natalie_1718
聚合物材料之一，一些论文3000 给你 
建筑材料对工程造价的影响引言建设项目的造价控制贯穿于项目的全过程，即项目决策阶段、项目设计阶段、项目招标阶段、项目实施阶段和竣工阶段都关系到建设项目的造价控制。统计资料显示，在项目决策阶段及设计阶段，影响建设项目造价的可能性为30%～75%，而在实施阶段影响建设项目造价的可能性仅为5%～25%。控制工程造价的关键就在于项目实施之前的项目决策和设计阶段，项目决策是决定因素，而设计则是关键因素。使人力、物力、财力有限的资源得到充分的利用，取得最佳的经济效益和社会效益。在建筑工程中，材料费约占工程总造价的60~70%左右，是整个费用的主体。所以从材料所占比重来看，其成本是对工程造价影响最大的因素。随着市场经济的发展，构成工程成本比重最大的材料价格不断波动起伏，人工费、机械费也在不断变化，工程成本不断增加，一方面是由材料价格的不断上涨，施工费用不断增加造成的;另一方面是由于工程图纸来考虑经济实用的方法或设计不合理及施工中管理不善造成的。材料使用成本高低对有限的投资获取最大的经济效益，是工程技术人员和造价人员的一项重要课题。从工程造价定额的构成来看，材料价格是相对较灵活的因素。工程造价主要是由人工费、材料费、机械费等构成的，其中人工费和机械费的计取和调整都是由定额价格主管部门统一规定的，比较稳定;而材料费是相对较灵活也是对工程造价影响较大的一个重要因素，特别是可调整差价的材料和未计价的材料，如果控制管理不到位，即便是工程量计算和定额套用再准确，费用计取再合理，也会使工程造价失真，严重影响工程造价的有效控制。因此搞好材料的管理工作对于有效控制工程造价具有重要意义。当前建筑材料的发展概况及趋势1 建筑材料的概念及分类 建筑材料是构成建筑工程结构物的各种材料之总称。建筑工程材料的品种繁多，性质各异，用途也不同，为了便于应用，工程中常从不同角度对其做出分类。1 按基本成分分类（1)有机材料以有机物构成的材料，包括：天然有机材料（如木材等），人工合成有机材料（如塑料等）。（2）无机材料以无机物构成的材料，包括：金属材料（如钢材等），非金属材料（如水泥等）。（3)复合材料有机一无机复合材料（如玻璃钢等），金属一非金属复合材料（如钢纤维混凝土）。复合材料得以发展及大量应用，其原因在于它能够克服单一材料的弱点，发挥复合后材料的综合优点，满足了当代土木建筑工程对材料的要求。2 按功能分类（1)结构材料：承受荷载作用的材料，如构筑物的基础、柱、梁所用的材料（2)功能材料具有其他功能的材料，如起围护作用的材料；起防水作用的材料；起装饰作用的材料；起保温隔热作用的材料等。3 按用途分类包括：建筑结构材料；桥梁结构材料；建筑装饰材料；建筑防水材料，建筑保温材料等2 建筑材料的地位 建筑材料是建筑事业不可缺少的物质基础。建筑工程关系到非常广泛的人类活动的领域，涉及生活、生产、教育、医疗、宗教等诸多方面。而所有建筑物或构筑物都是由建筑材料构成，建筑材料的数量、质量、品种、规格、性能、经济性以及纹理、色彩等，都在很大程度上直接影响甚至决定着建筑物的结构形式、功能、适用性、坚固性、耐久性、经济性和艺术性，并在一定程度上影响着建筑材料的运输、存放及使用方式和施工方法。 建筑材料与建筑、结构、施工之间存在着相互促进、相互依存的密切关系。建筑工程中许多技术问题的突破和创新，往往依赖于建筑材料性能的改进与提高。而新的建筑材料的出现，又促进了建筑设计、结构设计和施工技术的发展，也使建筑物的功能、适用性、艺术性、坚固性和耐久性等得到进一步的改善。 为了使建筑物满足适用、坚固、美观等基本要求，材料在建筑的各个部位，充分发挥着各自的功能作用，分别满足各种不同的要求。如钢材和混凝土的出现产生了钢结构和钢筋混凝土结构，使得高层建筑和大跨度建筑成为可能；轻质材料和保温材料的出现对减轻建筑物的自重、提高建筑物的抗震能力、改善工作与居住环境条件等起到了十分有益的作用，并推动了建筑节能的发展；新型环保装饰材料的出现使得建筑物的造型与建筑物的内外装饰焕然一新，生机勃勃。因此，建筑材料是加速建筑革新的一个重要因素。 3 建筑材料的发展概况 从建筑材料发展史可以看出，建筑材料的发展是随着人类社会生产力和科技水平的提高而逐步发展起来的。建筑材料的发展经历了一个很长的历史时期。建筑材料的发展是随着人类社会生产力的发展而发展的。在当今的社会，建筑材料犹如那令人目不暇接的商品一般，款款色色，不胜枚举。随着人类文明的进步，生产工具得到极大改善， 又由于长期的自然生活以及石材本身给人的坚实安全感，人类开始利用大块石材建造房屋或构筑物。石材具有坚硬耐用等性质，在相当的一段时间里成就可观。如被称为世界七奇观之一的埃及吉萨金字塔，历经了5000余年沧桑仍然挺立，其结构就是石材结构，由250万重达5吨的石料砌成。公元前400-前500年古希腊雅典卫城主要建筑材料也是石料。中国万里长城有些残段构筑材料是石块。这段时间内的石材应用，给人类留下了宝贵而丰富的文化遗产。在今天砌体结构发展成熟，各类砖体层出不穷，功能各异。砖瓦一直以来颜色形状各异的砖瓦构建成视觉美感强烈的建筑，典雅非凡，因而直到今天砖瓦依然是重要的建筑材料。伴随漫漫发展过程，建筑材料日益丰富。在这个过程中除了石材外还有一种建筑材料贯穿历史，堪称经典——木材。例如一千多年前建成的杭州六合塔，始建于1056年的山西应县木塔，最大木结构建筑群北京故宫等。经历了漫长的石材砖瓦的砌体建筑史以及木结构建筑史，到18世纪工业革命之后，建材的发展成果更是令人瞩目，材料的多样性更令人眼花缭乱。其中里程碑式的发展是水泥的出现。它与传统胶凝材料石灰胶相比，具有高强度以及硬行等特点，如果与砂石等骨料水拌形成混凝土，可使墙体更加坚固。混凝土自此后广泛应用，使土木工程活动范围和规模都得到了进一步发展。工业革命以后，钢材的建筑用途被世界重视，建筑材料家庭里于是加入了重要角色——钢材。从此钢筋混凝土地建筑主导地位被确立。此时，高层建筑如雨后春笋纷纷拔地而起。1940年以后，钢材、钢筋混凝土、预应力混凝土、钢骨钢筋混凝土令建筑物的规模产生飞跃性发展。与此同时，玻璃等采光材料也得以广泛应用，出现了玻璃墙体。合成工艺的发展又促使了根据功能需要而生产合成建筑材料，如木纤维水泥板、集成木材、化学塑胶材料等。传统建筑材料也大为改善，空（实）心砌替、配筋砌体、木材、石材应用多样化。一时间性能更加多样化的建筑材料纷纷出现。形成了百花齐放的局面。20世纪以后，人们要求建筑物功能多样化，对建筑物安全性要求也增高，高分子有机材料、新型金属材料、智能化材料和各种复合材料迎来了建筑物的功能外观根本性的变革。例如纤维材料与混凝土混合弥补了混凝土材料的脆性缺陷。建筑材料的发展适应着社会发展以及社会要求，自此之后新型材料不断产生。现代世界人口急剧增长，建筑用地日益紧张，高耸入云的摩天大楼不再是幻想，而是实实在在的要求，而仍不断要求建筑物向更高更深方向发展。人类渴望的不仅仅是舒适美观，更有渴望居住环境能和谐自然。质轻高强材料、高耐久材料等的产生以及性能深化已经刻不容缓，“绿色环保建材”的要求也应运而生。树立可持续发展的生态建材观，研究环保美观材料、耐火防火材料以及材料智能化，将材料的优良性能与环境协调，构建和谐自然的居住环境，是现代建筑工程工作者的努力方向和责任，也是建材发展的必然趋势。 工程设计中材料选择对工程造价的影响设计阶段是建设项目工程造价控制的龙头。在投资计划得以合理确定以后，进入设计阶段，它是把技术与经济有机结合在一起的过程。有效控制工程造价要求在施工图设计中严密、全面。当前我国的工程设计也实行招投标制、公平竞争，把对设计阶段有效控制工程造价作为选择中标单位的主要标准之一，对全过程造价进行控制的管理。但目前我国大部分设计单位对工程项目的技术与经济进行深入分析不够、在设计中大多重技术轻经济，设计人员似乎只对设计工程的质量负责，对工程造价的高低不太关心。以致无法通过优化设计方案，编制初步设计、概算起到控制总造价的作用。工程设计图的质量和深度等也不够，工程量清单中的工程量错算、漏算，也引起暂估项目的增多，使招投标工作的质量难以保证，因而也无法有效控制工程造价。设计阶段是建设项目成本控制的关键与重点。尽管设计费在建设工程全过程费用中比例不大，一般只占建设成本的5%～2%，但材料对工程造价的影响可达75%以上，由此可见，设计中材料选择的价格直接影响建设费用的多少，直接决定人力、物力和财力投入的多少。合理科学的设计选材，可降低工程造价10%。但在工程设计中，不少设计人员重技术、轻经济，任意提高安全系数或设计标准，而对经济上的合理性考虑得较少，从根本上影响了项目成本的有效控制。掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料是对从事工程设计人员的基本要求，因为建筑工程的设计不只是结构设计，还应该包括材料的选用。因此，材料选择是工程设计必不可少的重要环节，其对工程质量及工程造价有着至关重要的影响。选材工作影响整个设计过程。但是就目前国内的状况而言，不少设计人员有一种倾向，只重视结构设计与计算，而把选材看成是一种简单而不太重要的任务，认为只要翻翻手头材料手册，找出一种通用材料，便可万无一失。材料选择与应用直接关系到工程的质量与造价。所谓选材，就是在众多材料中，寻找既能满足工程上的要求，又能降低工程成本获得最大经济利益，同时还能符合使用环境条件和环保与资源供应情况的材料。选材不是一件容易的事情，困难之一是如何正确地选用材料，使其既满足工程的设计功能（如强度和耐久性要求），又符合技术、经济和美观的要求，以达到产品结构耐久与价廉物美的完美统一；困难之二是材料的类型和品种繁多，如何去确定可供选择的范围以及最终选定某一种最佳或最合适的材料；困难之三是材料选择与科学研究不同，科学研究对于所有的问题一般都具有惟一正确的答案，而材料选择则要求考虑候选材料各自的优点和缺点，再做必要的折衷和判断，因此，材料选择可能有不同的解决办法，每一种选材对造价都采生很大的因响。例采用大面积玻璃门窗(幕墙)是现代建筑的一种潮流。目前采用的几种节能玻璃材料主要有镀膜玻璃、中空玻璃和带薄膜型热反射材料玻璃。玻璃材料在建筑设计中具有重要的作用，除了满足建筑结构设计如强度，刚度，风压，抗震和温度变形等要求外，在节能设计时应满足节能围护结构功能要求。在建筑设计上要求建筑师能根据建筑的使用功能以及我国不同地区的气候特点，正确选用各种节能玻璃材料，创造出新型建筑节能技术和设计方法。做到减少能耗又控制造价，是建筑师注意的问题。严格控制设计变更，以保证投资限额不轻易突破。建设单位的工程造价管理人员应与设计部门积极配合，及时提供可靠的工程基础资料。优化选择设计方案，认真会审图纸，积极提出修改意见设计方案的优化选择，对工程造价起着举足轻重的作用。结语 建筑工程造价预算管理是集专门性、知识性、政策性于一体的工作，是一门多学科、综合性的工作。建筑工程造价预算管理对造价预算管理人员提出了较高的要求，它要求造价预算管理人员不但要掌握工程预算的专业知识及其相关的法律、法规和政策，还要了解设计、材料设备采购、施工工艺、工程基本结构、投资控制等相关的基础知识。同时，建筑工程造价预算管理又是一项艰苦、细致的工作，工程造价预算管理人员经常要深入工程第一线，从事资料收集（特别是构成实体的建筑材料的市场价格））工作，因此，工程造价预算管理人员不但要有过硬的专业基本功，还要具备良好的职业道德，要养成实事求是的工作作风，具有爱岗敬业、无私奉献的精神。
高性能纤维性能分析【摘要】分析了碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑 (POB)纤维和 M5 纤维等高性能纤维的重要特性以及它们的应用状况。 【关键词】高性能纤维;先进复合材料;分子结构;重要特性;应用 [中图分类号]TS102，528 [文献标识码]A [文章编号]1002-3348（2005）01-0054-04 高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从 20 世纪 60 年代开始研发并推广的纤维材 料， 它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。 所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩 3 强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m )等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分 子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。 高性能纤维可用于防弹服、 蹦床布等特种织物的加 工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。本文分析和比较了碳纤维、 超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5 纤维等高性能 纤维的特性以及它们的应用状况。 1 高性能纤维 1·1 高性能纤维分类 无机纤维:碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。 有机纤维:超高强聚乙烯纤维(HPPE)、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO) 纤维、M5 纤维等。 1·2 碳纤维 碳纤维的生产始于 20 世纪 60 年代末 70 年代初， 由有机纤维如腈纶(PAN)纤维、 粘胶纤 维或沥青纤维经预氧化、 炭化和石墨化加工而成。 碳纤维的石墨六方晶体结构决定了其强度 大、模量高等优良性能，如日本东丽公司生产的 T-400 碳纤维，拉伸强度可达 2GPa，断 裂伸长率为 5%。碳纤维不燃烧，化学性能稳定，不受酸、盐等溶媒侵蚀。 1·3 超高强聚乙烯纤维 高强高模聚乙烯在 20 世纪 70 年代出现， 具有超高分子量， 高取向度， 且分子间距很近， 3 使纤维具备高强高模的特征， 其密度具有 97g/cm ， 是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。 除此之外，其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等。 1·4 芳香族聚酰胺纤维 20 世纪 70 年代，人们开始从事液晶态纺丝技术的研究，用于纺制高性能纤维，与普通 纺丝的分子结构截然不同，液晶态纺丝时形成的分子链只有刚棒状高取向的有序结构。 图 1 液态高聚物分子的构型示意图 (a)为典型普通大分子，为无规则线团;(b)为刚性大分子， 在没有良好侧向作用和导向情况下的状态;(c)为无规的棒状 液晶;(d)为向列型液晶 芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如 Kevlar(聚对苯 二甲酰对苯二胺纤维)、 Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、 Technora(聚对苯二甲酰对苯 二胺纤维)等，如图 3 所示，为芳香族聚酰胺高结晶和高取向分子结构。这类纤维性能比较 均衡，具有高强伸性能， 高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化 学性能。 图 3 芳香族聚酰胺晶体结构图 聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维 1998 年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为 Zylon 的 PBO 纤维，其化 学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为: 1·5 PBO 纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高 取向度， 决定了它的优良性能。 PBO 初纺普通丝(AS 丝-标准型)就具有 5N/tex 以上的强度 和 84N/tex 以上弹性模量， 经热处理后可得到强度不变、 模量达 4N/tex 的高模量丝 (HM 丝-高模量型)。PBO 作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性 4 大特点，其强度与模量相当于 Kevlar (凯夫拉)的 2 倍，限氧指数(L01)为 68，热分解温 度高达 650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。 表 1 PBO 纤维的性能 性能 PBO 一 AS PBO—HM 密度(g/cm3) 54 56 抗拉强度(GPa) 8 8 拉伸模量(GPa) 180 280 断裂延伸率(%) 5 5 热分解温度(℃) 650 650 L01(%) 68 68 表 2 PBO 纤维与其他纤维的主要性能比较 性能 PBO-HM Kevlar-49 宇航级碳纤维 密度(g/cm ) 纤维直径(?m) 抗拉强度(Gpa) 拉伸模量(CPa) 断裂延伸率(%) 3 56 24 8 280 5 45 12 2 115 0 80 6 58 230 5 热分解温度(℃) 650 550 一 1·6 M5 纤维 PBO 纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂 环聚合物:聚[2，5-二烃基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或 PlPD，化学结构为: M5 纤维的结构与 PBO 分子相似——刚棒结构。 M5 分子链的方向上存在大量的-OH 和-NH 在 基团，容易形成强的氢键。如图 4 所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5 在分子内与分 子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。 图 4 为 M5 纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。 图 4 M5 晶体结构 比较图 3 与图 4 可以清楚地看出，M5 大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个 蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使 M5 纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩 和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。 2 高性能纤维特性分析比较 碳纤维石墨层面上碳-碳共价交键的存在，使作用于碳纤维上的应力，从一个石墨层转 移到相邻层面， 这些共价交键保证了碳纤维具有高的拉伸模量和压缩强度。 但这些共价键为 纯弹性键，一旦被打破，不可复原，即不显示任何屈服行为。所以碳纤维受力时，应力-应 变曲线是线性关系，纤维断裂是突然发生的。 有机纤维的性能取决于分子结构、分子链内键及分子链间结合键。如前所述，超高强聚 乙烯纤维、PBO 纤维都具有优良的性能，但由于超高强聚乙烯纤维大分子链间的结合键为弱 的范德华键，使其纤维易产生蠕变，压缩强力较低，另外超高强聚乙烯纤维耐热性和表面粘 合性有限，因而不适合用作加固纤维。而 PBO 纤维也因大分子链间没有形成氢键结合、作用 力较弱，使得其压缩和扭曲性能较低，加之纤维表面惰性强，与树脂的结合能力较差，在复 合材料成型过程中，有明显的界面层，从而影响也限制了 PBO 的应用。 芳香族聚酰胺纤维高结晶度、高取向度的分子结构，使其具有高强伸性能，也是由于大 分子链间弱的作用力 (范德华键)，造成大分子链间剪切模量及压缩强度低。芳香族聚酰胺 纤维由氢键结合成的薄片状结构在受压缩载荷作用时易塑性变形， 薄片相对容易断开， 在严 重过载时会出现原纤化，最终导致压缩失效。 分子链间结合键以 M5 比较理想， M5 大分子间和大分子内的 N-H-O 和 O-H-N 的双向氢 在 键结构，是其具有高抗压性能的原因所在，热处理后的 M5 纤维，拉伸模量可达 360GPa，拉 伸强度超过 4GPa，剪切模量和抗压强度可达 7GPa 和 7GPa。此外 M5 而大分子链上含有羟 基，使它与树脂基体的粘结性能优良，采用 M5 纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特 殊的粘合促进剂，且具有优良的耐冲击和耐破坏性。有资料显示，以 M5 为加固纤维的复合 材料，在压缩过载的情况下，测试样品仍能继续承受显著的(压缩)载荷，与之相比，碳纤复 合材料会粉碎，而芳香族聚酰胺复合材料则会被挤成纤丝状薄片(原纤化)。如图 5、图 6 分 别为一个碳纤维和一个 MS 纤维复合材料的失效测试条，显示了脆性与韧性失效之间的明显 差异。此外，M5 纤维的刚棒结构又决定了它有高的耐热性和高的热稳定性，空气中热分解 温度达到了 530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与 PBO 接近，极限氧指数（LOI）为 59，在 阻燃性方面也优于芳纶。 图 5 碳纤维复合材料测试条的失败 图 6 M5 纤维料测试条的失败 表 1 为几种高性能纤维力学及物理特性。 表 1 高性能纤维的力学和物理特性 特性 高 强 度 超高强聚 高 模 量 芳 香 族 高 模 量 高模量 M5 纤 碳纤维 乙烯纤维 聚酰胺纤维 PBO 纤维 维（实验值） 抗拉强度(GPa) 伸长率(%) 拉伸模量(GPa) 压缩强度(GPa) 压缩应变(%) 密度(克/cm ) 标准回潮率(%) 限氧指数（LOI） 3 58 5 230 10 90 80 0 一 43 0 0 一 一 97 一 一 2 0 115 58 50 45 5 29 8 5 280 40 15 56 6 68 0 5 330 70 50 70 0 59 空气中热老化起 800 150 450 550 530 始温度(℃) 从表 1 看，M5 纤维的各种性能指标都接近或超过其它高性能纤维，为综合性能优良的 高性能纤维。 3 应用与前景 目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低 温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳 香族聚酰胺纤维常见的品种 Kevlar、Twaron、Technora 纤维等，主要应用有作为复合材料 的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良 特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜 和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏 蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO 纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有 防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防 服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。 与各种高性能纤维相比，M5 纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤 其是 M5 纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用 前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中 M5 也具有很强的竞 争力。当前 M5 纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和 拓展。 高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步， 随着 世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的 迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。新型高性能纤维M5的研究与应用摘要:本文介绍了一种新型液晶芳族杂环聚合物，聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)简述了M5纤维的制作方法，M5纤维特殊的分子结构特征，并通过与其它高性能纤维的比较，阐述了M5纤维优良的性能，特别是其良好的压缩与剪切特性除此之外，M5纤维的高极性还使其更容易与各种树脂基体粘接，这使M5纤维的综合机械性能比目前其它高性能纤维都好文中还展望了M5纤维的应用前景前言近年来，随着对有机高性能纤维的不断深入研究，在刚性高性能纤维领域已经取得了很大的进展但大多数高性能纤维，因分子间结合力的薄弱而导致某些力学性能上的不足，如PBO纤维大分子链间较弱的结合力，使其压缩和扭曲性能较差纤维材料的压缩性能，主要取决于纤维大分子之间的相互作用程度[1，2]通常纤维扭转模量可作维表征大分子之间相互作用程度的一个量度因此，如何增强大分子链之间的相互作用，已成为进一步强化刚性聚合物纤维力学性能的一个重要问题作为Akzo-Nobel实验室的研究成果，一种新型的高性能纤维，即著称的M5已经被研究出来聚合物是聚(2，5-二羟基-1，4-苯撑吡啶并二咪唑){poly[2，6-diimidazo(4，5-b:4'，5'-e)pyridinylene-1，4(2，5-dihydroxy)phenylen]，PIPD}纤维(简称M5)[3]由于M5纤维沿纤维径向即大分子之间存在特殊的氢键网络结构，所以M5纤维不仅具有类似PBO纤维的优异抗张性能，而且还显示出优于PBO纤维的抗压缩性能1高性能纤维M1 单体的选择及M5的合成[4]在M5聚合物的制备过程中，其关键步骤是单体2，3，5，6-四氨基吡啶(2，3，5，6-tertraaminopyridine，TAP))的合成TAP可由2，6-二氨基吡啶(2，6diaminopyridine，DAP)经硝化还原后制成，反应方程式如下所示:在M5的合成过程中，TAP需经盐酸化处理并以盐酸盐形式参与聚合反应若TAP直接以磷酸盐的形式参与反应，不但可以避免盐酸腐蚀作用，还可以加快聚合反应速度，但却易发生氧化作用另一单体2，5-二羟基对苯二甲酸(2，5-Dihydroxyterephthalicacid，DHTA)的合成也是制备M5聚合物的重要环节，可由2，5-二羟基对苯二甲酸二甲酯(2，5-dihydroxy-1，4-dimethylterephthalate，DDTA)水解后制得，反应方程式如下所示:M5纤维的聚合过程与聚对苯撑苯并二恶唑(poly(p-phenylenebenzobisoxazole)，PBO)相似，可将TAP和DHTA两种单体按一定的等当比同时加入到聚合介质多聚磷酸(polyphosphoric acid，PPA)中，脱除HCI后逐渐升温至180℃，反应24h，得到M5聚合物，反应方程式如下所示:2 M5的分子结构特征及聚合物的聚集态结构1 M5的分子结构特征M5纤维在分子链的方向上存在着大量的-OH和-NH基团，容易在分子间和分子内形成强烈的氢键因此，其压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最M5纤维的刚棒状分子结构特点决定了M5纤维具有较高的耐热性由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接图1热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图[5]图2热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图[5]图1和图2都显示了热处理后PIPD纤维的微观二维结构，即在大分子间和大分子内分别形成了N-H-O和O-H-N的氢键结构，这种双向氢键的网络结构正是M5纤维具有高抗压缩性能的原因在图1 热处理后PIPD-HT单斜晶胞的双向氢键网络晶体结构示意图图2 热处理后PIPD单斜晶胞沿C轴的分子结构示意图2 M5的聚集态结构图3 PIPD-AS沿C轴方向的分子结构示意图如图3所示，为含有21%左右水分子的PIPD-AS纤维的结晶结构由于PIPD-AS纤维中存在着大量的水，因而使得PIPD-AS纤维有很大的质量热容，而且具有良好的耐燃性能表2和表3所列出的实验结果也证实了这一结论[16，19]如图4所示，为不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图[16]从图4可以看出，PIPD-AS纤维在热处理过程中晶体中的水分被脱出，变成无水聚合物晶体，从而在垂直于纤维方向的平面内形成二维氢键网状结构有实验表明，经过热处理后PIPD纤维的结晶度和取向度都有很大的提高图4 不同热处理温度的PIPD-AS纤维WAXD图Klop EA等[22]通过PIPD晶体结构的X射线衍射实验研究发现，因PIPD试样的处理温度不同，在PIPD的分子内部可出现不同形式的结晶结构—单斜结晶晶胞和三斜结晶晶胞(如图5和图6所示)单斜和三斜的晶胞参数分别为:单斜结晶: a=49 ，b=48 ，c=01 ，=90°，=107°，=90°三斜结晶:a=68 ，b=48 ，c=02 ，=84，=110°，=107°Takahashi等[20，21]采用中子方法测得的PIPD-HT晶胞参数为:a=33 ，b=462 ，c=16 ，=84°，=4°，空间结构为P21/，单斜晶胞区别于三斜晶胞的不同之处在于，三斜晶胞的氢键网络结构仅仅是靠沿对角线平面的大分子连接的，而单斜晶胞可在垂直于纤维方向的平面内形成了二维氢键网络结构，显然这种二维氢键网络结构，使得M5具有其它高性能纤维所无法比拟的高剪切强度，剪切模量和压缩强度图5 PIPD单斜晶胞在ab面和ac面上的投影 图6 PIPD三斜晶胞在ab面上的投影3 M5纤维的纺丝工艺[9，16]1 M5纤维的成形M5纤维的纺丝是将质量分数为18~20%左右的PIPD/PPA纺丝浆液(聚合物的MW为0×104~5×105)进行干喷湿纺，空气层的高度为5-15cm，纺丝温度为180℃，以水或多聚磷酸水溶液为凝固剂，可制成PIPD的初生纤维其中，实验用喷丝孔直径范围为65-200 m，喷头拉伸比取决于喷丝空的直径，可达70倍，所得纤维直径为8-14 所得M5的初生纤维需在热水中进行水洗，以除去附着在纤维表面的溶剂PPA，并进行干燥图7 M5纤维的热处理示意图2 M5纤维的热处理为了进一步提高初生纤维取向度和模量，对初生纤维在一定的预张力下进行热处理，如图7所示在这一过程中，M5纤维取向度将伴随着由其分子结构的改变引起的剪切模量的增加而增大对M5初生纤维进行热处理能够改善纤维的微观结构，从而提高纤维的综合性能M5初生纤维再进一步用热水洗涤除去残留的多聚磷酸水溶液(PPA)和干燥后，在氮气环境下于400℃以上进行大约20s的定张力热处理，最终可得到高强度，高模量的M5纤维在此需要特别指出的是，如果热处理温度过低或处理时间过短，则PIPD-AS和PIPD-HT的转变是可逆的因此，热处理温度与热处理时间对M5纤维的模量影响很大4 M5纤维的性能1 力学性能图8 PIPD-AS和PIPD-HT纤维的应力-应变曲线图如图8所示，热处理后的PIPD纤维同PIPD的初生纤维相比较，二者的力学性能截然不同，PIPD-AS纤维存在屈服，而PIPD-HT纤维不存在这种现象Lammwers M[18]等研究发现，经过200℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到7Gpa，而经过400℃热处理的初生纤维压缩强度由原来的7Gpa提高到1G显然对于PIPD的初生纤维来讲，并非热处理温度越高越好通过用偏光显微镜观察发现:在400℃热处理的纤维中存在裂纹，这可能是导致压缩强度下降的原因，因此，热处理温度不宜太高表1[9-14]给出了几种高性能纤维的力学性能和其它性能的对比数据，其中的力学性能包括拉伸强度，断裂伸长，模量以及抗压缩强度等与其它3种纤维相比，M5的抗断裂强度稍低于PBO，远远高于芳纶(PPTA)和碳纤维，其断后延伸率为4%;与其它高性能纤维相比，M5纤维的模量是最高的，达到了350GPa;M5的压缩强度低于碳纤维，但却远远高于Twaron-HM纤维和PBO纤维，这归因于M5的二维分子结构[17]表1 M5纤维与其它高性能纤维的比较纤维拉伸强独/Gpa断裂伸长/%初始模量/ Gpa压缩强度/ Gpa压缩应变/ %密度/(-3)回潮率/%Twaron-HM5C-HS0PBO6M0纤维空气中的热稳定性/℃LOI/%电导性抗冲击性抗破坏性编制性能耐紫外性Twaron-HM45029-++++-C-HS800N/A++------++PBO55068-++N/A+/---M5530>50-+++++++M5纤维特殊的分子结构，使其除具有高强和高模外，还具有良好的压缩与剪切特性，剪切模量和压缩强度分别可达7GPa和6GPa，优于PBO纤维和芳香族聚酰胺纤维，在目前所有聚合物纤维中最高图9 M5纤维的轴向压缩SEM图一般来讲，当高性能纤维受到来自外界的轴向压缩力时，其纤维内部的分子链取向会因轴向压缩力的存在而发生改变，即沿着纤维轴向出现变形带结构而对M5纤维来讲只有当这种轴向压缩力很大时才会出现这种结构[11]如图9所示，当M5纤维受到外界的轴向压缩力时，压缩变形后的M5纤维中也会出现一条变形带结构，但与其它高性能纤维(如PBO)相比较，M5纤维的变形程度要小很多2 阻燃性能表2 PIPD-AS和PIPD-HT纤维耐燃性能的重要参数[5]试样PHRR①(kWm-2)TTI②(s)SEA③FPI④(sm2kW-1)残留量(%)PIPD-AS76061PIPD-HT89062PBO-HM17072T09811N08724PVC05515注:①热量释放最大速率(PHRR);②引燃时间(TTI);③比消光面积(SEA);④耐燃性能指数(FPI)表2所列数据是热量计热流为75kW/m2时测得的，也就是在试样表面温度为890℃左右时测得的值纤维试样放在一块1cm2的线网上试样原始重量在3g-5g之间从表2可以看出，PIPD-AS纤维热量释放最大速率(PHRR)为7kWm-2，也就是说单位时间内PIPD-AS释放出最小的热量，与其它高聚物相比是一种较好的阻燃剂用材料PIPD-AS纤维的点燃时间最长为77s，远高于Nomex纤维SEA是用来衡量单位物质燃烧时产生的烟雾量，PIPD-AS纤维达到了224m3/kg，而Nomex纤维为38670m3/kg，二者相比PIPD-AS纤维的SEA值远低于Nomex纤维，说明PIPD-AS纤维燃烧时产生的烟雾量要远少于Nomex纤维同表2中的其它高聚物相比，PIPD-AS纤维的耐燃性能指数(FPI)最高为76sm2kW-从表2中各项耐燃性能参数可以看出PIPD纤维在耐燃性方面，要好于其它高性能纤维，即PIPD纤维在耐燃性方面将具有较好多应用前景M5纤维的刚棒状分子结构决定了它具有较高的耐热性和热稳定性从表2中可以看出，PIPD-HT纤维具有与聚对苯亚基苯并双嗯哇(PBO)纤维相似的FPI值，但它在燃烧过程中更不容易产生烟M5在空气中的热分解温度为530℃，超过了芳香族聚酰胺纤维，与PBO纤维接近M5纤维的极限氧指数(LOI)值超过50，不熔融，不燃烧，具有良好的耐热性和稳定性[7]3 界面粘合性能与PBO，聚乙烯或芳香族聚酰胺纤维相比，由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接采用M5纤维加工复合材料产品时，无需添加任何特殊的粘合促进剂M5纤维在与各种环氧树脂，不饱和聚酯和乙烯基树脂复合成形过程中，不会出现界面层，且具有优良的耐冲击和耐破坏性[6，8]4 热力学性能图10 四种不同含水量M5纤维的DSC扫描图图10为MGNoRTHoLIT[19]等用SetaramC80D热量计测得的四种不同含水量M5纤维的DSC谱图研究发现将1g试样材料放在一个开放的测试槽内，以2℃/min的速度，在30℃-200℃范围内得到一张扫描图，如图5所示从DSC谱图可以看出，四种不同含水量M5纤维的吸热峰面积及位置与开放测试槽内水分的蒸发有关从表3可以看出，含有结晶水的M5初生纤维的热吸收值与不含结晶水的M5纤维的热吸收值之间存在着较大的差别，而PIPD初生纤维和PIPD HT试样的热吸收值之间几乎没有什么差别通过以上研究发现完全干燥的PIPD初生纤维的晶体结构与PIPD-HT试样结构类似表3 不同含水量的PIPD纤维的热吸收值试样热吸收值(J/g)PIPD初生纤维(含水量20%)637PIPD初生纤维(干燥)163PIPD HT(含水量7%)378PIPD HT(干燥)1855 应用及展望作为一种先进复合材料的增强材料，M5纤维具有许多其它有机高性能纤维不具备的特性，这使得M5纤维在许多尖端科研领域具有更加广阔的应用前景;M5纤维可用于航空航天等高科技领域;用于国防领域如制造防弹材料;用于制造运动器材如网球拍，赛艇等M5纤维特殊的分子结构决定了其具有许多高性能纤维所无法比拟的优良的力学性能和粘合性能，使它在高性能纤维增强复合材料领域中具有很强的竞争力与碳纤维相比，M5纤维不仅具有与其相似的力学性能，而且M5纤维还具有碳纤维所不具有的高电阻特性，这使得M5纤维可在碳纤维不太适用的领域发挥作用，如电子行业由于M5大分子链上含有羟基，M5纤维的高极性使其能更容易与各种树脂基体粘接正是由于M5纤维具有许多其他高性能纤维所无法比拟的性能和更加广阔的应用前景，这使得众多的科研工作者都积极地致力于M5纤维的研究相信在不久的将来，随着对M5纤维研究的进一步深入，作为新一代的有机高性能纤维—M5纤维必将得更加广泛的应用
