第10章芳纶纤维讲解.ppt

* 第十章 芳纶纤维 第一节 概 述 芳纶纤维是芳香族聚酰胺族类纤维的通称，国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国命名为芳纶纤维。 凯芙拉纤维有三个品种：Kevlar、Kevlar-29(简称K-29)、Kevlar-49(简称K-49)分别如下。 凯美拉纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度的新型有机纤维,很多工业得到应用。 Kevlar主要用于增强塑料、制造轮胎、三角皮带、同步带等。 Kevla-29主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物、防弹板、防弹头盔等。 Kevlar-49主要用做航空、航天、国防、造船等部门应用的各类复合材料的增强材料，例如火箭发动机壳体，飞机的各种部件等。 第二节 芳纶纤维的结构与特性 1 芳纶纤维的结构 按分子结构可分为三种类型： ①对位芳香族聚酰胺纤维 ②间位芳香族聚酰胺纤维 ③芳香族聚酰胺共聚纤维 1.1 对位芳香族聚酰胺纤维 (1)聚对苯甲酰胺(聚对胺基苯甲酰)纤维简称PBA纤维。其分子结构式为： 制备：由对氨基苯甲酰缩聚，纺丝而制得。 (2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维简称PPTA纤维。其分子结 构式为: 制备：由对苯二甲酰氯和对苯二胺缩聚，纺丝而制得。 1.2 间位芳香族聚酰胺纤维 (1)聚间苯二甲酰间苯二胺纤维 其分子结构式为: 制备：由间苯二胺与间苯二甲酰氯缩聚制得的树脂，经纺丝制成。 优点:高温性能好，高温下的强度保持率好，尺寸稳定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃烧，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化学试剂，绝热性能也较好。 缺点:强度和模量低，耐光性较差。 用途:用于做成易燃易爆环境的工作服，如消防服、宇宙服、飞行服以及隔热手套等，用它制成的纸，可用做耐高温绝缘材料，也可做耐高温的蜂窝结构。 (2)聚N ，N，-间苯双-(间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维 其分子结构式为： 由间胺基苯甲酸、间苯二胺及对苯二甲酸共缩聚，经纺丝而成。 用途：作抗燃纤维及耐高温绝缘材料。 1.3 芳香族聚酰胺共聚纤维 其分子结构式为: 制备：采用各种芳环和杂环的二胺和二酰氯，与对苯二酰氯和对苯二胺共聚。 可以看出，沿纤维方向是强的共价键，而在纤维的横向是较弱的氢键。 物理力学特性:良好的规整性、高度的结晶性、高度定向性、力学性能各向异性、很高的模量、有较高的强度、化学稳定性。 发展状况:处于研制和试生产阶段。 2 芳纶纤维的基本性能 2.1 力学性能 拉伸强度和初始模量很高,而延伸率较低。表1 列举了各类芳纶纤维的拉伸性能数据。图2 中示出了各类增强纤维的应力-应变关系曲线。 表1 芳纶与各种纤维性能比较 续表1 图2 中示出了各类增强纤维的应力-应变关系曲线 拉伸应变(％) 从表1和图2中比较出，芳纶纤维在有机纤维中。力学性能是极其优异的，强度极高；它的拉伸强度，约为E玻璃纤维的1.5倍，与碳纤维相当或略高。拉伸模量仅次于碳纤维和硼纤维。 芳纶的强度和模量高，密度低，这种增强纤维有很高的比强度和比模量。 各类纤维的比强度和比模量如图3所示 图3 各类增强纤维比强度比模量 2.2 热性能 芳纶有良好的热稳定性， 在高达180℃的温度下，保持它的性能。 170℃的低温下, 不会变脆，仍能保持其性能。 在0～100℃的温度下，纵向膨胀系数约为-2×10-6℃-1。 100℃～200℃的温度下为-4×10-6℃-1 。 短时间内暴露在300℃以上，强度几乎没有影响。 表2列出了芳纶细纱和粗纱的热性能。 表2 芳纶细纱和蛆纱的热性能 2.3 耐化学稳定性 除强酸与强碱以外，芳纶几乎不受有机溶剂、油类的影响，对饱和水蒸气的稳定性，比其他有机纤维好。芳纶对紫外线是较敏感的。 表3中给出了芳纶在各种化学药品中的强度损失。 表3 芳纶在各种化学药品中的稳定性 续表3 芳纶在各种化学药品中的稳定性 第三节 芳纶纤维的制造 制造过程一般分为两个阶段： 第一阶段由对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩聚成对苯撑对苯二甲酰胺的聚合体(PPTA)； 第二阶段是将聚合体溶解在溶剂中再进行纺丝，制成所需要的纤维材料。 简单流程如下图所示。 HMPA;NMP（LiCl） 沉淀、洗涤（中和）、干燥 聚合体 溶解 原液 干-湿法纺丝 水洗（中和） 卷取、干燥 凯芙拉 凯芙拉-29 热处理 凯芙拉-49 聚合 1 聚对苯撑对苯二甲酰胺的聚合 制备：聚对苯撑对苯是由二甲酰胺、对苯二甲酸酰氯缩聚而成，反应式如下: 聚对苯撑对苯二甲酰胺性能:刚性链分子,玻璃化温度和熔点均较高。 制备条件:选择好合适的溶剂，使用低温溶液缩聚方法,反应体系及溶剂中的含水量要严格控制。 常见溶剂:六甲基磷酰胺、 N-甲基吡咯烷酮及二甲基乙酰胺等。