7.凯夫拉纤维解析

17.芳纶纤维（凯夫拉）2COCONHNHn对苯二胺对苯二甲酰氯CONHCONHnNHHNCOOCnNH2H2N+ClOCCOClNHHNCOOCnNH2H2N+ClOCCOCl聚间苯二甲酰间苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺3弱氢键强共价键1.芳纶纤维4全称：芳香族聚酰胺纤维（Aramidfibers）诞生于20世纪60年代末，芳香族聚酰胺类纤维的通称特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度1.芳纶纤维冷战结束后，芳纶作为高技术含量的纤维材料大量用于民用领域。与锦纶的不同：构成锦纶的高聚物大分子中连接酰胺基的是脂肪链；芳香族聚酰胺纤维中连接酰胺基的是芳香环或芳香环的衍生物。5(1)间位芳香族聚酰胺纤维（聚间苯二甲酰间苯二胺）英文缩写为PMTACOCONHNHn特点:具有耐热性和阻燃性的特点，在371℃熔融，并且伴有分解，可溶于5%LiCl的二甲基乙酰胺中。美国的商品名为Nomex，我国称为芳纶1313。强度、模量较低，不能用作结构复合材料（耐高温绝缘材料，耐高温的蜂窝结构）2.芳纶纤维的种类6杜邦Nomex绝缘纸7聚对苯甲酰胺（聚对胺基苯甲酰）纤维Poly（P-benzamide），简称PBA纤维。NHCOn(2)对位芳香族聚酰胺纤维8Poly（P-Phenleneterephthalamide）简称PPTA纤维COCONHNHnKevlar(3)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维9最具代表性：聚对苯二甲酰对苯二胺，简称PPTA芳纶根据纤维大分子链节中酰胺键与亚胺键的位置，有不同的名称，例如Kevlar29、Kevlar49等。3.芳纶纤维的制备10Kevlar纤维的制造过程分为两个阶段：第一阶段，对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩聚成PPTA;第二阶段，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。3.芳纶纤维的制备11简单流程图第一阶段12第二阶段131）聚合物的准备：简称PPTA(固态)3.芳纶纤维的制备（1）原料对苯二甲酰氯对苯二胺溶剂（2）缩聚反应14（3）操作方式和特点方式名称操作过程方法特点间隙缩聚N2气保护下聚合物单体溶液在反应器中缩聚，除去产物中的盐酸和溶剂设备利用率低限制大规模生产连续缩聚聚合物成本低气相缩聚将对苯二胺和对苯二甲酰氯及氮气在反应器中进行气相缩聚不需要溶剂产物纯度高纤维性能高15（1）工艺流程聚合物PPTA2）纺丝工艺浓硫酸溶解纺丝溶液干湿法纺丝水洗干燥Kevlar-29热处理（550℃）N2Kevlar-49总结PPTA溶解于浓硫酸中在一定温度和浓度下形成的是向列型液晶溶液，具有高浓度，低粘度性质，有利于纺丝PPTA浓硫酸溶液粘度-浓度示意图（2）纺丝溶液PPTA在硫酸中处于各向异性的液晶态（呈一定取向态，易沿外界作用力方向取向，具有高浓度低粘度的特点，利于纺丝）17（3)高聚物溶液的特性：高聚物溶液不溶于一般的溶剂，仅溶于强酸，如硫酸、氯酸、硝酸等。一般用硫酸高聚物溶液呈液晶高聚物的特点。体积分数12%，溶液呈各向同性；体积分数20%，高取向的液晶，各向异性聚合物体积分数18-22%，温度90℃处于可纺性良好的低粘度区。3.芳纶纤维的制备在浓H2SO4中的结构排列18（4）干喷湿纺工艺Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(1)卧式19Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(2)立式203)纺丝：采用干喷—湿法纺丝工艺21工艺过程：各向异性的PPTA溶液通过喷丝孔抽伸时，靠近细孔壁时产生剪切，当成丝凝结时，将保持高取向分子结构，形成较高的洁净度和较高的取向结构。3.芳纶纤维的制备22凝固浴的温度为0℃~5℃中间空气层间隙可使高温纺丝喷头和低温凝固浴保持温差，同时在空气层中进行适宜的喷头拉伸，增加取向度纺丝速度可达2000m/min3.芳纶纤维的制备4）热处理1）操作惰性气体,张力Kevlar-29Kevlar-49（结晶率94％）150~550℃分段热处理（结晶率96％）2）目的使分子链进一步取向，提高结晶率，增加强度和模量（断裂应变降低）245）Kevlar纤维制备工艺总括256）复合材料用Kevlar纤维产品（1）长纤维纱粗纱，细纱（2）短纤维纱（3）由纱织成的单向带（4）Kevlar纤维布平纹斜纹缎纹26PPTA化学结构的特点是：◇由苯环和酰胺基按一定规律有序排列构成。酰胺基的位置接在苯环的对位上。4.芳纶纤维的分子结构27结构:长链状聚酰胺，至少85%的酰胺直接键合在芳香环上优点：(1)刚性伸直链芳环——高强度、高模量(2)线型分子链——分子链堆积紧密，密度高，故强度高(3)大量的分子间氢键——耐化学药品，且刚性伸直链苯环结晶度高缺点：横向强度低，压缩强度和剪切性能不好、易劈裂。化学结构284.芳纶纤维的分子结构高聚物链呈伸展状态，形成棒状结构及高结晶度纤维具有高模量高聚物链的线性结构使分子间排列紧密纤维具有化学稳定性高温尺寸的稳定性苯环结构，高结晶度纤维具有高强度分子链在纤维轴向高度定向，强共价键纤维横向分子间氢键纤维力学性能各向异性总之，Kevlar纤维具有强度高、弹性模量高、韧性好和比重小等的优点，常于碳纤维混杂，提高复合材料的冲击韧性。295.芳纶纤维性能1）力学性能：①拉伸强度：Kevlar纤维的拉伸强度约为E-glassfiber的1.5倍。与CF的拉伸强度相当或稍高。②拉伸模量：Kevlar纤维的拉伸模量仅次于BF、CF。③延伸率：Kevlar纤维有较高断裂延伸率，不像CF、BF那样脆。④密度：Kevlar纤维比CF(1.7～1.8)、GF(2.5左右)、BF(3.9)都要低，而KF仅1.4左右。30几种增强纤维的比强度和比模量31芳纶与各种纤维性能比较纤维名称密度(g/cm3)拉伸强度(MPa)初始拉伸模量(GPa)延伸率(%)Nomex1.380.6617.422Kevlar1.43~1.443.2264.81.43~1.44Kevlar-291.442.8263.23.6Kevlar-491.443.82126.62.4芳纶Ⅱ1.442.6~3.39~122~3.2芳纶Ⅰ1.4652.8~3.415~161.8~2.2尼龙61.140.66~0.970.28~0.5116~25尼龙661.140.61~0.970.22~0.6016~28涤纶1.380.78~1.121.12~1.997~17丙纶0.900.24~0.660.15~0.3320~80碳纤维M401.812.1400.5碳纤维T5001.743.2251.3碳纤维T3001.752.8231.2E玻璃纤维2.541.0~3.072.5~4高强2#玻璃纤维2.543.0~3.48.3~8.5硼纤维3.93.538~400.5~0.8氧化铝纤维1.4~1.8380.4322）物理性能(1)有光，黄色，Kevlar49为深黄色(2)线密度：大部分13.7tex，直径0.012mm(3)密度：大部分1.43-1.44g/cm3锦纶1.14，聚酯1.38，碳纤维1.8玻璃纤维2.25，钢丝7.833具有良好的散热和绝热性能在相同重量下，Kevlar纤维比玻璃纤维和石棉织物具有较好的热绝缘性具有极好的热稳定性，500℃以上降解抗燃性能好，不产生后燃烧，不帮助燃烧，427℃炭化尺寸稳定性好，具有非常低的热收缩3）热性能34GF：软化点：550～580℃；200～250℃以下，GF强度不变。热膨胀系数：48×10-6℃-1CF：高于1500℃，强度才开始下降。热膨胀系数：平行于纤维方向：负值-0.72～-0.90×10-6℃-1垂直于纤维方向：正值32～22×10-6℃-1BF：高于500℃，强度下降非常明显。KF：在空气中高温下长期使用温度为160℃；短时间内暴露在300℃以上，强度几乎无损失。3）热性能35性能数据在空气中高温下长期使用温度(℃)160分解温度(℃)500拉伸强度(MPa)在室温下16个月无强度损失在50℃空气中2个月无强度损失在100℃空气中3170在200℃空气中2720拉伸模量(GPa)在室温下16个月无强度损失在50℃空气中2个月无强度损失芳纶细纱和粗纱的热性能36芳纶在各种化学药品中的稳定性化学试剂浓度(%)温度(℃)时间(h)强度损失(%)Kevlar-29Kevlar-49醋酸99.721240盐酸37211007263盐酸372110008881氢氟酸1021100106硝酸10211007977硫酸1021100912硫酸102110005931氢氧化钠282110009737化学试剂浓度(%)温度(℃)时间(h)强度损失(%)Kevlar-29Kevlar-49丙酮10021100031乙醇10021100010三氯乙烯10021241.5甲乙酮10021240变压油100605004.60煤油100605009.90自来水10010010002海水100一年1.51.5过热水100138409.3饱和蒸汽1001504828氟利昂221006050003.6386.凯夫拉纤维的发展396.凯夫拉纤维的发展称Kevlar或芳纶，即芳香族聚酰胺纤维1）1960年，杜邦Nomex聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(芳纶1313)耐热纤维2）1965年，杜邦Kevlar聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(即芳纶1414)高强高模量纤维3）1974年，美国联邦通商委员会将全芳香族聚酰胺命名为Aramid。40聚对苯二甲酰对苯二胺的商业名称：美国Kevlar、日本帝人Technora、荷兰阿克苏Twaron、中国芳纶1414聚间苯二甲酰间苯二胺的商业名称：美国Nomex、日本帝人Conex、荷兰阿克苏Twaron中国芳纶13136.凯夫拉纤维的发展41ARAMID纤维主要包括两种牌号，并重改名称。PRD--49--IV改称为芳纶--29；PRD--49--III改称为芳纶--49；主要用于绳索、电缆、涂漆织物、带和带状物，以及防弹背心等。用于航空、宇航、造船工业的复合材料制件。6.凯夫拉纤维的发展42凯夫拉（Kevlar）纤维国内发展起步阶段：技术水平、产品档次及生产能力都与国外发达国家存在着一定的差距。产品种类：轮胎帘子线光缆补强件艰难的原因生产的技术瓶颈难以突破大部分原料需要进口6.凯夫拉纤维的发展43玻璃纤维在许多塑料增强用途中逐渐被KEVLAR49所取代。芳纶纤维的密度比玻璃纤维低43％。此外，以相同重量计，KEVLAR49是E-玻璃强度的两倍半，韧度是三倍。还有，用芳纶的复合材料比玻璃纤维复合材料更为耐久，其抗损坏、疲劳、振动及防开裂传播的性能较优。这就是KEVLAR49复合材料能用于飞机和导弹以及船艇和运动器材方面的原因。7.芳纶及复合材料应用447.应用45防弹头盔（采用我国自行研制的芳纶纤维制造的）466.Kevlar纤维或产品47法国新型第四代“阵风”(Rafale)战斗机：机身结构采用复合材料，后机身为碳纤维复合材料，机头整流罩和喷管整流罩为聚芳酰胺纤维复合材料。起落架及发动机舱门为碳纤维复合材料。48Kevlar纤维浸渍环氧树脂缠绕美国核潜艇“三叉戟”c4潜地导弹的固体火箭发动机壳体。(1)航空航天领域法国、德国多功能武装直升机1）先进复合材料7.芳纶及复合材料应用49(1)硬质防弹装甲板芳纶复合材料板、芳纶与金属复合装甲板以及芳纶与陶瓷复合装甲板已广泛用于防弹装甲车、防弹运炒车、直升飞机防弹板、战舰装甲防护板。可用作防弹头盔。(2)软质防弹背心第一代防弹芳纶是Kevlar-29和Twaron-1000，第二代防弹芳纶是Kevlar-129和TwaronCT-2000；最新的软质防弹背心材料是由高档防弹芳纶的无纬布与高性能聚乙烯薄膜制成的柔性片材组合而成的软质防弹材料，比超高分子量聚乙烯纤维的防弹性能和耐热性更好。2．防弹制品50芳纶可用作航空航天的降落伞绳、舰船及码头用缆绳、海上油田用支撑绳、深海系留绳等。也可用作光纤通讯电缆的加强件和复合材料芯杆。3．缆绳方面的应用514．应用于特种防护服装芳