凯夫拉纤维资料课件.ppt
1,7.芳纶纤维（凯夫拉）,2,对苯二胺,对苯二甲酰氯,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（Aramid fibers）,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,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PMTA,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。,(2)对位芳香族聚酰胺纤维,8,Poly（P-Phenlene terephthalamide）简称PPTA纤维,Kevlar,(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、Kevlar 49等。,3.芳纶纤维的制备,10,Kevlar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,13,1）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,15,（1）工艺流程 聚合物PPTA,2）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）N2,Kevlar-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,19,Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(2)立式,20,3)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/min,3.芳纶纤维的制备,4）热处理1）操作 惰性气体,张力 Kevlar-29 Kevlar-49（结晶率94）150550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）,24,5）Kevlar纤维制备工艺总括,25,6）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,26,PPTA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,28,4.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。,29,5.芳纶纤维性能,1）力学性能：拉伸强度：Kevlar纤维的拉伸强度约为E-glass fiber的1.5倍。与CF的拉伸强度相当或稍高。拉伸模量：Kevlar纤维的拉伸模量仅次于BF、CF。延伸率：Kevlar纤维有较高断裂延伸率，不像CF、BF那样脆。密度：Kevlar纤维比CF(1.71.8)、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,32,2）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7.8,33,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：550580；200250 以下，GF强度不变。热膨胀系数：4810-6-1 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-0.72-0.9010-6-1 垂直于纤维方向：正值 322210-6-1BF：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,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,37,38,6.凯夫拉纤维的发展,39,6.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1313,6.凯夫拉纤维的发展,41,ARAMID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KEVLAR 49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，KEVLAR 49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KEVLAR 49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,44,7.应用,45,防弹头盔（采用我国自行研制的芳纶纤维制造的）,46,6.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。,48,Kevlar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,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Twaron CT-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。,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。,51,芳纶高圈布高温防割手套,赛车服,52,7.应用,在工业上可制作轮胎帘子线、高强度索具、耐压容器等。在军事方面如制作防弹衣、头盔、装甲板等。芳纶纤维可用做飞机的机身、机翼；内装修材料和火箭发动机外壳。用以制作体育器材，从根本上改变了器材的性能，如高尔夫球杆、冰球杆、网球拍、滑雪板、赛艇、赛车等。,53,缆绳类：升降机吊索、快艇绳索编织线绳类：耐热缝线、发热线编织带类：耐热带、安全带、运输带织物：篷布、耐热帆布、降落伞用布,（1)产业用纺织品,54,防弹衣：防弹背心、防弹头盔切割防护：安全手套、运动衣等防腐蚀：工作防护服,（2）防护服,55,轮胎运力带胶管复合材料,（3）增强材料,4)石棉替代品摩擦材料：刹车垫片、离合器衬垫密封材料：密封垫片、气缸垫工业用纸：耐热绝缘纸、工业特种用纸,56,建筑材料：地基屋顶材料补强材料：钢筋替代材料,（5)水泥补强,57,7.应用,芳纶纤维在各行业的应用,58,8 表面处理,1）物理改性 包括等离子体改性；射线辐射；超声浸渍改性技术等。等离子体改性：等离子体的种类：氩气（Ar）、N2等惰性气体，O2、NH3等。等离子体处理后：纤维表面刻蚀，粗糙度增加。e.g:氨气(NH3)气氛中等离子体处理5min后，复合材料的层间剪切强度和韧性分别提高60和50。,59,2）化学处理,a.硝化处理 采用硝化剂 对Kevlar纤维进行改性。主要以HNO3为主 如：HNO3/H2SO4 NH4NO3/TFA(三氟乙酸)NH4NO3/TCA(三氯乙酸)而且还需要适当的溶剂，如：乙酸酐/乙酸；三氟乙酸酐/三氯甲烷；乙酸酐/三氯甲烷等,60,硝化处理的反应条件的确定：根据硝化剂及硝化处理综合效果来确定。如：发烟HNO3/H2SO4/乙酸酐/乙酸，是最为可取的硝化剂。体积比为40/2/370/100 反应条件：1020，28hr,61,硝化及还原后Kevlar纤维表面的变化：在纤维表面上引入了-NH2(-NH2含量：每100A2有0.41.0个)；纤维表面形态也有改善。合适的反应条件下硝化与还原后，表面基本光滑，轻微粗糙，纤维强力损失不大。,硝化改性后，Kevlar纤维与基体界面粘合强度提高不明显。,必须进行还原反应。采用的还原剂为硼氢化钠(NaBH4)，均相催化剂，于缓冲溶液中还原。,62,b.氯磺化 氯磺化处理主要采用氯磺酸(ClSO3H)纤维进行处理，溶剂有：CH2Cl2、CCl4、CHCl3、ClCH2CH2Cl、CH3NO2等。氯磺化的结果：在芳纶纤维表面引入-SO2Cl基（活泼，易转变成其他官能团）氯磺化的缺点：反应不易控制；纤维强力损失较大。（因为在有些条件下氯磺酸能渗透入纤维，使纤维的微结构遭到破坏。),63,c.Kevlar纤维的N烷基化,Kevlar纤维,酰胺基变成金属盐,N烷基化的Kevlar纤维,芳烃或脂肪烃的碱金属或碱土金属盐,亲电试剂，如卤化物等,64,e.g:,钠盐,
