有機(jī)纖維材料類型和特點

1、有機(jī)纖維材料類型和特點125. 芳綸纖維（凱夫拉）3對苯二胺對苯二甲酰氯聚間苯二甲酰間苯二胺聚對苯二甲酰對苯二胺1. 芳綸纖維誕生于20世紀(jì)60年代末，芳香族聚酰胺類纖維的通稱全稱：芳香族聚酰胺纖維（Aramid fibers）4特點：高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度1. 芳綸纖維 冷戰(zhàn)結(jié)束后，芳綸作為高技術(shù)含量的纖維材料大量用于民用領(lǐng)域 。 與錦綸的不同： 構(gòu)成錦綸的高聚物大分子中連接酰胺基的是脂肪鏈；芳香族聚酰胺纖維中連接酰胺基的是芳香環(huán)或芳香環(huán)的衍生物。5弱氫鍵強(qiáng)共價鍵1. 芳綸纖維6最具代表性：聚對苯二甲酰對苯二胺，簡稱PPTA芳綸根據(jù)纖維大分子鏈節(jié)中酰胺鍵與亞胺鍵的位置，有不同

2、的名稱，例如Kevlar29、Kevlar 49等。2. 芳綸纖維的制備7Kevlar纖維的制造過程分為兩個階段：第一階段，對苯二胺與對苯二甲酰氯縮聚成PPTA;第二階段，將聚合體溶解在溶劑中再進(jìn)行紡絲，制成所需要的纖維材料。2. 芳綸纖維的制備8簡單流程圖第一階段9第二階段101）聚合物的準(zhǔn)備： 簡稱PPTA (固態(tài))2. 芳綸纖維的制備（1）原料對苯二甲酰氯對苯二胺溶劑（2）縮聚反應(yīng)11（3）操作方式和特點方式名稱操作過程方法特點間隙縮聚N2氣保護(hù)下聚合物單體溶液在反應(yīng)器中縮聚，除去產(chǎn)物中的鹽酸和溶劑設(shè)備利用率低限制大規(guī)模生產(chǎn)連續(xù)縮聚聚合物成本低氣相縮聚將對苯二胺和對苯二甲酰氯及氮氣在反應(yīng)

3、器中進(jìn)行氣相縮聚不需要溶劑產(chǎn)物純度高纖維性能高12（1）工藝流程 聚合物PPTA2）紡絲工藝濃硫酸溶解紡絲溶液干濕法紡絲水洗干燥Kevlar-29熱處理（550） N2Kevlar-4913總結(jié)PPTA溶解于濃硫酸中在一定溫度和濃度下形成的是向列型液晶溶液，具有高濃度，低粘度性質(zhì)，有利于紡絲PPTA濃硫酸溶液粘度-濃度示意圖（2 ）紡絲溶液 PPTA在硫酸中處于各向異性的液晶態(tài)（呈一定取向態(tài)，易沿外界作用力方向取向，具有高濃度低粘度的特點，利于紡絲）14（3) 高聚物溶液的特性：高聚物溶液不溶于一般的溶劑，僅溶于強(qiáng)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點。體積分?jǐn)?shù)20%

4、，高取向的液晶，各向異性聚合物體積分?jǐn)?shù)18-22%，溫度90處于可紡性良好的低粘度區(qū)。2. 芳綸纖維的制備在濃H2SO4中的結(jié)構(gòu)排列15 （4）干噴濕紡工藝16 （4）干噴濕紡工藝Kelvlar纖維干噴濕紡示意圖(1)臥式17Kelvlar纖維干噴濕紡示意圖(2)立式18 3) 紡絲：采用干噴濕法紡絲工藝19工藝過程： 各向異性的PPTA溶液通過噴絲孔抽伸時，靠近細(xì)孔壁時產(chǎn)生剪切，當(dāng)成絲凝結(jié)時，將保持高取向分子結(jié)構(gòu)，形成較高的潔凈度和較高的取向結(jié)構(gòu)。3. 芳綸纖維的制備20凝固浴的溫度為0 5中間空氣層間隙可使高溫紡絲噴頭和低溫凝固浴保持溫差，同時在空氣層中進(jìn)行適宜的噴頭拉伸，增加取向度紡絲速

5、度可達(dá)2000m/min3. 芳綸纖維的制備211）操作 惰性氣體,張力 Kevlar-29 Kevlar-49（結(jié)晶率94） 150550分段熱處理 （結(jié)晶率96）2）目的 使分子鏈進(jìn)一步取向，提高結(jié)晶率，增加強(qiáng)度和模量（斷裂應(yīng)變降低）4）熱處理225）Kevlar纖維制備工藝總括23間位芳香族聚酰胺纖維（聚間苯二甲酰間苯二胺）英文縮寫為PMTA特點: 具有耐熱性和阻燃性的特點，在371熔融，并且伴有分解，可溶于5% LiCl的二甲基乙酰胺中。美國的商品名為Nomex，我國稱為芳綸1313。 強(qiáng)度、模量較低，不能用作結(jié)構(gòu)復(fù)合材料 （耐高溫絕緣材料，耐高溫的蜂窩結(jié)構(gòu)）3. 芳綸纖維的種類24

6、杜邦Nomex絕緣紙25聚對苯甲酰胺（聚對胺基苯甲酰）纖維 Poly（P-benzamide），簡稱PBA纖維。(2) 對位芳香族聚酰胺纖維26Poly（P-Phenlene terephthalamide）簡稱PPTA纖維Kevlar(3)聚對苯二甲酰對苯二胺纖維27PPTA化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點是： 由苯環(huán)和酰胺基按一定規(guī)律有序排列構(gòu)成。酰胺基的位置接在苯環(huán)的對位上。4. 芳綸纖維的分子結(jié)構(gòu)氫鍵28結(jié)構(gòu): 長鏈狀聚酰胺，至少85%的酰胺直接鍵合在芳香環(huán)上優(yōu)點：(1) 剛性伸直鏈芳環(huán) 高強(qiáng)度、高模量(2) 線型分子鏈分子鏈堆積 緊密，密度高，故強(qiáng)度高 (3) 大量的分子間氫鍵耐化 學(xué)藥品，且剛性伸直

7、鏈苯 環(huán)結(jié)晶度高缺點：橫向強(qiáng)度低，壓縮強(qiáng)度和剪切性能不好、易劈裂?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)堆積緊密294. 芳綸纖維的分子結(jié)構(gòu)高聚物鏈呈伸展?fàn)顟B(tài)，形成棒狀結(jié)構(gòu)及高結(jié)晶度纖維具有高模量高聚物鏈的線性結(jié)構(gòu)使分子間排列緊密纖維具有化學(xué)穩(wěn)定性 高溫尺寸的穩(wěn)定性苯環(huán)結(jié)構(gòu)，高結(jié)晶度纖維具有高強(qiáng)度分子鏈在纖維軸向高度定向，強(qiáng)共價鍵 纖維橫向分子間氫鍵纖維力學(xué)性能各向異性 總之，Kevlar纖維具有強(qiáng)度高、彈性模量高、韌性好和比重小等的優(yōu)點，常于碳纖維混雜，提高復(fù)合材料的沖擊韌性。 305. 芳綸纖維性能1）力學(xué)性能： 拉伸強(qiáng)度： Kevlar纖維的拉伸強(qiáng)度約為E-glass fiber的倍。與CF的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)或稍高。 拉

8、伸模量： Kevlar纖維的拉伸模量僅次于BF、CF。 延伸率： Kevlar纖維有較高斷裂延伸率，不像CF、BF那樣脆。 密度： Kevlar纖維比1.8)、左右)、BF(3.9)都要低，而KF僅左右。31幾種增強(qiáng)纖維的比強(qiáng)度和比模量32芳綸與各種纖維性能比較 (P54)纖維名稱密度(g/cm3)拉伸強(qiáng)度(103MPa)初始拉伸模量(GPa)延伸率(%)Nomex1.380.6617.422Kevlar1.431.443.2264.81.431.44Kevlar-291.442.8263.23.6Kevlar-491.443.82126.62.4芳綸1.442.63.391223.2芳綸1.

9、4652.83.415161.82.2尼龍61.140.660.970.280.511625尼龍661.140.610.970.220.601628滌綸1.380.781.121.121.99717丙綸0.900.240.660.150.332080碳纖維M401.812.1400.5碳纖維T5001.743.2251.3碳纖維T3001.752.8231.2E玻璃纖維2.541.03.072.54高強(qiáng)2#玻璃纖維2.543.03.48.38.5硼纖維3.93.538400.50.8氧化鋁纖維1.41.8380.4332） 物理性能(1)有光澤，黃色，Kevlar49為深黃色(2) 線密度：大

10、部分，直徑(3) 密度：大部分3 錦綸，聚酯，碳纖維 玻璃纖維，鋼絲34具有良好的散熱和絕熱性能在相同重量下，Kevlar纖維比玻璃纖維和石棉織物具有較好的熱絕緣性具有極好的熱穩(wěn)定性，500以上降解抗燃性能好，不產(chǎn)生后燃燒，不幫助燃燒，427 炭化尺寸穩(wěn)定性好，具有非常低的熱收縮3）熱性能35GF：軟化點： 550580 ； 200250 以下，GF強(qiáng)度不變。熱膨脹系數(shù)：4810-6 -1 CF： 高于1500，強(qiáng)度才開始下降。熱膨脹系數(shù)：平行于纖維方向：負(fù)值 -0.9010-6-1 垂直于纖維方向：正值 322210-6-1BF：高于500，強(qiáng)度下降非常明顯。KF：在空氣中高溫下長期使用溫度

11、為160； 短時間內(nèi)暴露在300以上，強(qiáng)度幾乎無損失。3）熱性能36性能數(shù)據(jù)在空氣中高溫下長期使用溫度()160分解溫度()500拉伸強(qiáng)度(MPa)在室溫下16個月無強(qiáng)度損失在50空氣中2個月無強(qiáng)度損失在100 空氣中3170在200 空氣中2720拉伸模量(GPa)在室溫下16個月無強(qiáng)度損失在50空氣中2個月無強(qiáng)度損失芳綸細(xì)紗和粗紗的熱性能37芳綸在各種化學(xué)藥品中的穩(wěn)定性化學(xué)試劑濃度(%)溫度()時間(h)強(qiáng)度損失(%)Kevlar-29Kevlar-49醋酸99.721240鹽酸37211007263鹽酸372110008881氫氟酸1021100106硝酸10211007977硫酸102

12、1100912硫酸102110005931氫氧化鈉282110009738化學(xué)試劑濃度(%)溫度()時間(h)強(qiáng)度損失(%)Kevlar-29Kevlar-49丙酮10021100031乙醇10021100010三氯乙烯10021241.5甲乙酮10021240變壓油100605004.60煤油100605009.90自來水10010010002海水100一年1.51.5過熱水100138409.3飽和蒸汽1001504828氟利昂221006050003.6396. 凱夫拉纖維的發(fā)展406. 凱夫拉纖維的發(fā)展稱Kevlar或芳綸，即芳香族聚酰胺纖維1）1960年，杜邦Nomex 聚間苯二甲酰

13、間苯二胺纖維(芳綸1313) 耐熱纖維2）1965年，杜邦 Kevlar 聚對苯二甲酰對苯二胺纖維(即芳綸1414) 高強(qiáng)高模量纖維3）1974年，美國聯(lián)邦通商委員會將全芳香族聚酰胺命名為Aramid。41聚對苯二甲酰對苯二胺的商業(yè)名稱： 美國Kevlar、日本帝人Technora、荷蘭阿克蘇Twaron、中國芳綸1414聚間苯二甲酰間苯二胺的商業(yè)名稱： 美國Nomex、日本帝人Conex、荷蘭阿克蘇Twaron 中國芳綸13136. 凱夫拉纖維的發(fā)展42ARAMID纖維包括兩種主要牌號：芳綸-29芳綸-49主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物，以及防彈背心等。用于航空、宇航、造船工業(yè)的復(fù)

14、合材料制件。6. 凱夫拉纖維的發(fā)展43凱夫拉（Kevlar）纖維國內(nèi)發(fā)展起步階段：技術(shù)水平、產(chǎn)品檔次及生產(chǎn)能力都與國外發(fā)達(dá)國家存在著一定的差距。產(chǎn)品種類：輪胎簾子線光纜補(bǔ)強(qiáng)件艱難的原因生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸難以突破大部分原料需要進(jìn)口6. 凱夫拉纖維的發(fā)展44玻璃纖維在許多塑料增強(qiáng)用途中逐漸被KEVLAR 49所取代。芳綸纖維的密度比玻璃纖維低43。此外，以相同重量計，KEVLAR 49是E-玻璃強(qiáng)度的兩倍半，韌度是三倍。還有，用芳綸的復(fù)合材料比玻璃纖維復(fù)合材料更為耐久，其抗損壞、疲勞、振動及防開裂傳播的性能較優(yōu)。這就是KEVLAR 49復(fù)合材料能用于飛機(jī)和導(dǎo)彈以及船艇和運動器材方面的原因。 7. 芳綸

15、及復(fù)合材料應(yīng)用457. 應(yīng)用46防彈頭盔（采用我國自行研制的芳綸纖維制造的）477. Kevlar纖維或產(chǎn)品48 法國新型第四代 “陣風(fēng)”(Rafale)戰(zhàn)斗機(jī)： 機(jī)身結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料，后機(jī)身為碳纖維復(fù)合材料，機(jī)頭整流罩和噴管整流罩為凱夫拉纖維復(fù)合材料。起落架及發(fā)動機(jī)艙門為碳纖維復(fù)合材料。49Kevlar纖維浸漬環(huán)氧樹脂纏繞美國核潛艇“三叉戟”c4潛地導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動機(jī)殼體。(1)航空航天領(lǐng)域 法國、德國多功能武裝直升機(jī)1）先進(jìn)復(fù)合材料 7. 芳綸及復(fù)合材料應(yīng)用50(1)硬質(zhì)防彈裝甲板 芳綸復(fù)合材料板、芳綸與金屬復(fù)合裝甲板以及芳綸與陶瓷復(fù)合裝甲板已廣泛用于防彈裝甲車、防彈運炒車、直升飛機(jī)防彈

16、板、戰(zhàn)艦裝甲防護(hù)板。可用作防彈頭盔。(2)軟質(zhì)防彈背心 第一代防彈芳綸是Kevlar-29，第二代防彈芳綸是Kevlar-129；最新的軟質(zhì)防彈背心材料是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材組合而成的軟質(zhì)防彈材料，比超高分子量聚乙烯纖維的防彈性能和耐熱性更好。2防彈制品 51 芳綸可用作航空航天的降落傘繩、艦船及碼頭用纜繩、海上油田用支撐繩、深海系留繩等。也可用作光纖通訊電纜的加強(qiáng)件和復(fù)合材料芯桿。 3纜繩方面的應(yīng)用 524應(yīng)用于特種防護(hù)服裝芳綸高圈布高溫防割手套賽車服537. 應(yīng)用在工業(yè)上可制作輪胎簾子線、高強(qiáng)度索具、耐壓容器等。在軍事方面如制作防彈衣、頭盔、裝甲板等。芳綸

17、纖維可用做飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼；內(nèi)裝修材料和火箭發(fā)動機(jī)外殼。用以制作體育器材，從根本上改變了器材的性能，如高爾夫球桿、冰球桿、網(wǎng)球拍、滑雪板、賽艇、賽車等 。54輪胎運力帶膠管復(fù)合材料增強(qiáng)材料石棉替代品摩擦材料：剎車墊片、離合器襯墊密封材料：密封墊片、氣缸墊工業(yè)用紙：耐熱絕緣紙、工業(yè)特種用紙55建筑材料：地基屋頂材料補(bǔ)強(qiáng)材料：鋼筋替代材料（5) 水泥補(bǔ)強(qiáng) 芳綸纖維在各行業(yè)的應(yīng)用56 聚乙烯纖維（Polyethylene, PE）分子量100萬以上，-(CH2-CH2)n-密度：3熱變形溫度 85，熔點130136。耐磨損、耐低溫、耐腐蝕、自潤滑、抗粘附、抗沖擊性能等均列塑料之首，被稱為“神奇的塑料

18、” 。 超高分子量聚乙烯57常規(guī)的聚乙烯纖維，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的大分子多為折疊式結(jié)構(gòu)。假設(shè)：在紡絲加工過程中，如果能使折疊的大分子伸直，并結(jié)晶化、取向化，就有可能使聚乙烯纖維的強(qiáng)度和模量提高。 聚乙烯纖維（Polyethylene, PE）折疊581）20世紀(jì)30年代提出超強(qiáng)聚乙烯基礎(chǔ)理論。2）20世紀(jì)70年代初，英國Leeds大學(xué)教授采用熔融紡絲法得到了中強(qiáng)聚乙烯纖維，轉(zhuǎn)讓給美國Celanese公司及意大利的Snia公司，這兩個公司分別推出Certran（梭穿）和Tenfor（推福）商品名的超高分子量的聚乙烯纖維3）1979年荷蘭DSM公司發(fā)明了凝膠紡絲法并申請專利；同期日本三井石油化學(xué)公司開發(fā)了增

19、塑紡絲法。開始了高強(qiáng)聚乙烯纖維的生產(chǎn)。4）1990年開始商業(yè)化生產(chǎn)。5）1998年寧波大成化纖集團(tuán)公司、中國石化總公司與中國紡織大學(xué)材料學(xué)院聯(lián)合研制成超高強(qiáng)高模聚乙烯纖維。6.1 聚乙烯纖維（Polyethylene, PE）596.1 聚乙烯纖維（Polyethylene, PE）聚乙烯纖維作為目前國際上最新的一種有機(jī)纖維，它具有以下四個特點：超輕、高比強(qiáng)度、高比模量、成本較低。60超高強(qiáng)PE纖維加工方法為了制備高強(qiáng)度的聚乙烯纖維，最重要的是減少分子末端、分子之間、分子本身的纏結(jié)和折疊，使大分子處于伸直的單相結(jié)晶狀態(tài)。為了增加纖維的強(qiáng)度，應(yīng)采用較高分子量的聚乙烯，而分子量的增加，大分子的纏結(jié)

20、和糾纏程度也會增大，因此在紡絲過程中熔體粘度很高，采用常規(guī)熔融紡絲技術(shù)很難紡絲成形。利用超拉伸技術(shù)可以使折疊的聚乙烯大分子伸直，并具有結(jié)晶化結(jié)構(gòu)，使纖維性能得到根本的改善。61超高強(qiáng)PE纖維加工方法 是比較常用的高強(qiáng)聚乙烯纖維的制備方法。以高達(dá)100萬以上的PE為原料，溶于溶劑中，采用凝膠紡絲法得到纖維，再進(jìn)行超長拉伸。超拉伸過程使纖維的取向度和結(jié)晶度大大增加，從而改善了纖維的力學(xué)性能。凍膠紡絲超拉伸法：62工藝流程123 561-溶解斧 2-計量泵 3-噴絲頭 4-冷卻-萃取浴 5-拉伸機(jī)構(gòu) 6-筒子463 UHMPE半稀溶液噴絲孔噴絲后冷卻 凍膠原絲萃取、干燥30倍以上的熱拉伸紡絲過程：（

21、凍膠紡絲-超拉伸法）（1） 把超高分子量的聚合體溶解成半稀溶液，使它經(jīng)過紡絲及凝固浴的冷凝，形成含有大量溶劑的凝膠絲條。（2） 凝膠絲條經(jīng)過超倍熱拉伸，同時去除溶劑。拉伸之后，殘留在纖維中的溶劑可以用萃取的方法去除，也可以在超倍拉伸之前萃取。64工藝流程凝膠絲條的兩種結(jié)構(gòu)： 骨架是30-40%濃溶液； 微孔中充滿PE濃度為0.4-0.5%的稀溶液拉伸倍數(shù)：最低20倍 拉伸倍數(shù)為15時，其強(qiáng)度0.8GPa; 拉伸倍數(shù)從15增加到70，纖維強(qiáng)度增加5倍65 高強(qiáng)度原因：在凍膠原絲中，幾乎所有的溶劑被包含其中，因此UHMW-PE大分子鏈的解纏狀態(tài)被很好地保持下來；而且溶液溫度的下降，導(dǎo)致凍膠體中超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）折疊鏈片晶的形成。通過超倍熱拉伸凍膠原絲可使大分子鏈充分取向和高度結(jié)晶，進(jìn)而使呈折疊鏈的大分子轉(zhuǎn)變?yōu)樯熘辨?，從而制得高?qiáng)度、高模量纖維。 66纖維的大分子取向圖超高PE普通聚乙烯取向度： 95%； 較低;結(jié)晶度: 85%; 60%;67高強(qiáng)聚乙烯纖維特性優(yōu)點： (1)密度較小，一般為cm3，比強(qiáng)度、比模量都較高。 (2)斷裂伸長