[科普中國(guó)]-纖維材料

簡(jiǎn)介

纖維材料是纖維狀物質(zhì)通過紡織加工工藝形成的結(jié)構(gòu)化材料，通常也被稱為紡織材料。纖維材料的應(yīng)用歷史已經(jīng)相當(dāng)?shù)挠凭?，雖然并無明確的記錄說明這種材料是何時(shí)產(chǎn)生，但在人類古代貿(mào)易中，纖維材料始終占據(jù)著重要的地位充分說明纖維材料對(duì)人類發(fā)展的重要性。

天然纖維或合成纖維可以制成纖維紙或各種紡織品直接用做絕緣材料；或用紙浸以液體介質(zhì)后成為浸漬紙用作電容器介質(zhì)和電纜絕緣；或浸（涂）以絕緣樹脂（膠）后經(jīng)熱壓，卷制成絕緣層壓制品、卷制品作絕緣材料；或用絕緣漆浸漬制成絕緣漆布（帶）、漆綢等用于電絕緣。天然無機(jī)纖維可以單獨(dú)使用，也可以同植物纖維或合成纖維結(jié)合使用，作為耐高溫絕緣。纖維材料還廣泛用作超導(dǎo)和低溫繞組線的絕緣材料，因它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①在超導(dǎo)磁體線圈中，能使冷卻劑浸透所有的截面，增加傳熱面積；

②保證浸漬漆或包封膠直接與超導(dǎo)纖維及復(fù)合層接觸。原則上，天然絲、玻璃纖維和合成纖維都可作為低溫用絲包絕緣材料。但實(shí)際上，在超導(dǎo)磁體線圈中廣泛使用的是聚己內(nèi)酰胺和聚酯纖維等合成纖維。

分類天然纖維包括植物纖維和動(dòng)物纖維。植物纖維包括棉、麻和木纖維等，其主要成分是纖維素(C6H10O5)n，分子量較大,分子中含有OH基。纖維素常形成細(xì)管狀的微纖維,由此構(gòu)成空心管狀的植物纖維,直徑約0.02～0.07毫米，具有多孔結(jié)構(gòu)。由于存在OH基和多孔性，其吸濕性很大，浸漬性很好。吸濕后機(jī)械強(qiáng)度顯著降低，浸漬后介電性能大為提高。植物纖維的耐熱性較差。動(dòng)物纖維通常使用的有蠶絲，其組成為蛋白質(zhì)，但其形態(tài)與植物纖維大不相同，是一類光滑的長(zhǎng)絲。其耐熱性也較差。

合成纖維用具有高分子量的聚合物加于有機(jī)溶劑中（有時(shí)還加助溶劑）制成紡絲液后再用干法或濕法紡絲工藝制成。重要的有聚酯纖維和聚芳酰胺纖維。由于所用聚合物不同，各種合成纖維的性能大不相同。例如用聚芳酰胺制得的纖維的耐熱性很高:在180℃熱空氣中經(jīng)過10000 小時(shí)后纖維強(qiáng)度仍能保持在原始值的80%以上;在400℃以上才有明顯分解。它具有自熄性（即在直接火焰中可燃，火焰移去后即迅速自熄）和較高的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的耐堿性、水解穩(wěn)定性和耐輻射性。

在電工中，合成纖維和天然纖維使用時(shí)都要浸漬處理或脫脂加工處理，以減少吸潮性，提高耐熱性和工作溫度，增加柔軟性、彈性,提高介電性能和機(jī)械強(qiáng)度。用絕緣漆和膠浸漬的天然或合成纖維材料有不同的耐熱等級(jí)。由天然有機(jī)纖維材料浸有機(jī)材料構(gòu)成的，屬于A～E級(jí)絕緣材料；由耐熱性高的合成有機(jī)纖維浸以有機(jī)硅、二苯醚、聚酰亞胺等材料的，可達(dá)F、H和更高耐熱等級(jí)。

無機(jī)纖維有石棉、玻璃纖維。常用來做電絕緣的石棉是溫石棉，主要化學(xué)成分為含結(jié)晶水的正硅酸鎂鹽(3MgO·2SiO2·2H2O)。當(dāng)溫度高達(dá)450～700℃時(shí),溫石棉將失去化合水而變成粉狀物。電工中用的石棉纖維有長(zhǎng)纖維（由手工加工而成）和短纖維（由機(jī)選而得）之分，它們的共同特點(diǎn)是有很高的耐熱性，但是介電性能較差，一般用作耐高溫的低壓電機(jī)、電器絕緣、密封和襯墊材料。

應(yīng)用纖維材料在紡織服裝領(lǐng)域如此璀璨，讓很多人忽視了它在其他領(lǐng)域上的應(yīng)用。誠(chéng)然，在化學(xué)纖維出現(xiàn)以前，由于天然纖維在力學(xué)性能、對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)能力上的不足，纖維材料在工程領(lǐng)域的應(yīng)用較少，一般只是用作隔熱材料，如蓄熱取暖設(shè)備、工業(yè)用爐、發(fā)電設(shè)備等。在19世紀(jì)末期化學(xué)纖維發(fā)明之后，通過化學(xué)合成技術(shù)，能夠生產(chǎn)出具有著高強(qiáng)、高模量、耐高溫、耐腐蝕、阻燃等特性的化學(xué)纖維，極大的彌補(bǔ)了天然纖維在性能上的不足。

得益于化學(xué)纖維的進(jìn)步，纖維材料被材料科學(xué)所認(rèn)識(shí)。由于纖維材料結(jié)構(gòu)上的特殊性，纖維材料有著傳統(tǒng)固體材料不可比擬的物理學(xué)特性，加之其重量輕、可以整體成型的特點(diǎn)，受到各個(gè)領(lǐng)域重視。上世紀(jì)20年代，波音公司就已經(jīng)使用紡織結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)飛機(jī)的機(jī)翼。在波音公司新機(jī)型波音787上，纖維復(fù)合材料的使用量已經(jīng)達(dá)到了50%。纖維材料在建筑上的應(yīng)用已有近40年的歷史，包括了蓬帆布材料、膜結(jié)構(gòu)材料、防水材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。這些材料不僅有美化、裝飾作用，還具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、保溫、可回收、可降解、可再生等特點(diǎn)，屬于現(xiàn)代建筑領(lǐng)域的新型材料。在醫(yī)用材料中，從縫合線到人造皮膚、人造血管、人造骨骼、人造關(guān)節(jié)、人工韌帶，乃至人工腎、人工肝、人工肺、人工心臟等，都大量的應(yīng)用了纖維材料。

結(jié)構(gòu)纖維材料的結(jié)構(gòu)十分特別，首先它并不是通常意義上的連續(xù)介質(zhì)，在纖維材料的內(nèi)部存在大量的纖維與纖維、纖維與空氣的界面，纖維與纖維之間的連接非常松散，在力學(xué)特性上具有十分獨(dú)特的模量;其次，纖維材料中的孔隙是纖維之間自然形成的空隙，這些孔隙都是貫通孔隙，這使得纖維材料的有效孔隙率非常高；再次，纖維是一種長(zhǎng)徑比很大的物質(zhì)形態(tài)，直徑又十分的細(xì)小，容易發(fā)生彎曲變形，因此纖維材料也十分的柔軟，形狀適應(yīng)性非常好。對(duì)此Pan認(rèn)為纖維材料的一些特性與軟物質(zhì)結(jié)構(gòu)（soft material）更為接近。從微觀結(jié)構(gòu)角度看，非織造或氈化法生產(chǎn)的纖維材料與植物或動(dòng)物細(xì)胞極為相似。1

纖維材料與裝飾藝術(shù)的關(guān)系裝飾藝術(shù)，不能夠獨(dú)立存在，通常存在于一定的環(huán)境范圍之中，它與建筑是分不開的，兩者的結(jié)合組成了環(huán)境的整體。隨著社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)代建筑越來越多，并且越來越高大、密集，建筑多是由鋼筋、水泥等硬質(zhì)材料筑造而成，面對(duì)著密密麻麻的高樓大廈，工作了一天的人們承受著一種莫名的壓抑感。生活在這種社會(huì)形態(tài)中的人們比以往更需要一種用來釋放壓力的媒介，能夠調(diào)節(jié)和補(bǔ)充快節(jié)奏的現(xiàn)代生活，減輕人們的生活壓抑感，使身心得到更大的放松。

在眾多藝術(shù)領(lǐng)域中，最能夠緩解人們生活壓抑感的就是纖維材質(zhì)的作品，稱之為纖維藝術(shù)，纖維藝術(shù)給人以溫暖、柔和的感覺，用于裝飾在建筑環(huán)境中，使現(xiàn)代裝飾空間充滿了溫情。

因此，以具有新穎的裝飾效果，獨(dú)特的審美以為的纖維藝術(shù)為代表的軟雕塑打破了以壁畫、雕塑等作為傳統(tǒng)裝飾一統(tǒng)天下的時(shí)代，纖維藝術(shù)的悄然興起，與傳統(tǒng)裝飾藝術(shù)相互補(bǔ)充，相輔相成。纖維藝術(shù)在裝飾風(fēng)格上、材質(zhì)運(yùn)用與表現(xiàn)形式上不再是單一形式，越來越趨于多元化，既表現(xiàn)出毛纖維的厚重，又能夠表現(xiàn)出麻纖維的樸實(shí)，在造型的和色彩上表現(xiàn)更加多變，在材質(zhì)的對(duì)比與肌理的表現(xiàn)上更加豐富?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了裝飾藝術(shù)中工藝手段的創(chuàng)新，以及新型材料的融入使得纖維材料更具有很強(qiáng)的綜合表現(xiàn)性。2