芳纶纤维
◇孔洞; ◇表皮轴向裂纹(长
20~24nm、宽 6~11nm)。
碳纤维(a)、芳纶纤维(b)和玻 璃纤维(c)的断口比较
(a)
(b)
(c)
(3)芳纶的性能
物理性能 ⊙密度小,为1.44g/cm3 ⊙比强度高(高于碳纤维和硼纤维) ⊙比模量虽然较高,但低于碳纤维和硼纤维; ⊙韧性好、抗冲击性好、加工性好; ⊙压缩强度不高(为拉伸强度的1/5); ⊙剪切强度不高(为拉伸强度的1/17); ⊙ Kevlar-149的弹性模量高于Kevlar-49; ⊙ Kevlar-149的高温强度保留率最高。
★后来则以超高分子量(>106)聚乙烯(UHMW-PE)的溶 液纺丝法得到模量高达200GPa的有机纤维。
★1971年,美国杜邦公司公布了以“Kevlar”为商品名的芳 纶的生产和性能。
2.3.1.1 概述
★芳纶(aramid fiber)是由芳香族聚酰胺树脂 (aromatic polyamide risen)纺成的纤维。
液晶再纺丝)。 ◆虽然芳纶Ⅰ比芳纶Ⅱ的拉伸强度低约20%,但拉
伸模量却高出50%以上,相当于Kevlar-49的水平。 ◆芳纶Ⅰ的起始分解温度(474℃)比Kevlar-49的
(520℃)低,但分解终点温度相近。 ◆芳纶Ⅰ在高温下的强度保持率和热老化性能优于
Kevlar-49。
表2-12 芳纶Ⅰ与芳纶Ⅱ及其他纤维力学性能的比较
②纺丝
★纺丝液的配制 ▽浓硫酸(浓度为100%)+聚对苯二甲酰对苯
二胺(PPTA)配成液晶溶液(称为明胶) ▽溶液浓度(配比):PPTA/浓硫酸=20/100 ▽PPTA在浓硫酸中形成向列型液晶态,聚合
物呈一维取向有序排列。
三种纺丝方法:
a.湿纺(wet spinning):将明胶经针孔挤出,进入冷 凝液体中快速冷却,最后在惰性气体中热处理。
芳纶作为增强材料
应用于战略导弹: 20世纪70年代初期,用缠绕法制造了Kevlar-49增强环
氧树脂复合材料如下结构件: ◇ 美国核潜艇“三叉戟”C4潜地导弹的固体火箭发动机壳体; ◇美国战略型号MX陆基机动洲际导弹的三级发动机和新型潜地
“三叉戟Ⅱ”D5导弹的第三级发动机; ◇前苏联SS-24、SS-25铁路和公路机动洲际导弹各级固体发动
★国外称为芳酰胺纤维,我国定名为芳纶。
凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键 构成,且其中至少有85%的酰胺基直接键合在 芳香环上,每个重复单元的酰胺基中的氮原子 和羰基直接与芳香环中的碳原子相连接并置换 其中一个氢原子的聚合物,称为芳香族聚酰胺 树脂。
◇实用于高性能复合材料的芳酰
胺纤维的主要品种
美国杜邦公司生产: ◆聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维 ◆聚对苯甲酰胺(PBA)纤维 日本帝人公司生产: ◆对位芳酰胺共聚纤维(Technora) 俄罗斯生产: ◆聚对芳酰胺苯并咪唑纤维(CBM) ◆APMOC纤维
杜邦公司PPTA纤维的主要牌号
在复合材料中应用最普遍的是PPTA纤维,Du pont 公司PPTA纤维的主要牌号有: ◆第一代(RI型):Kevlar-29、Kevlar-49 ◆第二代(Hx系列):Ha(高粘接型)、Ht(Kevlar-129、 高强型)、He(Kevlar-100、原液着色型)、Hp (Kevlar-68、高性能中模型)、Hm(Kevlar-149、高 模型)、He(Kevlar-119、高伸长型)。
◇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Gold Flex,这是一种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组合而成 的,比超高分子量聚乙烯纤维的防弹性能和耐 热性更佳。
b.干喷(dry jet):将明胶由喷丝嘴喷出,经过一段空 气层快速拉伸使分子取向,最后进行热处理。
c.干喷—湿纺(the dry jet-wet spinning process)是常 用的纺丝方法。
干喷—湿纺(the dry jet-wet spinning process)是常用的纺丝方法。
芳纶的化学性能
⊙热稳定、耐火、不溶、自熄性材料。真空中长期使 用温度为160℃,-60℃也不脆; ⊙ Tg =(250~400)℃; ⊙热膨胀系数低(300℃以下,纵向为负值); ⊙具有良好的耐化学介质性(但不耐强酸、强碱); ⊙耐疲劳、耐磨、电气绝缘、透电磁波。 ⊙对紫外线敏感。
芳纶的不足
⊙耐光性差,暴露于可见光和紫外线时会产生光致 降解(即力学性能下降和褪色)。用高吸收率材 料对Kevlar纤维增强聚合物基复合材料作表面涂 层,可以减缓其光致降解;
研究; ◇合成新型的芳纶; ◇研制PPTA纤维与其他纤维混杂增强的
◇用芳纶/环氧或碳/环氧外全缠热塑性塑料内料制 作全复合材料的天然气气瓶。它能清洁能源,安 全可靠,比钢瓶减重一半以上。
◇国外研制将它用于电动汽车和电、气混用汽车的 贮能飞轮。
芳纶应用于防弹制品
◇硬质防弹装甲板 芳纶复合材料板、芳纶与金 属复合装甲板、芳纶与陶瓷复合装甲板广泛用 于防弹装甲车、防弹运钞车、直升飞机防弹板、 战舰装甲防护板和防弹头盔。
◇用于直升飞机上的机身外蒙皮、旋翼、螺旋浆和雷达天 线罩等。
◇ ARALL超混复合层板 以芳纶环氧无纬布与薄铝板交叠 铺层、再热压制成的聚合物-金属复合材料,称为超混杂 复合材料。是具有许多超混杂优异性能(比强度高、比 模量高、疲劳寿命是铝的100~1000倍,阻尼和耐噪声性 能较铝好,加工性能较芳纶/环氧好)的新型结构材料。
1)PPTA纤维的制备过程
合成PPTA的原料包括: △对苯二甲酰氯(Terephthaloyl chloride)
△对苯二胺(p-phenglene diamine)
△强极性的酰胺类溶剂(二甲基乙酰胺或六甲基磷 酸胺),选用强极性的酰胺类溶剂,是为了将开 始生成的聚合物留在溶液中。
PPTA的合成
空
旋转鼓轮
气
隙
喷
凝胶液体
丝
嘴
生产PPTA纤维的干喷-湿纺工艺示意图
干喷—湿纺的特点:
♀用干喷—湿纺方法纺丝时,在剪切力作 用下,PPTA极易沿作用力方向取向。
♀采取干喷—湿纺液晶纺丝工艺,可抑制 卷曲或折叠链产生,使分子链沿轴向进 一步高度取向,形成几乎为100%的次晶 结构。
(2)PPTA的结构
2.3 有机纤维
2.3.1 芳纶 2.3.2 超高分子量聚乙烯纤维
有机纤维概述
★从C-C键具有高强度获得启示,如果聚合物大的线型分子 链的主链沿纤维轴向排列,推想也会呈现高强度和高模量。
★在20世纪70年代中期,开展了相关研究,并报道了所研制
的有机纤维增强体(特别是聚乙烯和芳纶)的生产和性能。
★以高拉丝速率、熔融纺丝法制得结晶态的聚乙烯,其相对 分子质量为104~105,模量为70GPa。
☆干喷—湿纺的工艺过程:
▽首先,二元胺和含卤二元酸的溶液在低温下(~0℃)缩聚 产生聚酰胺(polyamides);
▽粉碎、冲洗和干燥,并与强酸(浓硫酸)混合。 ▽在100℃下,明胶通过纺丝孔挤出; ▽通过1cm的空气间隙(造成丝在一定范围内的旋转和排
列),进入冷水(0~4℃)中,得到高结晶度(分子链充 分伸展和定向)的初生纤维,在水中漂洗后干燥。在胶凝 浴中去除酸。
⊙溶解性差; ⊙抗压强度低; ⊙吸湿性强,吸湿后纤维性能变化大,因此应密封
保存,在制备复合材料前应增加烘干工序。
3.3.1.3 聚对苯甲酰胺(PBA)纤维
原料:对氨基甲苯甲酰氯盐或亚硫酸胺苯甲酰氯 PBA纤维工艺过程: ▼在有机极性溶剂中,经低温缩聚得到PBA树脂。 ▼溶液纺丝(或制成粉末,再在溶剂中配成向列型
◇芳纶沿分子链方向(平行于纤维轴向)为强共价键; 垂直于纤维轴向的分子间以氢键相连,因而纤维显
现各向异性(在轴向,和E高;在横向,和E均较
低)。
◇苯环呈大共轭键(键),它难于旋转,所以,大 分子链具有线性刚性伸直链(棒状)构型,从而赋 予Kevlar纤维高强度、高模量和耐热性。
芳纶的缺陷
◇沿纵向排列的杂质 Na2SO4;
机; ◇法国的M4导弹的402K的壳体。
应用于战术导弹: ◇采用芳纶/环氧复合材料制作“潘兴”的航天顶级发动机、卫
星变轨固体发动机的壳体。 应用于耐热隔热功能材料: ◇芳纶短切纤维或浆粕增强的三元乙丙(EPDM)橡胶基复合材料
的软片或带材用于最新的各种发动机的内绝热层。
◇用于先进发电机的发动机舱、中央发动机整流罩、机翼 与机身整流罩挂架整流罩、机翼前缘、襟翼、方向舵和 升降舵后缘、安定面翼尖、货舱衬壁、天花板、应急出 口门和窗、发动机调节系统管道等。
芳纶应用于传送带
◇芳纶纤维增强橡胶基复合材料的运输传送带已大 量应用于煤矿、采石厂、港口。
◇利用芳纶耐热性好的特点,还可用于热玻璃器皿 坯料(如玻璃显像管)的生产线传输和食品烘干 线的传送带。
芳纶在缆绳方面的应用
◇航空航天的降落伞绳 ◇光纤通讯电缆的加强件和复合材料芯杆
芳纶应用于特种防护服装
◇对位芳纶和间位芳纶或芳砜纶混纺织物可用于防火和消防 工作服;
◇芳纶布用于森林伐木工作服、赛车服、运动服和手套、袜 子等。
芳纶在体育运动器材方面的应用
◇弓箭、弓弦、羽毛球拍; ◇与其他纤维混杂的复合材料制作高尔夫球棍、滑雪板、
雪橇、自行车架和轮毂等。
芳纶在电子设备方面的应用
◇集成电路和低膨胀系数的印刷电路板 ◇扬声器的嗽叭盒
(2)芳纶的展望
改善芳纶性能的途径: ◇对PPTA引入第三组分进行共聚、共混
纤维名称 密度 拉伸强度 初始模量 延伸率
(g/cm3) (cN/dt)
(cN/dt) ( %)
芳纶Ⅰ 原丝
1.42