芳纶纤维

芳纶纤维：芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌号为凯芙拉（Kevlar）纤维，我国命名为芳纶纤维。特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度§2-4芳纶纤维2.4.1概述1.间位芳香族聚酰胺纤维（聚间苯二甲酰间苯二胺）COCONHNHn特点: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）10.2.1芳纶纤维的结构2.4.2芳纶纤维的种类2.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Poly（P-benzamide）简称PBA纤维。NHCOn(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维Poly（P-Phenleneterephthalamide）简称PPTA纤维COCONHNHnKevlar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1.4~1.8380.4芳纶纤维的强度和模量高，密度低，因而此种增强纤维有很高的比强度和比模量。各类增强纤维比强度比模量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2821100097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221006050003.6Kevlar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。2.4.3Kevlar纤维的制备简单流程图第一阶段第二阶段（1）原料1）对苯二甲酰氯2）对苯二胺3）溶剂（2）缩聚反应1.Kevlar的缩聚工艺（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（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）（3）干喷湿纺工艺Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(1)卧式Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(2)立式（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）3.Kevlar纤维制备工艺总括2.4.5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（1）平纹（2）斜纹（3）缎纹法国新型第四代“阵风”(Rafale)双发多任务战斗机，采用前置鸭翼、后掠三角翼和单垂尾气动布局，大量采用复合材料。“阵风”战斗机机身结构采用复合材料常规半硬壳式结构机身的50%采用碳纤维复合材料。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。液晶的基本概念物质的状态:固态，液态，气态气态：液态：具有高的流动性，构成液体的分子能够在整个体积中自由移动，不具有长程有序，各向同性。固态：具有一定的形状，构成固体的分子或原子在固体中具有有序规整的排列，具有长程有序，具有各向异性。液晶（LiquidCrystals）：是介于各向同性的液体和完全有序的晶体之间的一种取向有序的流体，它既有液体的流动性，又有晶体的双折射等各向异性的特征；是一种中间态。液晶的基本概念TemperatureSolventCrystalLiquidcrystal(LC)LiquidTemperatureSolvent液晶分类不同的方式分类：分子量的大小：小分子液晶、高分子液晶达到液晶态的方式：热致液晶（Thermotropic）、溶致液晶（Lyotropic）、兼具热致与溶致的液晶、场致液晶（压力、电场、磁场、光照等）来源：天然液晶、合成液晶液晶态：向列相（Nematic）、近晶相（Smectic）、胆甾相（Cholesteric），盘状分子的柱状相。液晶的相态NematicCholestericSmectic向列相胆甾相近晶相DirectorNLong-rangeorientationalorderofmoleculesMoleculesNnnnnnnnPolydomainstructureinanematicphase.Localdirectorsarerepresentedbyn,andtheglobaldirectorisrepresentedbyN.液晶的相态－向列相(NematicPhase)DirectorNLayersMoleculesTiltAngleDirectorNLayersMoleculesLayerstructureinSmecticphasesSmecticASmecticC液晶的相态－近晶相(SmecticPhases)Theplanesrepresentthesmecticlayers.Thedirectoralwaysmakesthesameanglewiththesmecticplanes,buttheorientationofthedirectorrotatesaboutthelinetotheplanesingoingfromonelayertothenext.胆甾相(手性向列相Chiralnematicphase)手性近晶相(Chiralsmecticphase)Moleculesinthecholestericphase.Thedirectornrotatesinahelicalfashion.液晶的相态－胆甾相(Cholestericphase)R=n-C4H9ton-C9H19Nematic,hexagonalandrectangularcolumnarphasesnematichexagonalcolumnarrectangularcolumnarChemicalstructureofBHn-alkanoates液晶的相态－柱状相(ColumnarPhases)Textures(织构)underPOM(偏光显微镜)Nematic:schlieren(纹影)texture液晶织构Smectic:Focal-conic(焦锥)textureNematic:thread-like(丝状)texture液晶织构Cholesteric:finger(指纹)textureTextures(织构)underPOM(偏光显微镜)液晶织构Cholesteric:blue(兰相)textureCholesteric:oil-streak(油丝)textureTextures(织构)underPOM(偏光显微镜)液晶高分子液晶高分子的概念：液晶高分子（liquidcrystallinepolymers,LCPs）是在一定的条件下能以液晶态存在的高分子。与一般的高分子相比，它有液晶相所特有的分子取向序和位置序，与其它的液晶化合物相比，它有高分子量和高分子化合物的特征。纤维力学性能比较纤维密度/g/cm3模量/Gpa理论实际强度/Gpa理论实际普通纤维聚丙烯0.914922171.3PET1.3813725281.3尼龙1.1426319321.7腈纶1.1823617212.1碳纤维1.9610608221005.3液晶高分子Ekonol1.40136－－3.8Vectran1.4488－－3.2Kevlar-291.4420062282.8Kevlar-491.47200141282.3PBT1.58370300－3.0PBO1.50－340－3.4Ekonol：对羟基苯甲酸、联苯二酚和对苯二甲酸、间苯二甲酸共聚物纤维；Vectran：对羟基苯甲酸和6羟基萘-2-酸聚酯纤维；Kevlar：对苯二甲酰对苯二胺纤维；PBT：聚苯并噻唑纤维；PBO聚苯并噁唑纤维。高分子液晶态的研究侧链液晶聚合物的丝状织构侧链液晶聚合物的扇形织构高分子液晶的织构高分子液晶态的研究液晶共聚酯近晶C相的层线织构液晶聚合物的胆甾相指纹织构高分子液晶的织构高分子液晶态的研究甲壳型液晶聚合物的条带织构侧链液晶聚合物的胆甾相油丝织构高分子液晶的织构