芳綸纖維的制造與應用

1、輕化輕化1002孫正孫正0902100206芳綸概述芳綸（aramid fiber）是由（aromatic polyamide risen）紡成的纖維。國外稱為芳酰胺纖維,我國定名為芳綸。 凡聚合物大分子的主鏈由芳香環(huán)和酰胺鍵構成，且其中至少有85%的酰胺基直接鍵合在芳香環(huán)上，每個重復單元的酰胺基中的氮原子和羰基直接與芳香環(huán)中的碳原子相連接并置換其中一個氫原子的聚合物，稱為芳香族聚酰胺樹脂。（2）PPTA的結構與組成PPTA化學結構的特點是： 由苯環(huán)和酰胺基按一定規(guī)律有序排列構成。酰胺基的位置接在苯環(huán)的對位上。在芳綸中，分子內的骨架原子通過強共價鍵結合；高聚物分子間是酰胺基，由于酰胺基是極性基

2、團，其上的氫能夠與另一個鏈段上酰胺基團中可供電子的羰基（-CO-)結合成氫鍵，構成梯形聚合物，這種聚合物具有良好的規(guī)整性，因此具有高度的結晶性。芳綸沿分子鏈方向（平行于纖維軸向）為強共價鍵；垂直于纖維軸向的分子間以氫鍵相連，因而纖維顯現(xiàn)各向異性（在軸向，和E高；在橫向，和E均較低）。苯環(huán)呈大共軛鍵（鍵），它難于旋轉，所以，大分子鏈具有線性剛性伸直鏈（棒狀）構型，從而賦予Kevlar纖維高強度、高模量和耐熱性。（3）芳綸的性能物理性能密度小，為1.44g/cm3比強度高（高于碳纖維和硼纖維）比模量雖然較高，但低于碳纖維和硼纖維；韌性好、抗沖擊性好、加工性好；壓縮強度不高（為拉伸強度的1/5）；剪

3、切強度不高（為拉伸強度的1/17）； Kevlar-149的彈性模量高于Kevlar-49； Kevlar-149的高溫強度保留率最高。熱穩(wěn)定、耐火、不溶、自熄性材料。真空中長期使用溫度為160，-60也不脆； Tg =（250400）；熱膨脹系數(shù)低（300以下，縱向為負值）；具有良好的耐化學介質性（但不耐強酸、強堿）；耐疲勞、耐磨、電氣絕緣、透電磁波。 對紫外線敏感。芳綸的化學性能芳綸的缺陷沿縱向排列的雜質Na2SO4；孔洞；表皮軸向裂紋（長2024nm、寬611nm）。芳綸的不足耐光性差，暴露于可見光和紫外線時會產生光致降解（即力學性能下降和褪色）。用高吸收率材料對Kevlar纖維增強聚合

4、物基復合材料作表面涂層，可以減緩其光致降解；溶解性差；抗壓強度低；吸濕性強，吸濕后纖維性能變化大，因此應密封保存，在制備復合材料前應增加烘干工序。（4）PPTA纖維的制備過程合成PPTA的原料包括：對苯二甲酰氯（Terephthaloyl chloride）對苯二胺（p-phenglene diamine）強極性的酰胺類溶劑（二甲基乙酰胺或六甲基磷酸胺），選用強極性的酰胺類溶劑，是為了將開始生成的聚合物留在溶液中。 PPTA的合成紡絲紡絲液的配制濃硫酸（濃度為100%）+聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）配成液晶溶液（稱為明膠）溶液濃度（配比）：PPTA/濃硫酸=20/100PPTA在濃硫酸中形

5、成向列型液晶態(tài)，聚合物呈一維取向有序排列。三種紡絲方法：a.濕紡(wet spinning)：將明膠經針孔擠出，進入冷凝液體中快速冷卻，最后在惰性氣體中熱處理。b.干噴(dry jet)：將明膠由噴絲嘴噴出，經過一段空氣層快速拉伸使分子取向，最后進行熱處理。c.干噴濕紡(the dry jet-wet spinning process)是常用的紡絲方法。干噴濕紡(the dry jet-wet spinning process)是常用的紡絲方法。干噴濕紡的工藝過程：首先，二元胺和含鹵二元酸的溶液在低溫下（0）縮聚產生聚酰胺（polyamides）；粉碎、沖洗和干燥，并與強酸（濃硫酸）混合。 在

6、100下，明膠通過紡絲孔擠出；通過1cm的空氣間隙（造成絲在一定范圍內的旋轉和排列），進入冷水（04）中，得到高結晶度（分子鏈充分伸展和定向）的初生纖維，在水中漂洗后干燥。在膠凝浴中去除酸。用干噴濕紡方法紡絲時，在剪切力作用下，PPTA極易沿作用力方向取向。采取干噴濕紡液晶紡絲工藝，可抑制卷曲或折疊鏈產生，使分子鏈沿軸向進一步高度取向，形成幾乎為100%的次晶結構。芳綸的應用與展望（1）芳綸纖維的應用先進復合材料防彈制品纜繩建材傳送帶特種防護服裝體育運動器材電子設備芳綸應用于特種防護服裝對位芳綸和間位芳綸或芳砜綸混紡織物可用于防火和消防工作服；芳綸布用于森林伐木工作服、賽車服、運動服和手套、襪

7、子等。芳綸在體育運動器材方面的應用弓箭、弓弦、羽毛球拍；與其他纖維混雜的復合材料制作高爾夫球棍、滑雪板、雪橇、自行車架和輪轂等。集成電路和低膨脹系數(shù)的印刷電路板揚聲器的嗽叭盒芳綸在電子設備方面的應用（2）芳綸的展望改善芳綸性能的途徑：對PPTA引入第三組分進行共聚、共混研究；合成新型的芳綸；研制PPTA纖維與其他纖維混雜增強的復合材料；對PPTA纖維進行表面處理。應用于戰(zhàn)略導彈： 用纏繞法制造了Kevlar-49增強環(huán)氧樹脂復合材料如下結構件： 美國核潛艇“三叉戟”C4潛地導彈的固體火箭發(fā)動機殼體；美國戰(zhàn)略型號MX陸基機動洲際導彈的三級發(fā)動機和新型潛地“三叉戟”D5導彈的第三級發(fā)動機；前蘇聯(lián)S

8、S-24、SS-25鐵路和公路機動洲際導彈各級固體發(fā)動機；法國的M4導彈的402K的殼體。應用于戰(zhàn)術導彈：采用芳綸/環(huán)氧復合材料制作“潘興”的航天頂級發(fā)動機、衛(wèi)星變軌固體發(fā)動機的殼體。應用于耐熱隔熱功能材料：芳綸短切纖維或漿粕增強的三元乙丙(EPDM)橡膠基復合材料的軟片或帶材用于最新的各種發(fā)動機的內絕熱層。芳綸作為增強材料用于先進發(fā)電機的發(fā)動機艙、中央發(fā)動機整流罩、機翼與機身整流罩掛架整流罩、機翼前緣、襟翼、方向舵和升降舵后緣、安定面翼尖、貨艙襯壁、天花板、應急出口門和窗、發(fā)動機調節(jié)系統(tǒng)管道等。用于直升飛機上的機身外蒙皮、旋翼、螺旋漿和雷達天線罩等。 ARALL超混復合層板 以芳綸環(huán)氧無緯布

9、與薄鋁板交疊鋪層、再熱壓制成的聚合物-金屬復合材料，稱為超混雜復合材料。是具有許多超混雜優(yōu)異性能（比強度高、比模量高、疲勞壽命是鋁的1001000倍，阻尼和耐噪聲性能較鋁好，加工性能較芳綸/環(huán)氧好）的新型結構材料。荷蘭和美國的多家飛機公司利用ARALL制造機翼下蒙皮和機身段蒙皮以及機艙門。游艇、賽艇、帆船、小型漁船、救生艇、充氣船、巡邏艇的艇殼材料；戰(zhàn)艦及航空母艦的防護裝甲以及建造聲納導流罩等。芳綸應用于汽車工業(yè)用作橡膠輪胎的簾子線。它的橡膠基和樹脂基復合材料用作高壓軟管、排氣管、摩擦材料和剎車片、三角皮帶、同步齒輪的傳送帶、大型運輸車和冷藏車的車廂。用芳綸/環(huán)氧或碳/環(huán)氧外全纏熱塑性塑料內料

10、制作全復合材料的天然氣氣瓶。它能清潔能源，安全可靠，比鋼瓶減重一半以上。國外研制將它用于電動汽車和電、氣混用汽車的貯能飛輪。芳綸應用于防彈制品硬質防彈裝甲板 芳綸復合材料板、芳綸與金屬復合裝甲板、芳綸與陶瓷復合裝甲板廣泛用于防彈裝甲車、防彈運鈔車、直升飛機防彈板、戰(zhàn)艦裝甲防護板和防彈頭盔。軟質防彈背心 第一代防彈芳綸是Kevlar-29和Twaron-1000；第二代防彈芳綸是Kevlar-129和Twaron CT-2000;最新的軟質防彈背心材料是Gold Flex,這是一種由高檔防彈芳綸的無緯布與高性能聚乙烯薄膜制成的柔性片組合而成的，比超高分子量聚乙烯纖維的防彈性能和耐熱性更佳。芳綸應

11、用于基礎設施和建材方面芳綸短切纖維用環(huán)氧系列的粘合劑緩慢地固化后，放入攬拌機中與水泥混合，然后在擠出成型機中制成一定厚度的預制件；用芳綸連續(xù)纖維作為加強筋，加入混凝土或上述短纖維增強的混凝土中代替鋼筋；將連續(xù)纖維編織物增強環(huán)氧的網狀固化物鋪入混凝土內進行加強。芳綸增強混凝土用于橋梁、橋墩、高樓壁板及大型建筑物及它們的修復、海洋工程結構、化工廠設施等。具有強度高、質量輕、耐腐蝕和壽命長的優(yōu)點。芳綸應用于傳送帶芳綸纖維增強橡膠基復合材料的運輸傳送帶已大量應用于煤礦、采石廠、港口。利用芳綸耐熱性好的特點，還可用于熱玻璃器皿坯料（如玻璃顯像管）的生產線傳輸和食品烘干線的傳送帶。芳綸在纜繩方面的應用航空

12、航天的降落傘繩光纖通訊電纜的加強件和復合材料芯桿實用于高性能復合材料的芳酰胺纖維的主要品種美國杜邦公司生產：聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)纖維聚對苯甲酰胺(PBA)纖維日本帝人公司生產：對位芳酰胺共聚纖維（Technora）俄羅斯生產：聚對芳酰胺苯并咪唑纖維(CBM)APMOC纖維杜邦公司PPTA纖維的主要牌號 在復合材料中應用最普遍的是PPTA纖維，Du pont公司PPTA纖維的主要牌號有：第一代（RI型）：Kevlar-29、Kevlar-49第二代(Hx系列）：Ha（高粘接型）、Ht（Kevlar-129、高強型）、He（Kevlar-100、原液著色型）、Hp（Kevlar-68、高性能中模型）、Hm（Kevlar-149、高模型）、He（Kevlar-119、高伸長型）。我國于20世紀70年代跟蹤研制，于80年代初期試生產出聚對苯甲酰胺（PBA）纖維，定名為芳綸（芳綸14） ；又于80年代中期試生產出PPTA纖維，定名為芳綸（芳綸1414），可批量生產。我國芳綸纖維的主要牌