第10章芳纶纤维

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。2纺丝工艺凯芙拉纤维的成纤工艺与碳纤维、玻璃纤维制造工艺都不同,它是一种新的成纤工艺，即所谓液晶纺丝工艺。液晶一船分为三类：即向列态、近晶态、胆腦态。纺织时要选择适当的浓度和温度范围，可纺织区的温度范围是比较窄的。起先的纺丝方法是湿法纺丝，生产效率低，纤维性能差,随后又出现干喷湿纺工艺。干喷湿纺工艺:采用高浓度、高温度的液晶溶液在较高的喷丝速度下喷丝喷丝进入温度低的凝固液浴，在凝固液浴中，经过一个纺丝管，在凝固液的作用下形成丝束，绕到绕丝辊上，再经洗涤，在张力下于热辊上干燥。最后在惰性气体中于较高的温度下进行热处理，得到凯芙拉纤维。两种干喷混纺装置示意图第四节凯芙拉纤维的制品凯芙拉纤维可以制成各种连续长纤维的粗、细纱，并可以纺织加工成各种织物。粗纱和细纱的物理力学性能见表4。粗纱也用于缠绕制品及挤拉成型工艺。芳纶纤维制品的型号和规格见表5；凯芙拉-49织物的性质见表6。凯芙拉-49织物具有高的拉伸性能和低的断裂延伸率。表6所列的有机纤维织物与玻璃纤维织物在结构上很类似，在用途上也有相似的适用性。性能数值在空气中高温下长期使用的温度（℃）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拉伸弹性模量（GPa）在室温下16个月无模量损失在50℃空气中2个月无模量损失在100℃空气中113.6在200℃空气中110.3表4凯芙拉-49细钞和粗纱的物理力学性能续表4凯芙拉-49细钞和粗纱的物理力学性能收缩率(%)4×10-4热膨胀系数（10-6·℃-1）纵向0～1000℃-2径向0～1000℃50室温比热（J/g·℃）1.42在室温下导热率[W/(m·K)]垂直于纤维方向平行于纤维方向4.110×10-24.816×10-2燃烧热（KJ/g）34.8表5常用芳纶织物注:拉伸试验的试样宽度为1cm。第五节芳纶纤维及其复合材料的应用芳纶纤维主要用作环氧、聚酯和其他树脂的增强材料，制成各种航空、宇航和其他军事用途的构件。在航空方面：各种整流罩、机翼前缘、襟翼、方向舵、安定面翼尖、尾锥、应急出口系统构件等。在航天方面：火箭发动机壳体和压力容器、宇宙飞船的驾驶舱、氧气、氮气和氦气的容器以及通风管道等。其他军事方面：防护材料，如坦克、装甲车、飞机、艇的防弹板以及头盗和防弹衣等。芳绝增强复合材科可大幅度减轻制品的质量，故在民用工业方面应用也十分广泛，造船工业，体育用品。芳纶的特性:高强度、质量轻、尺寸稳定等，芳纶是轮胎帘子线的好材料，具有承载高、质量轻、乘用舒适、噪音低、高速性能好、滚动阻力小、产生热量少,特别适用于高速高压轮胎。芳纶还可以用橡胶和塑料复合，制成高压软管和重型运输带,可作为涂覆织物使用。