、耐腐蚀性能，研制了耐高温针刺过滤材料。其实践表明，100%聚四氟乙烯针刺过滤毡产品应用于垃圾焚烧尾气过滤除尘，使用效果良好。
3聚酰亚胺纤维
聚酰亚胺纤维商品名为p84，是奥地利兰精公司生产的一种合成纤维。p84纤维的极限氧指数（Loi）达到38%，玻璃化温度是315℃，纤维可在250℃温度下长期使用，纤维不会熔融。p84纤维有良好的耐酸性，但是碱对p84纤维有很大的腐蚀作用，p84纤维属于缩聚型纤维，不耐水解，在高温高湿及酸碱环境下易发生水解。p84纤维具有优良的集尘性能，常常将p84与其他纤维混纺制成过滤材料。工业上将一层聚酰亚胺纤维与ptFe、ppS、芳纶1313纤维结合，制成复合结构产品[6]。
邓洪等[7]利用聚酰亚胺纤维横截面不规则、比表面积大的特点，与玻纤复合，通过梳理、针刺、化学处理等工序而制成的新型过滤材料，能够达到提高使用性能和降低产品成本的目的，其工程应用实例表明，该过滤毡的高温烟气净化性能优异，使用寿命较长。
4芳纶1313
芳纶1313纤维由美国杜邦公司于上世纪60年代初发明并工业化生产，产品注册为nomex。芳纶1313纤维具有优异的耐高温和阻燃性能、良好的可纺性和尺寸稳定性。目前，商业化的芳纶1313纤维有杜邦的nomex、帝人的Conex、尤尼吉卡的apyeil和俄罗斯的Fenilon纤维，其国际市场主要由美国杜邦公司和日本帝人公司两家控制[8]。
芳纶1313可在220℃下长期使用而不老化，而且尺寸稳定性极佳，在250℃条件下热收缩率仅为1%，短时间暴露于300℃下也不会收缩、脆化或者熔融，在超过370℃条件下才开始分解，400℃开始碳化。芳纶1313阻燃性好，其极限氧指数大于28%，属于难燃纤维，不会在空气中燃烧，具有自熄性，这种缘于本身分子结构的固有特性使芳纶1313永久阻燃，有“防火纤维”之称。芳纶1313的化学结构异常稳定，可耐大多数高浓度无机酸及其他化学品的腐蚀、抗水解作用和蒸汽腐蚀。
刘书平[9]研制了一种芳纶纤维阶梯度耐高温针刺过滤毡，该过滤毡为层状结构，在芳纶纤维机织布的上、下表面分别粘贴芳纶纤维层、芳纶混合纤维层，在芳纶纤维层的上表面再粘贴一芳纶细旦纤维层，其优点是耐高温，使用温度为204℃，瞬间使用温度为240℃；产品孔径结构呈梯度变化，实现表层与深层结合过滤，过滤效率高，运行阻力低；产品使用寿命长。
5芳砜纶（pSa）
芳砜纶简称为pSa，是我国自行开发具有自主知识产权的一种芳香族聚酰胺类纤维，大分子主链上由苯撑、间苯撑、酰胺基及砜基构成[10]。由于芳砜纶既有对位又有间位的结构，大分子主链上存在强吸收电子的砜基基团，硫原子处于最高氧化状态，同时通过苯环的双键共轭，显著降低酰胺基上氮原子的电子云密度，所以pSa纤维具有更优异的热稳定性和耐化学性。
pSa纤维热分解温度约为420℃，可在250℃条件下连续使用。pSa纤维在300℃热空气中的热收缩率仅为2.0%，pSa过滤材料的抗热收缩性能明显好于其他常用耐高温纤维过滤材料，表现出极佳的高温尺寸稳定性[11]。pSa纤维是缩聚型聚合物，在一定温湿度和酸碱环境下，容易发生化学反应，造成纤维化学腐蚀，强度下降。pSa纤维稳定的分子结构使其具有良好的抗氧化性。
纯pSa纤维滤料的透气性和阻力系数性能优于目前广泛使用的高温烟气净化用芳纶过滤材料，是一种耐250℃高温的新型烟气净化用过滤材料。在工业炉窑烟气净化领域应用前景良好。
参考文献：
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化学纤维的优点篇4
纵观近年来纺织上游产业产品开发的趋势，科技、时尚、绿色、功能仍然是主旋律。无论是化纤企业长丝、短纤的研发还是纱线企业功能性混纺纱的开发，基本围绕的主题不外乎这些。在这些主题之下，在本届纱线展数千种展品中，本刊记者为广大读者梳理了几大亮点，以供参考。
关键词1：绿色――产业之源的环保担当
今天“绿色发展”在制造业中已经成为至关重要的主题，许多企业都已经将“绿色”作为自身核心关键技术的主题词，或为之终身奋斗的事业。每一届的纱线展，“绿色”都是重要主题，无论是通过中国化学纤维工业协会认证的“绿色纤维”展团，还是许多差别化纱线企业，绿色都是纱线展上重要的一抹“色彩”。
杭州彩润科技有限公司是一家致力于高安全性、高附加值、高功能性生态环保型天然纺织材料开发与应用的公司，其总经理高光东告诉记者：“本次我们推出了‘工业化草木染’的概念，将日常生活中斑斓绚丽的植物色彩，通过现代工业科技的手段转移到各种环保的纤维之上，再纺出色谱齐全的色纺纱，为下游工业化草木染纺织品的开发提供了一种环保选择。”
哈密健康生态纺织有限公司和哈密绿天使纤维科技有限公司将在此次展会上重点推出由香港纺织科技顾问公司研发的环保无污染色技术生产的系列环保纺织产品。记者了解到此技术以阳离子化纤维素纤维染色的原理作为基础，通过改性处理，在纤维素纤维表面形成牢固持久的正电荷层，令带负电荷的分子（如活性染料和直接染料）与阳离子化的纤维之间产生强大引力，从而自行把染料吸附在纤维表面及细胞中。
化纤版块的“绿色”也是本届展会的重要一员，其中由中国化学纤维工业协会认证的“绿色纤维”企业是其中的中流砥柱。主办方相关负责人告诉记者：“首批通过‘绿色纤维’认证的八家企业在本届展会上基本都有自己的展位，而且在本届展会上还将有新的通过认证的企业对外。”
除此之外，以中国纺织科学研究院、山东英利、恒天纤维等为代表的国产莱赛尔纤维队列依旧坚守在国产莱赛尔纤维的阵地，也是展会“绿色”主题的组成部分。
关键词2：科技――化学纤维不变的基因
作为纺织的源头，纤维可以说是纺织工业科技发展的排头兵，也是实力担当。许多下游环节的科技概念更多的是依靠上游的科技攻关所赋予的。而纤维新材料不仅是“十三五”中国纺织工业的重点也是国家科技发展的重点。本届展会上就有许多富有科技含量的纤维产品，比如石墨烯纤维及复合材料、聚酰胺56纤维、醋腈纤维等。
这些纤维有的是第一次在纱线展以“商品”的属性出现，比如聚酰胺56纤维。聚酰胺56纤维以含淀粉的籽粒作物或者农业废弃物为原料，100%来源于生物基，通过控制聚合中的副反应，产品性能和功能得到大幅度提升和扩展。具有吸湿排汗、易染色性、本质阻燃等优势。多年来产业化问题一直是该纤维发展的瓶颈，今年该纤维的主推展商是：凯赛生物产业有限公司，其大声势的市场推广工作说明我国在该纤维领域的技术攻关已经取得显著成绩。
石墨烯纤维是本届展会的另一大吸睛产品。石墨烯纤维主要有两种类型，一种以天然石墨为原料制成，一种是生物质石墨烯。石墨烯与聚合物通过共混或者原位聚合的方法制备纤维，制备成的纤维具有本质阻燃、抗静电、抑菌、抗紫外及低温远红外等多种性能。目前成熟的纤维品种有石墨烯聚酯纤维、石墨烯聚酰胺6纤维及石墨烯再生纤维素纤维等。本届展会石墨烯队列的展商主要有：济南圣泉集团股份有限公司、常州恒利宝纳米新材料科技有限公司、南通强生石墨烯科技有限公司。
关键词3：功能――让消费者闻得到摸得着
现在功能性已经成为终端消费品提升附加值的一个重要方式，自下而上传导到上游，纤维的功能性也是近年来市场的热点。每届展会上都可以看到各种类型的功能性纤维。
上海正家牛奶丝科技有限公司是一家长期专注新型纤维，并集研发、生产、销售于一体的高新技术企业，是目前世界上唯一的牛奶蛋白纤维生产商。本届展会该公司主要带来三种产品：正家牛奶蛋白纤维，卡普龙聚合铜纤维，易热宝高吸湿发热纤维。据悉，该公司不但是牛奶蛋白纤维和卡普龙聚合铜纤维的国内唯一生产商，而且参与了行业标准的制定，填补了行业空白；同时易热宝高吸湿发热纤维打破了日本同行在领域上的垄断。
上海正家牛奶丝科技有限公司产品开发部经理施海京告诉记者：“这三种产品不但全部具有发明专利，在行业内也有举足轻重的地位。正家的理念是开发出让消费者闻得到摸得着的功能性产品――闻得到牛奶纤维的丝丝奶香，闻不见卡普龙赶走的汗臭味，摸得着易热宝的融融暖意。”
上海纺织（集团）有限公司教授陈邦伟告诉记者：“不同于市场上大部分共混或者后整理方式获得某种功能的纤维，上海正家的功能性纤维主要是运用接枝共聚技术，通过改变纤维的分子结构从而使其获得抗菌，消臭，吸湿发热等功能。这种形式科技含量高，难度大，但是纤维功能稳定而持久，在实际应用中体现出巨大的优势。”
关键词4：差异化+――多元复合提升附加值
对于化纤企业来说，体量大、产量大是行业的普遍情况，然而在“新常态”的整体降速影响下，过去依靠量的增长的模式已经明显受到挑战，一批走“专小精特”模式的企业表现出了逆势上扬的发展态势。上海德福伦就是其中的典型代表。
上海德福伦化纤有限公司是国家纺织产品开发中心评定的“国家差别化聚酯新材料产品开发基地”，在量大面广的聚酯领域，上海德福伦致力于成为差别化纤维的领军企业。德福伦具有很强的产品开发能力，一直以来也是纱线展一年两季的常客。
化学纤维的优点篇5
pBt纤维性能：1、pBt纤维的强度为30.91～35.32cn/tex，伸长率30%～60%，熔点为223℃，其结晶化速度比聚对苯二甲酸乙二酯快10倍，有极好的伸长弹性回复率和柔软易染色的特点。
2、由pBt制成的纤维具有聚酯纤维共有的一些性质，但由于在pBt大分子基本链节上的柔性部分较长，因而使pBt纤维的熔点和玻璃化温度较普通聚酯纤维为低，导致纤维大分子链的柔性和弹性有所提高。
3、pBt纤维具有有良好的耐久性、尺寸稳定性和较好的弹性，而且弹性不受湿度的影响。
4、pBt纤维及其制品的手感柔软，吸湿性、耐磨性和纤维卷曲性好，拉伸弹性和压缩弹性极好，其弹性回复率优于涤纶。pBt纤维在干湿态条件下均具有特殊的伸缩性，而且弹性不受周围环境温度变化的影响。
5、具有良好的染色性能，可用普通分散染料进行常压沸染，而无需载体。染得纤维色泽鲜艳，色牢度及耐氯性优良。
化学纤维的优点篇6
【摘要】
目的对细菌纤维素高产菌株葡糖醋杆菌G-29进行发酵优化，以提高其细菌纤维素合成能力。方法采用基于非完全平衡块原理的plackett-Burman(pB)试验设计法，筛选出了3个主要影响因子：混合碳源（葡萄糖∶蔗糖=1∶2），mgSo4，乙醇，然后采用Box-Behnten中心，组合试验设计和响应面分析方法（RSm）确定其最佳浓度分别为混合碳原52.3g/L，mgSo40.1598g/L，乙醇32.5ml/L。用扫描电镜观察了细菌纤维素的形态结构，并通过X射线衍射分析其在干态下和湿态下的最佳结构。结果在优化培养基条件下，菌株G-29发酵生产细菌纤维素的产量为11.83g/L，是优化前产量（6.20g/L）的1.9倍。结论pB试验和RSm相结合的试验方法，用于优化G-29发酵培养基，不仅科学合理而且准确有效。
【关键词】葡糖醋杆菌属细菌纤维素plackett-Burman设计响应面分析
abstract：objectiveinthismanuscript，theoptimalconditionsforcelluloseproductionbygluconacetoba-aterG-29weredeterminedinordertoimprovetheyieldofbacterialcellulose.methodsplackett-BurmanDesignwasusedtoevaluatethreestatisticallysignificantparametersincludingmixedcarbonsources(Glucose:sucrose=1:2)，mgSo4，ethanol.theoptimallevelsofthreevariablesweredefinedbyBox-Behnkendesignandresponsesurfacemethod(RSm):mixedcarbonsources:52.3g/L，mgSo40.159g/L，ethanol32.5g/L，ethanol32.5g/Lcomparison.themorphologyofbacterialcellulose(BC)producedwasobservedbyscanningelectronmicroscope(Sem).thecrystalstructureofBCindriedandwetstatewasstudiedbyX-raydiffractometry(XRD).ResultstheresultsindicatedthattheBCyieldundertheoptimalfermentationmediumwas11.83g/L，whichwasas1.9timesasthatundertheoriginalfermentationmedium.ConclusionthemethodofpBdesigncombinedwithRSmusedforoptimizationofG-29fermentationmediumisscientificandaccurate.
Keywords：Gluconacetobacter;Bacterialcellulose;plackett-Burmandesign;Responsesurfacemethod
细菌纤维素(Bacterialcellulose，简称BC)是由部分细菌产生的一类高分子化合物，在化学组成和结构上同植物纤维相同，都是由D-葡萄糖以β-1，4糖苷键连接形成直链多糖，再经聚合而成。与植物纤维不同的是细菌纤维素是以单一纤维形式存在，纯度极高，不掺杂如植物纤维中的半纤维素或木质素等其它多糖类［1］，因此其具有抗拉强度高、杨氏模量高、良好的生物适应性以及优良的持水性和通透性等特点［2］。除了可用作膳食纤维和食品成型剂，还可用于生产纱布、绷带、人造皮肤等生物医学用品，有利于皮肤组织生长和限制感染。
自1987年以来，已有很多关于细菌纤维素膜用于烧伤、烫伤、皮肤移植等治疗的报道，目前已发展出纱布、绷带和“创可贴”等各种伤科敷料商品。它具有在伤口中维持湿的环境，防止体液流出，保持高机械强度，对液、气具有良好通透性，与皮肤相容性好、无毒、不发热，良好的防菌和隔离性等众多特点，均优于当今其它人造皮肤和伤科敷料。早在20世纪80年代初，巴西的Biofill公司就开始了用细菌纤维素膜制造伤科敷料的研究，成功开发出人造动脉，人造血管与人造皮肤等医疗用品［3］，并已成功地应用于处理皮肤移植和慢性皮肤溃疡。这种材料可有效缓解疼痛，防止细菌感染，有利于皮肤组织生长，促进伤口愈合，对水分及电解物有良好的通透性，与传统的材料相比，这种材料成本低，处理时间短，更有利于健康皮肤的生长［4］。除此之外，细菌纤维素还可作为缓释药物的载体，软骨组织工程的支架材料［5］等。
能产生细菌纤维素的细菌种类较多，常见的有醋酸菌属、土壤杆菌属、假单胞杆菌属、无色杆菌属、产碱杆菌属、气杆菌属、固氮菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等9个属中的某些种。其中醋酸菌属中的木醋杆菌（acetobacterxylinum）是最早被发现同时也是研究较为透彻的纤维素产生菌，现已作为研究纤维素生物合成过程和机制的模式菌株。根据《伯杰氏系统细菌学手册》第9版，木醋杆菌已被划分到葡糖醋杆菌属（Gluconacetobacter）中，改为木葡糖醋杆菌（Gluconacetobacterxylinum）。
近几年关于细菌纤维素生产合成的研究仍多以木葡糖醋杆菌或其变种做为试验菌种，为此，本实验室分离筛选出一株细菌纤维素高产菌G-29，并经16SrDna测序鉴定该菌为葡糖醋杆菌属中一个新的菌种。
本实验以G-29为试验菌种，在前期试验的基础上，利用响应面分析法［6］，对其发酵培养基的诸多营养因素进行考察和评价，并确定了细菌纤维素合成的重要影响因子的最优水平，取得了较好的发酵效果，为进一步提高其产量和后续的放大培养奠定基础。
1材料
1.1菌种来源葡糖醋杆菌（Gluconacetobactersp.）G-29，由本实验室课题组2008年从成都市所采集的水果样品中分离获得，保存于四川大学生物资源与生态环境教育部重点实验室。
1.2培养基斜面培养基：葡萄糖30g/L，酵母膏5g/L，na2Hpo41g/L，mgSo40.15g/L，乙醇20ml/L，琼脂18g/L，pH6.0；种子培养基：葡萄糖50g/L，酵母膏15g/L，na2Hpo43g/L，mgSo40.2g/L，乙醇40ml/L，pH6.0；用于响应面分析的基础发酵培养基：葡萄糖30g/L，酵母膏5g/L，na2Hpo41g/L，mgSo40.15g/L，乙醇20ml/L，pH6.5；优化后的发酵培养基：混合碳源52.3g/L（葡萄糖:蔗糖＝1:2），酵母膏8g/L，FeSo40.2g/L，mgSo40.159g/L，na2Hpo42g/L，柠檬酸1g/L，乙醇32.5ml/L，pH6.5。
1.3培养条件挑取一环活化的斜面菌种至装有100ml种子培养基的250ml三角瓶中，30℃，110r/min振荡培养24h，然后按照8％的接种量，将种子培养基接入装有100ml发酵培养基的250ml三角瓶中，8层纱布封口，30℃静置培养7d。
2方法
2.1细菌纤维素的产量测定从培养基中取出纤维素膜，用水多次冲洗，除去膜表面培养基及杂质。再将膜浸泡于0.1mol/L的naoH溶液，100℃煮沸20min，去除液膜中的菌体和残留培养基，膜呈乳白色半透明。然后用蒸馏水多次冲洗，用pH试纸轻压膜测pH值，约7.2，80℃干燥至恒重。纤维素含量用g/L表示。
2.2发酵培养基优化方法plackett-Burman设计、Box-Behnken中心试验设计及响应面分析。
3结果
3.1plackett-Burman设计法筛选重要因素根据笔者前期实验，本研究选取混合碳源（葡萄糖∶蔗糖=1∶2），酵母膏，FeSo4，na2Hpo4，mgSo4，柠檬酸、乙醇作为pB试验的7个因素，每个因素取两个水平，因素水平及编码见表1，数据分析及模型建立由Designexpert软件完成。表1plackett-Burman(pB)实验设计因素水平及编码（略）
根据plackett-Burman实验设计得到的7因素12实验组合，依次进行培养基的配制、接种、发酵试验(每组3个平行，取平均值)，以细菌纤维素干重为响应值Y。结果如表2所示。
由表3可以看出，对G-29发酵合成能力影响最大的因素是混合碳源（葡萄糖/蔗糖=1∶2），其次是乙醇和mgSo4。这3个因素对细菌纤维素产量影响显著，置信度高于90%，可作为进一步优化的因素。而其它4个因素对发酵产量的影响未达到显著水平，在下一步的研究中不予考虑。表2plackett-Burman(pB)试验结果（略）表3plackett-Burman试验主效应分析（略）
3.2重要因素与产量关系的2次方程的建立由Box-Behnken和Box-wilson提出的中心组合设计是两种常用的响应面分析法，适用于2～5个因素的优化试验。Box-Behnken每个因素取3种水平，以(-1，0，+1)编码，对数据进行二次回归拟合，得到带交互相和平方相的二次方程，分析各因素的主效应和交互效应，最后在一定的水平范围内求出最佳值。对发酵产量有显著性影响的3个因素的水平及编码见表4。表4Box-Behnken试验因素水平及编码（略）
在plackett-Burman试验的基础上，在最陡爬坡试验确定的浓度区域内，对影响G-29合成细菌纤维素的关键因素按照Box-Behnken设计进行l5组试验(每组3个平行，取平均值)，以细菌纤维素干重为响应值Y。结果见表5。表5Box-Behnken设计与细菌纤维素产量（略）
利用统计软件minitab15对表5数据进行二次多项式拟合，获得细菌纤维素产量(Y)对自变量葡萄糖/蔗糖(x1)，mgSo4(x2)，乙醇(x3)的多元回归方程：Y=11.2233+0.4438X1+0.2088X2+0.4150X3-0.9279X12
-0.5879X22-0.8254X32-0.0025X1X2-0.0500X1X3+0.0000X2X3
从该方程的方差分析(表6)可知，该模型极显著(p
3.3响应面分析及最佳培养条件确定通过回归方程来绘制分析图，考察所拟合的相应曲面的形状，响应面立体分析图和相应等高线图见图1～3。通过该组图可对主效应因子对细菌纤维素产量的两两交互作用进行评价，并确定各个因素的最佳水平范围。表7发酵培养基多元二次方程方差分析表（略）
由图1～3可知，该回归方程存在稳定点，即极大值点，经分析可知回归模型的稳定点的编码值为：X1=5.2323，X2=0.0159，X3=3.2525，相当于葡萄糖/蔗糖为5.2323g/100ml，mgSo40.0159g/100ml，乙醇3.2525ml/100ml，在此最优条件下，细菌纤维素的预测最大产量为11.347g/L。为验证模型的准确性和有效性，用预测的最优发酵培养基进行发酵实验，可得实际细菌纤维素产量为11.83g/L，是优化前的基础发酵培养基产量(6.20g/L)的1.9倍。由此，进一步证明该回归方程能够真实的反映筛选因素对细菌纤维素产量的影响，可用于预见实际发酵情况，对发酵条件的研究具有指导意义。
3.4细菌纤维素形态与晶体结构分析
细菌纤维素膜经水冲洗和稀碱液处理后，残留的发酵液及菌体被除去后，细菌纤维素膜呈乳白色半透明胶状（图4），外表均匀光滑，质地柔韧。经干燥后，由电镜扫描可观察其微观结构为典型的超微细网状结构(图5)，由高密度微纤维进行无规则的层状重叠，互相缠绕形成。
纤维素X-射线衍射图谱是以衍射角为横坐标，衍射强度为纵坐标，以晶胞(101)，(101)和(002)面的衍射峰为计算基准。由图6可以看出，干膜的衍射图分别在14.942θ和22.452θ处有两个主要的衍射峰，这是纤维素i的特征峰，即细菌纤维素的晶体结构属于纤维素i。其中2θ为22.45处的衍射峰对应晶面(002)，在纤维素X-射线衍射图谱中，2θ值在22.50附近的峰高代表了002面的衍射强度，即结晶区的强度。由衍射图谱可看出，G-29合成的细菌纤维素，结晶指数高，结晶强度大。而图7则反映了湿膜的衍射峰，只在28.52θ和422θ处有衍射峰，没有呈现出纤维素i的衍射峰，表明湿态的晶面面间距比干态的小。这两个峰的峰宽比干态下大，表明其结晶不完全，结晶度低，晶粒尺寸小。可能是由于细菌纤维素湿膜含有大量的水，导致纤维素分子链之间的距离增大，在水分子与纤维素链的相互作用下，纤维素分子链之间的氢键模式发生改变，从而影响了细菌纤维素膜的晶型和晶粒尺寸，导致其的结晶度变低。
4结论
本实验采用了plackett-Burman试验设计，对影响菌株G-29合成细菌纤维素的7个因素进行了评价，筛选出了混合碳源（葡萄糖∶蔗糖=1∶2），乙醇和mgSo4为影响细菌纤维素产量的关键因子。葡萄糖是合成细菌纤维素的原料，蔗糖可以缓解发酵过程中pH值的急剧降低；乙醇可以被细菌氧化为乙酸，同时生成用于细胞合成的atp等高能量化合物［7］，对细菌纤维素的合成起促进作用，而mgSo4中的mg2+是纤维素合成酶的激活剂。因此，以pB试验筛选出的主要影响因子能够反映实际情况，证明该方法是一种经济而有效的试验方法。
通过响应面法(RSm)建立了细菌纤维素发酵培养基的回归模型：Y=11.2233+0.4438X1+0.2088X2+0.4150X3-
0.9279X12-0.5879X22-0.8254X32-0.0025X1X2-
0.0500X1X3+0.0000X2X3该模型高度显著，可用于实际分析与预测。
优化后的发酵培养基组成：混合碳源52.3g/L（葡萄糖∶蔗糖＝1∶2），酵母膏8g/L，FeSo40.2g/L，mgSo40.159g/L，na2Hpo42g/L，柠檬酸1g/L，乙醇32.5ml/L，此条件下的发酵产量是优化前的基础发酵培养基产量(6.20g/L)的1.9倍，表明plackett-Burman试验和响应面相结合的试验方法用于优化G-29发酵培养基，不仅科学合理而且准确有效。
细菌纤维素具有超微结构，湿膜的固形物含量低，持水性高，结晶不完全；干燥后结构致密，抗拉强度高，结晶指数高，结晶强度大。
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化学纤维的优点篇7
超细纤维的品种有超细粘胶丝、超细锦纶丝、超细涤纶丝、超细丙纶丝等等。利用不同的技术，可制造出不同纤度、种类及用途的超细纤维。其生产技术与制造工艺大致可分为直接纺丝改良法、高分子相互并列纺丝法、剥离型复合纺丝法、多层型复合纺丝法、共混分割法和海岛法等。
1.直接纺丝改良法（DSp）
直接纺丝改良法又称常规纺丝改良法，是指用常规纺丝方法改良其工艺设备直接制造微细纤维的方法。目前可以用poY或FDY纺丝机，在工艺设计上稍加改进就可适用于超细纤维生产：
⑴螺杆挤压机要有一个低温混合头（Ltm），以保证熔体的均匀一致；
⑵要有高质量，纯净的不含凝胶粒子和颗粒状杂质的熔体，因此要有熔体预过滤器；
⑶组件要求下装式，以防烟囱效应，保证喷丝板组件温度均匀；
⑷喷丝板设计中要注意“无湍流”的孔间距及排列方式；
⑸丝条要充分均匀冷却以降低Uster值；
⑹喷丝板面至侧吹风距离尽可能短；
⑺上油系统在喷丝板下面约300mm～600mm处；
⑻纺丝甬道比常规纤维短，一般为300mm～500mm，以降低纺程张力；
⑼采用锭子式卷绕头纺poY用沟槽筒，FDY用双转子式横动装置；
⑽加热器和假捻变形器之间的丝路要直，否则会造成毛丝和降低纤维强度；
⑾摩擦盘要采用聚氨酯盘，以减少纤维表面磨损。
用poY和FDY纺丝机生产微细纤维，最大优点是可直接获得单一组分的超细纤维，不需像复合纺丝或共混纺丝那样进行双组分的剥离或溶解，一般可稳定生产0.7dtex～1.0dtex的纤维，因此成本较低。如果熔体质量和机器性能好，可生产最细至0.44dtex的微细纤维。若是生产单丝纤度低于0.44dtex纤维要用复合纺丝机。
2.直接优化纺丝法（DSom）
通过优化纺丝工艺对传统纺丝方法的改进，在熔体纺丝时要适当降低聚合物黏度、提高熔体纯净度，降低喷丝板下方的环境温度使冷却加速并提高冷却吹风的均匀程度。利用直接纺丝无须化学或机械处理即可直接获得单一组分的超细纤维，生产成本低，产品质量稳定。目前通过直接纺丝法所制得的最细商业化产品为单丝线密度为0.165dtex的pet纤维。与常规纺丝法比较，聚酯超细长丝的纺丝方法需做如下优化改进：
⑴适当降低聚合物黏度。可通过降低聚合物分子量或提高纺丝温度来达到目的，这些措施可防止因液滴型挤出而断丝。
⑵喷丝板上的喷丝孔应呈同心圆均匀排列，使丝条均匀冷却。
⑶降低喷丝板下方的环境温度，使丝条迅速冷却，并在喷丝板下方20cm～70cm处集束、卷绕，以获得未拉伸丝。
⑷使纤维经受4～6倍的后拉伸。在特定的条件下可进行10～20倍的拉伸，但技术条件不稳定，而且范围较窄，故未获得应用。
⑸通过高精度过滤以提高纺丝熔体的纯净度。
⑹减少熔体的挤出量。
这种DSom工艺生产效率高，成本低，是当前超细纤维发展主要趋势。西欧，美国主要采用这种工艺生产超细旦纤维。用于做仿丝绸和做高密织物（功能性服装）。poY工艺中最经济的方法是poY直接上整经机，即wD或wDS的方法，直接做超细旦的大经轴。意大利ValLesina公司已用此工艺制造单丝纤度为0.5dtex的超细纤维用于仿真丝的经纱，但这适合于大规模生产。
3.复合纺丝法
采用复合纺丝机生产超细纤维最早是在日本开发成功的。早在1970年由东丽公司开发的超细纤维用于仿麂皮。1972年由钟纺公司开发仿真丝织物，1981年由钟纺公司开发了超高密织物，同年东丽公司又开发了第二代仿皮革产品，1985年钟纺公司又开发了高性能洁净布。
复合纺丝制造超细纤维根据不同的工艺又分为剥离型和海岛型两大类。剥离型超细纤维是将两种互不相容但熔体黏度相近的高聚物熔体进行复合纺丝，复合纤维织造和染整后，经剥离得到超细纤维。剥离方法有机械法，溶剂溶除法和溶解法。海岛型超细纤维是两组分中一组分为海，另一组分为岛，岛分布在海组分中。海组分要选用易溶性高聚物，如聚苯乙烯，这种纤维织成织物后用溶剂将海组分溶解，留下岛组分，用此方法可制得单丝纤度为0.001dtex的超细纤维。
复合纺丝法工艺复杂，技术要求高，大量的复合熔体细流组成一根超细纤维，不仅需要有特殊的技术设计与复杂的熔体分配方式，而且制造纺丝组件和配件都必须相应配置，还要利用两种或多种组分纤维不同的物理化学特性，在织造后采取不同的整理手段才能得到各种各样的产品。根据不同的工艺，利用复合纺丝法制造超细纤维又分为剥离型和海岛型两大类。
a.机械剥离型复合纺丝法
该方法是将两种化学结构上完全不同、亲和性有差异但熔体黏度相近的高聚物熔体，按一定比例通过复合纺丝制备成橘瓣形、米字形、中空形等复合纤维，利用两组分的相容性和界面粘结性较差的特点采用机械剥离得到超细纤维。剥离方法有机械法、溶剂溶解法等。日本钟纺、帝人等化纤公司制作超细纤维用的主流工艺就是机械剥离型复合纺丝法。
B.海岛剥离型复合纺丝法
海岛剥离型复合纺丝法又称“溶解（或水解）剥离复合纺丝法”。这种超细复合纤维是20世纪70年代初开发的一种新型纤维，从纤维的横截面看是一种微细而分散的岛组分被另一种海组分包围着，海组分与岛组分在纤维轴向上是连续、均匀的，将所得复合纤维采用合适的溶剂溶解或水解除去其中的海成分即可得到只保留岛成分的超细纤维。
早期的海岛型复合纤维采用pet或pa作为岛组分，海组分大多采用pS或pe，然后用苯、甲苯等有机溶剂除去海组分，但这样带来了环境污染、易燃易爆等问题，限制了它的发展。20世纪90年代以来人们致力于水溶性聚酯（Copet）的研究，用其作为海组分，在热水或热碱液中即可水解，避免了使用有机溶剂，减少了环境污染。目前在海岛剥离型复合纺丝法中主要有“定岛型”与“不定岛型”两种工艺：
a.定岛型复合纺丝法
定岛法较复合纺丝法的熔体分配体系和纺丝组件更复杂，技术要求更高。其“海”组分与“岛”组分分别由单独的螺杆挤压机进行熔融，然后到纺丝组件进行复合。在纺丝成形过程中海岛间不分离，保持单丝形态，同时岛组分在成型过程中不粘连（单丝内岛与岛之间良好的分离）。复合纺丝后是以常规纤度存在，即所得纤维截面为海组分的皮芯包围岛组分的芯层，只有将“海”成分溶解得到“岛”组分的芯层，才可真正制成超细纤维。
①根据钟纺、帝人、东洋与杜邦、Hills、库拉雷等大公司的经验报告：岛成分在纤维的长度方向上是连续均匀分布的，岛数固定且纤度一致，一般只能达到0.1dtex～0.05dtex左右。但目前已能生产980岛或更多岛的海岛型超细复合纤维。
②据杜邦公司披露，目前适用于制造海岛型超细纤维的聚合物有：聚苯乙烯-聚酯，聚苯乙烯-聚酰胺，聚乙烯醇-聚烯烃等；其纤维中的岛组分有pet、pa、pp2等；海组分有聚苯乙烯、聚乙烯（有机溶剂可溶）、聚酯/间苯二甲酸酯磺酸钠共聚物（热碱溶液可溶）和聚烯醇（热水可溶）等。例如杜邦公司“HpF”产品以聚酯为岛组分、聚苯乙烯为海组分，制得超细聚酯纤维的纤度为0.001dtex，截面呈圆形，直径为0.1μm。也可以整个复合丝的形态加工成织物，在后加工时除去海组分，在纤维间出现微孔隙而容易相互滑移，做人造革特别合适。
③根据日本钟纺、帝人的报告：定岛法可自由变化海岛比例，控制超细旦纤维的纤度和截面形状为降低成本，可减少可溶性组分的比例，减少溶解量，同时对可溶性聚合物的选择需综合考虑各种因素。
④库拉雷公司也认为，在不可溶聚合物纺丝温度下，可溶性聚合物必须热稳定性好，在纺丝过程中两者要有和谐的流变学性能，不可溶聚合物价格适宜，且溶解过程应当无污染，无毒，无腐蚀。
⑤该工艺的定岛技术正在不断开发中，例如制造眼镜洁净布的超多岛技术、岛组分表面的凹凸化、岛组分异纤化混合排列、岛组分混合不同聚合物的技术等都已得到实际应用。
b.非定岛型复合纺丝法
“非定岛型复合纺丝法”也称为“高分子相互并列体纺丝法”。该技术是通过不相容聚合物共混纺丝制得，纺丝后也是以常规纤度存在。与定岛纤维不同的是，在不定岛纤维中岛的大小、数量、分布及其长度都在一定范围内存在随机性。岛的数量很多，所以平均线密度更小，用溶剂萃取海组分后纤维呈束状，单纤纤度一般在0.01dtex～0.001dtex左右，甚至可达0.0001dtex，因而与胶原纤维更相似。
①根据钟纺、帝人、东洋等公司的报告，采用非定岛技术生产海岛纤维，对设备的依赖性要比定岛技术的依赖性要弱些，但是对工艺技术控制方面要更复杂。如海岛组分间的分散与拉伸情况，粒子尺寸与分布，熔融流体在纺丝过程中剪切黏度的匹配与控制等。这些因素都直接影响到岛组分纤维的纤度、长度、数量、分布均匀程度、分离效果等。
②杜邦、Hills、库拉雷等大公司的经验报告：非定岛技术是利用非相容高聚物体系共混纺丝，由于两组分组成比与熔体的黏度比有一定的关系，可使一种组分形成分散相，另一种组分形成连续相，分散相以微纤状分散在基体相中，即所谓“不定岛”式海岛型共混纤维，将其中海组分溶解或水解掉即可得到超极细纤维。
4.其他纺丝法
目前，国际化纤大公司开发超细短纤维的制造方法有很多，举两种具有代表性的方法供参考。
a.喷射纺丝法（或熔喷法）
该方法是从刀口状喷丝板端开出的一排细孔，熔融的聚合物从众多微小喷丝孔中吐出，再用热风吹散的方法。由于该方法采用吹散熔融聚合物的形式，因此主体是细纤维。但也适用于制造粗细不均匀的短纤维相互熔融黏着的薄片。将细纤维与粗纤维同时喷出制成混合物，可得到蓬松性和保湿性优良的薄片。从制造方法上可以知道该方法的缺点是纤维的分子取向低。
在此基础上，美国al-banyinternational公司新开发的静电熔喷纺丝法，是聚合物溶液或熔体在静电作用下，以适宜的溶液喷射量及黏度参数，运用于纱线成型中进行喷射拉伸而获得纳米级超细纤维的纺丝方法。
B.闪蒸纺丝法
闪蒸法是纺粘法的一种，属于溶液纺丝。该纺丝法是将聚合物溶解于低沸点的溶剂（如液化气等）中，加热、加压从喷丝板瞬间气化喷出制成纤维。这种瞬间高压喷射出来的聚合物，喷丝速度每分钟可达到1万米，形成的纤维直径一般在0.1μm～10μm之间，可得到0.01dtex的超细纤维，属于纳米级超细纤维。所以，也有人把闪蒸法称为“闪纺”或“急骤纺丝”，在非织造布方面的需求迅速增长，可用于装饰材料和信封等各种包装材料。此外，在聚乙烯中加入抗静电剂、透明颜料并利用超声波粘合工艺等是当前杜邦公司发展闪蒸纺丝法的一大趋势。
其他纺丝法还有：离心纺丝法，湍流成形法，冻胶纺丝法，原纤细化法，超高速牵伸法，湍流成形法。
超细纤维新技术新产品
超细纤维被称为新一代合成纤维，它是高性能，高品质与高档次的纺织原料，是化学纤维向高技术、高仿真化方向发展的新合纤的典型代表。国际各大化纤公司都在竞相开发超细纤维的新技术与新产品（nt/np）：
nt/np-1、“regenerate”超细纤维。美国alCbanyinternational公司在超柔软拒水性超细纤维“primaloft”的基础上，新开发出性能更优异的超细纤维“primaLoftRegenerate”。该纤维为直径0.001dtex～0.01dtex的超细纤维，由50%以上的再生材料及专利微纤维制成，结合超细纤维及专利的特别处理程序，成就难以置信的柔软、质轻及防泼水性，而且符合严格的测试标准，其特色是高保温效果、快干性能佳、轻量化、透气性佳、手感柔软、蓬松度佳、拒水性佳等功能。其吸水性为一般纤维的1/3，在干燥时的保暖效果多14%，在潮湿时的保暖度多24%。
nt/np-2、“Superclean”超细纤维。韩国SilverSta公司近期开发了名为“Superclean”的新型超细纤维织物，因其具有超强的洁净能力，洗涤时不需使用化学清洁剂，其产品在市场极受欢迎。Superclean的纤维材料采用pet、pa及pa6新式配制，经裂变分解织造而成；该纤维细度为真丝1/20，头发丝的1/360。该超细纤维另一特点是在成丝中采用orangeflap技术将长丝分成多瓣形，使纤维比表面积增大，织物中孔隙增多，借助毛细管芯吸效应使吸水能力极强，经久耐用，可经过大约600次水洗。而其特殊的横断面能更有效地捕获小至几微米的尘埃颗粒，大增强除污去油效果十分明显。
nt/np-3、“Beli-effect”超细纤维。日本钟纺公司的“Beli-effect”为一种阳离子可染型的复合聚酯超细纤维。Beli-effect是将原先70%聚酯/30%尼龙混纺的“Belimax”，改良聚丙烯与聚酯的部分而开发新型超细纤维。Beli-effect在开纤中采用24瓣分裂水刺工艺，剥离后单丝细度为0.05dtex～0.1dtex，开纤率可达80%以上。Beli-effect为高收缩高密度处理织物，因而其制品有良好的柔软性、弹性及蓬松性，主要用途包括外套、女衫、夹克、椅套、袋子、鞋子等。
nt/np-4、“trevorbiyou”超细纤维。旭亿成公司最近开发生产的“trevorbiyou”仿真丝超细纤维新产品，是采用“RCt技术”将涤纶/聚酯相配复合，使两种聚合物的结合比例和形状都控制成无规则的，在用溶剂溶去一种聚合物后，剩下的另一种聚合物长丝细度为0.01dtex～0.1dtex，其形状仍是无规则的。采用trevorbiyou超细纤维所制的织物表面具有复杂的凹凸形状，能产生细小的不规则的漫反射，呈现出不同角度的不同光泽，穿着舒适且采用了异收缩混纤技术，手感好且丰满，适用于女罩衫、礼服等。
nt/np-5、“wSLR”超细纤维。东丽公司生产的“wSLR”是具有丝鸣效应的仿丝超细纤维。wSLR采用聚合物“潜在多级高收缩”技术，其纤维经高压水刺开纤后单丝细度可达0.11dtex。同时采用“多层花瓣形截面”技术在三花瓣的各顶端刻有0.1?m的沟槽，其产品发色性优良，通过微缝之间的摩擦产生“丝鸣”，该产品主要用于女罩衣、套装、茄克衫。
nt/np-6、“Rominaiii”超细纤维。尤尼吉卡公司创新开发的“Rominaiii”超细纤维，是采用改性聚丙烯/聚酯两种材料制成的0.01dtex～0.05dtex的超细纤维。其创新技术是在纺丝时采用一根丝条组成，即在微小区里单丝间具有丝长差与复杂的结构功能，这样就形成了超细纤维复杂的多层结构形态，具有凹凸和丝圈绒效应，使织物具有合成纤维所没有的自然风格即光滑性和蓬松性，具有柔软纤细的手感，是天然纤维所不及的。
nt/np-7、“naturallight”超细纤维。美国肖氏产业公司最近开发的“naturallight”超细纤维，是以聚苯乙烯做海组分、以聚酯做岛组分的共混双组分复合纤维。naturallight用作新一代人造革基布时，先以针刺法制成非织造布，溶掉聚苯乙烯后成为单丝纤度为0.00011dtex超细纤维。naturallight还采用了Cutdown新技术，从而改变纤维断面具有自然光泽的产品，这种新断面反射出不同于传统聚酯纤维的光泽，降低产品亮度使得更接近自然的光泽。杜邦公司服装事业部部门经理tonyaFarrow披露。naturallight将被大量应用于裤类、裙子等服装，具有竞争力很大的市场潜力。
nt/np-8、“SuperBeaver”超细纤维。美国Hills公司研发制成的新型透气防水超细纤维“SuperBeaver”，是以尼龙/聚酯两种聚合物开纤分裂的橘瓣形超细纤维，其单丝细度达到0.01dtex～0.001dtex。其关键技术是在开纤分裂中采用了“异纹斜截”工艺，使纤维细胞壁上的纹孔、胞间连丝等结构以实现细胞之间水分及其他物质的输导和流通，从而具有超级仿海猩皮的结构。这种超细纤维经过织造加工过程后具有不规则的弯曲在织物上显得非常细密，可防止外来的水珠并可让汗液排出，可用于泳衣、户外服装等产品。
nt/np-9、“thermostat”超细纤维。美国库拉雷公司新开发的“thermostat”超细纤维，其纤度可在0.005dtex～0.01dtex之间选择。thermostat是一种异形截面型记忆适温纤维。其工艺是运用高分子合成改性技术，对聚异戊二烯材料进行分子组合及分子结构调整制成能自动调温的化学纤维，它对周围的温度反应特别敏感，可随温度的变化而变化，使服装内形成一个小气候环境。酷暑时该纤维的异形截面自行收缩使编织物的孔眼张开而通风透气，大大提高服装散热能力；寒冬中该纤维的异形截面又自行膨胀，使编织物的孔眼闭合而阻止空气流通，从而提高服装的保暖能力。
nt/np-10、“SaBK”超细纤维。库拉雷公司从南美蝴蝶王的翅膀结构获得启示，开发出一种深色效应的超细纤维“SaBK”。为了探究南美蝴蝶王翅膀的炫幻色彩效应，库拉雷公司研究了蝴蝶翅膀因光干涉所产生的颜色变化和光泽，并通过利用复合纺丝技术，即把热收缩率不同的聚酯相互组合在一起，制成了扭曲型横截面、具有驼峰特性的超细纤维，其纤度达到0.001dtex～0.05dtex，从而使这种深色效应纤维具有与南美蝴蝶王同样的微观成色效果。
超细纤维开发动向与发展趋势
超细纤维是化学纤维发展的一大突破，它的开发带来了纺织工业“划时代”的新产品。随着全球经济快速发展，能源危机与环境污染越来越受到人们的关注。如何保持经济的可持续发展是目前迫切需要解决的问题，而超细纤维的持续发展以及超细纤维材料在常规和高性能产品的日益拓展，将会不断进入更多新的应用领域。
根据美国纺织纤维产业联盟（UStia）的最新预测报告指出，超细纤维材料研究的发展与社会、经济和资源、环境的发展紧密相关，所以新的生长点和交叉点将会不断涌现，这既促进了超细纤维的发展又丰富了新材料科学的内涵。其开发动向与发展趋势有：
一是恢复生态的替代措施。进入21世纪以后，世界各国加大了环境保护的力度，实行了退耕还林、退牧还草等恢复生态的措施，致使天然皮革产量年年下降。在这种形势下，首先是为了弥补天然皮革的不足；其次是为了满足人们更高层次的需求，超细纤维合成革被逐步用来替代一部分真皮。在日本等一些国家和地区，技术的发展使得超细纤维合成革已大量取代了资源不足的天然皮，而一些采用人造革及合成革做成的箱包、服装、鞋以及车辆和家具的装饰，也日益获得市场的肯定，其应用范围之广、数量之大、品种之多，传统天然皮革根本无法做到。
二是研发范围不断扩大。未来超细纤维材料研究与相关学科不断交叉、渗透，新的学科增长点不断出现，从传统的化纤学科及其相关的物理、化学学科渗透到材料学科、能源学科、复合材料学等领域。
三是更加注重仿生态环保性能。自然界生物在长期进化过程中，利用最简单的成分、最普通的条件获得了最稳定的微观材料结构，人们可以从这种微观分级结构中得到启发，通过生物拟态或者仿生设计制备出性能更优越的超细纤维及其复合材料，充分发挥仿生超细纤维可再生、可降解利用的优势，特别是节约、降耗、降能是未来超细纤维发展的必然趋势。
四是更加重视基本性基与功能设计。超细纤维的最大特点是其优异的基本性基与功能；未来的超细纤维及其材料的开发研究不但注重其基本性基的改进，还注重赋予其新的功能，注重复合化、高性能化、功能化。
五是第三次热潮的产业用途。超细纤维的开发今后肯定会在所有的产业领域内得到发展。这种先导型的高技术纤维，将会成为一种重要的材料。预计若第三次热潮来临，重点将是在产业用途方面。产业用领域、装饰用领域对高功能和多功能的不断追求，都将成为超细纤维产品不断拓展、不断开发研究的驱动力。预计在不久的将来超细纤维产品将会大量用于工业、农业、航天、海洋等领域。
化学纤维的优点篇8
关键词：防雾霾口罩；静电纺丝；纳米纤维；聚乙烯醇缩丁醛
1概述
近年来城镇化速度加快，工业快速发展，全国多地区出现了不同程度的雾霾现象，雾霾对人体健康产生很大影响，人长时间处于雾天中，可引起气管炎、喉炎、肺炎、鼻炎、眼结膜炎及过敏性疾病的发生，抵抗力较差的糖尿病患者极有可能出现肺部及气管感染而加重病情。防雾霾口罩减轻了雾霾对人体的伤害，可以说防雾霾口罩的质量影响着人们的健康[1]。
目前市场上售卖的活性炭型、复合型和纳米型三种类型的防雾霾口罩，分别存在不同的问题。广泛使用的活性炭防雾霾口罩，利用活性炭发达的微孔结构对空气中的有毒颗粒和气体进行吸附，存在重复利用性差，透气性不佳的缺点；复合口罩的过滤材料是由两到三层密度不同的化学粘合无纺布和针刺无纺布共同组成，这种口罩的主要缺点是不环保且过滤性能差[2]；市面上售卖的纳米纤维口罩也存在密闭性不佳和纤维不均等问题。
2静电纺丝法的介绍
近年高速发展的纳米纤维材料具有透气性佳、柔韧性高、过滤效果好等优点，适合用于口罩的制作。静电纺丝法具有设备简单、工艺可控、适用范围广、成本低等多种优点，与其他几种制备纳米纤维的方法相比更适合工业生产[3]。静电纺丝装置如图1。
但需要我们关注的是静电纺丝纳米纤维材料也存在许多问题，比如材料的机械强度低、使用寿命短、纺丝过程中仍需要进一步提高稳定性。但相信随着科学技术的发展，静电纺丝纳米纤维材料将有更广阔的应用前景。
3纳米纤维的制作
3.1技术指标
使用et-2535H型静电纺丝装置制备纳米纤维膜。先称取一定质量的聚乙烯醇缩丁醛（pVB）粉末，然后缓缓加入无水乙醇配制成7%的纺丝液，并密封好；然后放在磁力搅拌器上充分搅拌，使粉末完全溶解，便制得所需pVB纺丝液。将溶液装入具不锈钢针头（20号）的注射器中，调节溶液推进速度为0.10mm/min，用导线将喷针与正高压电源相连，接收滚筒与负高压相连。调节正电压为7KV，负高压1KV，喷射距离10cm。液滴在静电力作用下在喷针形成taylor锥形成射流和纤维。纺丝一段时间制得聚乙烯醇缩丁醛纤维膜。
超过100个不同的聚合物可以通过静电纺丝的方法制备成纳米纤维，不同聚合物其溶剂、可纺浓度、电压等都不同。考虑到聚乙烯醇缩丁醛（pVB）具有优良的柔软性和挠曲性，在常温下性能稳定，适用于口罩过滤材料的制作。
3.2静电纺丝优点
与现有空气过滤材料相比，静电纺织纳米纤维[4]主要有以下几个特点：
（1）具有均匀的纤维直径分布，纤维直径分布不均会影响过滤效率，因而高效稳定的制备均匀分布的纳米纤维尤为重要。
扫描电镜观察聚乙烯醇缩丁醛纳米纤维形貌（如图2），纤维表面光滑，直径细且形态分布均匀。
（2）具有三维立体空间结构，纤膜孔径小，孔隙率高，因而透气性较好。
静电纺丝以其设备简单、工艺可控、适合范围广、成本低等多方面特点，成为制备聚合物纳米纤维的首选方法。
3.3pVB纳米纤维过滤性能
实验测出喷有7wt%纳米纤维的无纺布的过滤效率和透气阻力。在空气流速为85L/min流速下，以0.3微米氯化钠气溶胶为例，过滤效率为97%，透气阻力为100pa。按照国家标准GB2626-2006，口罩呼吸阻力不得大于350pa，现有市场上口罩能达到n95、Kn95标准的呼吸阻力基本大于200pa呼吸阻力越低，呼吸越顺畅，佩戴越舒服。喷有pVB纳米纤维的无纺布作为口罩的核心过滤材料，拥有良好的透气性，过滤效果优良。
4纳米纤维市场及应用前景
使用纳米纤维作为过滤材料的口罩，具有较低的孔径，极高的孔隙率等特点，因此在透气性能方面明显高于利用活性炭吸附过滤的防雾霾口罩，使用效果更好。同时，与其他生产纳米纤维的方法相比，成本低，纤维较均匀，因此，将在市场竞争上处于优势地位。静电纺纳米纤维法可以用于工业生产，生产出的纤维过滤性更好，适于制作口罩过滤材料。
5结束语
本文针对目前市场上售卖的几种防雾霾口罩出现的透气性差、过滤性不佳等缺点，提出将静电纺丝法制备的纳米纤维作为口罩的核心过滤材料。以浓度为7wt%的pVB纳米纤维为例，经实验测试，其过滤性能优良，且在100摄氏度内具有良好的稳定性，适于口罩的过滤材料的制作。靜电纺丝法制备的纳米纤维较为均匀，价格低廉，在防雾霾口罩中有很大的应用前景。
参考文献
[1]petertsai.口罩认知与SaRS防护[J].产业用纺织品，2003，6：25-26.
[2]简小平.非织造布空气过滤材料过滤性能的研究[D].东华大学，2013.
[3]李雄.静电纺/驻极喷复合非织造材料工艺性能研究[D].东华大学，2011，7.
化学纤维的优点篇9
关键词：碳纤维；混凝土；加固
中图分类号：tU599文献标识码：a文章编号：1006-8937（2013）08-0155-01
作为一种高性能的复合型材料，碳纤维一直用于体育、航空航天等产业的材料应用，随着经济和科研力度的不断提升，近年来，碳纤维的价格不断降低，这促使这种高性能的材料在房屋建筑、市政、道路桥梁等行业逐渐得到应用。由于该种复合型材具有耐久性强、耐腐蚀的特点，因此在建筑等行业中主要应用于改变构件受力性能以及结构补强。而混凝土作为目前使用最为广泛的建筑原材料，它的工程力学性能一直是人们关注的问题，随着科研技术地不断发展，混凝土逐渐向高强度、多功能以及智能化的方向发展，碳纤维混凝土的出现是无机材料和有机材料的高效融合，这是一种新型的智能材料，碳纤维的使用能够大大改良混凝土的特性。
1碳纤维材料的物化性质
碳纤维是含碳量高达90%的复合型材料，其具有耐高温、高强度、抗蠕变、耐酸碱腐蚀、可传热以及可导电等优良性质，其密度比铝小，但强度比钢材的强度还要大，它的耐腐蚀性要比不锈钢的耐腐蚀性还要优越，其耐高温性比耐热钢的还强，因此它是集力学、电学以及热学性能为一身的化工新材料。将碳纤维运用在混凝土中，对混凝土的延展性、抗冲击性等显著改善，尤其是能够显著改善传统混凝土脆性大的缺点，增强其韧性。和抗疲劳性。
2碳纤维复合材料对混凝土的加固原理
在混凝土中加入碳纤维对混凝土进行加固，这种方法从1996年就已经被引入到国内，并很快受到工程界的强烈关注。其加固原理是将碳纤维复合材料通过一定的技术粘贴在混凝土结构的表面，通过混凝土结构和碳纤维材料之间的协同作用，最终达到对混凝土结构构件加固补强，并有效改变混凝土结构性能的目的。
3碳纤维复合材料在混凝土加固中的应用
加固混凝土构件中使用的碳纤维材料通常有两种，一种是碳纤维材料，一种是配套树脂。正如上文提到的，碳纤维材料有高强度、自重轻、高弹性模量等优良特点；配套树脂包括有粘结树脂、找平树脂以及底层树脂，其中粘结树脂的作用是使混凝土和碳纤维材料形成统一的复合材料，而后两种树脂的作用则是提高混凝土构件和碳纤维材料。混凝土通过和碳纤维复合型材料的共同作用，达到提高混凝土抗剪承载力和混凝土构件的抗弯能力，进而达到了结构补强和加固的目的。
按照碳纤维原丝的不同能够将碳纤维布分成黏胶基、pan基以及沥青基等三种类型的碳纤维布。在对混凝土构件进行加固时需要对构件的结构施工设计、构件腐蚀以及其实测强度等材料，利用碳纤维布对构件或者混凝土结构进行加固设计。加固用的胶粘材料包括三种：第一，底涂胶。将其涂在混凝土构件或结构的表层，能够使表层的强度得到加强，这样就能够有效提高碳纤维和混凝土的粘结性；第二，浸渍树脂，其能够使碳纤维片材相互结合在一起，并使其呈现出硬化的板状物，并能够使混凝土和碳纤维强力粘结在一起，使两者构成一个统一的复合体；第三，修补胶。该胶粘材料可以对混凝土表面进行平整，得到平整后的构件能够和碳纤维材料更好结合在一起。
4碳纤维复合材料加固设计计算
用于混凝土构件加固的碳纤维复合型材料主要是上文介绍的碳纤维布，其在实际工程中的应用技术已经比较成熟。其优点主要体现在提高混凝土结构的受剪承载力、受弯承载力、抗震力以及抗疲劳能力等。使用碳纤维布对混凝土结构进行加固时要坚持以下两个基本原则：
①对那些钢筋锈蚀程度比较小，并且外观相对完好，并且保护层没有开裂的混凝土结构或构件，对其计算承载力时，为了方便计算可以认为混凝土和钢筋间的粘结强度以及自身强度没有降低。针对这类构件进行加固处理时只需要对其进行防腐蚀预防加固就能够提高构件的抗腐蚀性能。即对这一类型的混凝土构件进行加固时只是结构性加固，并不需要计算使用碳纤维布的数量。
②对于那些表面防护层已经破裂，钢筋锈蚀程度比较深的混凝土构件，由于其钢筋严重锈蚀，所以钢筋截面减少严重，这导致钢筋的强度严重降低，并且其和混凝土之间的粘结强度降低。因此在针对这一类型的混凝土构件进行加强时要考虑实际的结构锈蚀程度，计算所需的碳纤维布的数量。通过计算横向和纵向使用的碳纤维布的数量，进而达到提高混凝土结构的抗剪承载力和抗弯承载力。这种类型的加固是对混凝土结构的强度的提高。
计算碳纤维布用量时，应按照受力相等的力学原理，通过等效转换的方法把碳纤维布的面积等效转化成钢筋面积，公式表达为：
其中，ase是抵抗不足弯矩需要的钢筋截面积，acfs是碳纤维布的横截面积，fcfs是碳纤维布容许拉应力，单位取mpa，fy是钢筋抗拉强度，令fcfs=φ×β×1800，φ在这里表示为碳纤维布利用系数，按照我国目前实际工程设计的情况，建议取其值为0.85，β是层数折减系数，取值时按照表1中的规定选择准确的值。
取碳纤维布的净面积，其计算公式为：
其中，tcfs表示的是碳纤维布的厚度，n是粘结层数，Bcfs表示的是碳纤维布的幅度。
5工程实例
某实验大楼建成时间是1988年，在2009年对该实验大楼的质量检测报告中显示大楼结构中有部分框架梁端出现了明显的裂缝，这对大楼造成了严重的质量安全隐患，因此要对出现质量问题的梁进行加固处理。考虑到该实验大楼的正常使用功能，设计人员选用具有高强度的碳纤维复合型材料对这部分梁进行加固，这样不仅能够方便施工，还能够大大缩短工期。经过对工程实际情况进行探明并对碳纤维材料进行综合考量后，决定选用FtS-Ci-20碳纤维布对梁结构进行粘贴。
该碳纤维布的性能指标是：纤维布厚度0.112mm，重量为200g/m，纤维为单方向，其弹性模量是2.33×105mpa，抗拉强度是3545mpa。工程选用的胶粘性材料为Fe胶、Fp胶和FR胶，这几种树脂胶使用温度为6～34℃，粘贴强度是2mpa，抗剪强度是10mpa，使用时间在25～120min。由于本次加固属于结构性加固，因此不需要计算碳纤维布的层数，直接加固。加固采用的U型粘贴的方案直接进行梁结构加固。经过加固以后，梁的抗剪承载力比未加固前提高了42%～61%，施工期间没有妨碍大楼的正常使用，工期为2d。
通过该工程实例证明，采用碳纤维复合型材料不仅大大方便了施工，同时也显著提高了混凝土结构的强度。
6结语
总之，碳纤维复合材料的优越的物理、化学以及热学特性，在加上其价格上逐渐显现出来的优势，它在建筑领域中的应用必将逐渐广泛。尽管在目前建筑工程中的使用还有某些方面的不足，但是随着科研技术的不断发展，相信在不远的未来，这种新型的复合型材料在实际工程中的应用中必定会越来越广泛。
化学纤维的优点篇10
【关键词】碳纤维表面处理界面性能抗弯强度
1前言
与传统金属材料相比，碳纤维增强树脂基复合材料具有耐高温、耐腐蚀、质量轻、机械强度高的优点，被广泛应用于航空航天、军事、汽车、体育等领域。
碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化和石墨化制成的纤维状碳，它具有乱层石墨结构，其密度仅为钢密度的1/4，具有优异的力学性能，热稳定性，是一种高性能的先进非金属增强材料。
尽管碳纤维性能优异，但，由于其属脆性材料，单独使用，许多性能无法得到充分的发挥。只有与其它基体材料结合成复合材料，材料性能形成互补，才能有效发挥其优异的力学性能，因此，碳纤维在复合材料中被用作增强相。
用作复合材料的树脂基可分为两大类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。热固性树脂由反应性低分子量预聚体或带有活性基团的高分子量聚合物组成；成型时，在固化剂或热作用下进行交联、缩聚，形成具有网状交联体结构。常见的有环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂以及酚醛树脂等。热塑性树脂由线型高分子量聚合物组成，在温度超过熔点时熔融，具有流变性，属物理变化。常见的有聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯等。
复合材料的界面由增强材料表面与基体材料表面相互作用形成的，它包含两相之间的过渡区域，界面相内的化学组成、分子排列、热性能、力学性能呈连续梯度性变化。界面相的结构由增强材料与基体材料表面的组成及二者之间的反应性能决定的，因此纤维表现处理的结果将影响复合材料的性能。
通过纤维表面处理可以增强纤维表面的化学活性与物理活性，从而增加其与基体间的结合或粘结。目前，对纤维表面处理主要有空气氧化法、液相氧化法、等离子体氧化法和电化学氧化法等方法。本文采用浓酸氧化处理、电化学处理方法对碳纤维表面进行处理，并利用Sem对比观察了处理前后纤维表面的形貌，研究碳纤维增强复合材料性能的影响。
2实验方法及条件
2.1碳纤维表面处理过程
2.1.1浓硝酸氧化处理
将一定长长的碳纤维置于浓硝酸溶液中，在室温条件下分别处理30、60、90分钟，然后经自来水、纯净水清洗数遍，干燥，既得到表面处理后的碳纤维。
2.1.2电化学表面处理
配制一定浓度的稀酸溶液作为电解液，将清洗过的碳纤维作为阳极，在电解槽内进行阳极氧化表面处理，通电电压分别取1.2V、4.8V、10V和15V，处理时间为5min和10min，之后再经清洗、干燥，得到表面处理后的碳纤维。
2.2抗弯强度测试
将表面处理的碳纤维与树脂粘结，热处理后，固定在沉积炉的两个电极上，通电加热至800～1100℃，沉积时间4～6h。
将试样加工成5mm×5mm×30mm，每组5个，采用三点弯曲法测试试样的抗弯强度，取5个数值的平均值作为每组试样的测试结果。
3试验结果及讨论
3.1浓硝酸表面处理时间长短对复合材料单向抗弯强度的影响
从表1中可以看出，碳纤维处理60分钟后，所制备的复合材料强度增幅最大，30分钟下，强度基本没变，90分钟强度有所增加。液相氧化的作用主要在于除去纤维表面的浆层，对纤维的强度没有明显的影响。复合材料强度的提高是因为表面浆层除去后，纤维表面的粗糙度增加，增加了快速升温过程中热解碳与纤维的亲和力和粘结强度。
3.2电化学处理对复合材料抗弯强度的影响
碳纤维电化学处理过程易操作，（表2）为纤维表面电化学处理不同条件下单向复合材料的强度值，从处理结果可见，处理电压和时间变化对制备的复合材料的抗弯性能影响较大。在电压4.8V、10min处理条件时，由处理纤维制备的复合材料的抗弯强度比未处理的低3.6mpa，且电压升高至10V时，复合材料抗弯性能进一步恶化。
（图1）为不同处理碳纤维所制备的复合材料抗弯强度变化曲线，从中可以得出，采取5分钟处理，复合材料抗弯强度变化均匀，基本呈线性降低，而10分钟处理后，材料强度随电压增大降低幅度增大，这说明短时间电化学处理对纤维表面作用较温和，且处理效果随电压的增大，10分钟处理较5分钟处理强度降低幅度较大。这是由于高压长时间处理条件下，纤维表面破坏较严重，从而使得复合材料的力学性能下降。
4结论
（1）碳纤维表面经浓硝酸处理后，表面浆层去除，沟槽进一步加深加宽，表面粗糙度和比表面积增加，有利于复合材料的抗弯强度的提高。但处理时间过长，纤维表面出现不同程度的损伤，这对提高材料强度是不利的。
（2）通过对纤维表面电化学处理的研究得知，采用低电压，短时间的处理条件，对碳纤维表面较温和，有效地提高了Cf/C复合材料的抗弯性能；高电压或长时间处理时，纤维表面出现“松树皮”状凸起，此时纤维本体受损严重，降低了复合材料的力学性能。
（3）对比浓硝酸氧化处理，电化学处理时间短，增强效果较明显，电化学对纤维表面作用包含至少除去薄弱外层和表面氧化刻蚀两种机理，甚至过程更为复杂。
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