O
C Cl + NH2
NH2
商品名有美国杜邦的Nomex，我国的芳纶1313等。
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高温性能好，高温下的强度保 持率好，以及尺寸稳定性、抗氧化 性和耐水性好，不易燃烧，具有自 熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐 化学试剂，绝热性能也较好。
强度和模量低，耐光性较差。
用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高温绝缘材料， 耐高温的蜂窝结构。
除强酸与强碱以外，芳纶几乎不受有机溶剂、油类的影响。
芳纶对紫外线是比较敏感的。若长期裸露在阳光下，其强度 损失很大，因此应加能阻挡紫外光的保护层。
在饱和湿度下，Kevlar-49能从大气中吸收6%的水分，饱和吸 湿率大。吸湿后，由于水分子侵入纤维，会破坏氢键，使纤维强 度降低，复合材料压缩性能，弯曲性能降低。
Kevlar-49纤维具有良好的热稳定性和良好的耐低温性。本身有 耐火性，不燃烧。在高温下不熔融，升温到427℃，纤维未熔融，即 发生碳化(Tm 570℃，T碳化427℃)。直至分解，不发生变形(Td 500℃)。在-196℃低温下也不会变脆，仍能保持其性能。
Kevlar-49纤维的Tg 327℃，在空气中的长期使用温度一般不大 于160℃。 Kevlar-49纤维1000旦细纱在93℃空气中长期存放，其强 度保持率87％，弹性模量保持率89.7％。短时间内暴露在300℃以上， 对于强度几乎没有影响，因此短期使用温度可达300℃。
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(1) 聚对苯甲酰胺 (聚对胺基苯甲酰) 纤维Poly (P-benzamide) 简称 PBA纤维。
NH
CO
n
O
NH2
C Cl
这类纤维有“B”纤维（美国杜邦公司早期产品）、我国的 芳纶I（芳纶14）和HGA纤维（前苏联）
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(2)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 Poly (P-Phenlene terephthalamide) 简称PPTA纤维
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一、概述
芳纶纤维
凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺链构成，且 其中至少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均直接与芳香环中的碳 原子相连接并置换其中的一个氢原子的聚合物称为芳香 族聚酰胺树脂，由它纺成的纤维总称为芳香族聚酰胺纤 维(简称芳酰胺纤维)，我国定名为芳纶纤维。
Kevlar49纤维热胀系数各向异性。轴向Kevlar-49纤维的纵向热 膨胀系数为负值，在0~100℃温度下为-2×10-6/ ℃ ，在100~200℃ 为-4×10-6/ ℃ ，横向热膨胀系数59×10-6 / ℃ ，这一点在制备 Kevlar-49纤维复合材料时应加以考虑。
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3） 耐化学稳定性
（2）强度高。 Kevlar-49纤维的拉伸强度3620MPa， 与S—GF、 CF-Ⅱ 强度相当。分子链堆积密度大，单 位面积的分子链数目多。
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（3）应力－应变曲线是一条直线，属于脆性断裂。断裂延伸率 2.5%，高于CF低于GF。
（4）密度小。 Kevlar-49的密度1.45g/cm3，低于GF、CF， 导致较高的比强度。
(5)良好的韧性:分子主链上苯环间仍有柔顺的链节，微纤呈周期 性弯曲，分子间氢键连接，使纤维具有一定的韧性。
(6)各向异性。由子轴向是伸直的分子链，以化学键相连；横向分 子链间仅以氢键作横向联结，使纤维具有各向异性特点，其横 向强度及模量远低于纵向强度及模量。
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(7)抗压性能、抗扭性能较低。这是芳纶的致命弱点。 抗压、抗扭性能差是因为分子间次价键连接、分子 链呈弯曲状，受压缩、扭转时易纵向分层。
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与温度的关系：
温度上升时，液晶溶液的粘度下降，但当粘度 降到一个最低值后，温度再上升，则粘度将大幅度 增加，同时溶液由各向异性状态向各向同性状态转 变。纺织时要选择适当的浓度和温度范围。 可纺区的温度范围比较窄
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3）干-湿法纺丝
高浓度、高温度的 PPTA液晶溶液在较高的喷 丝速度下喷丝，喷丝进入温 度低的凝固液浴，在凝固液 浴中，经过一个纺丝管，在 凝固液的作用下形成丝束， 绕到绕丝辊上，再经洗涤， 在张力下热辊上干燥。最后 在惰性气体中于较高的温度 下进行热处理。
将对苯二胺与对苯酰氯蒸汽保持在 325℃，与加热到200℃的氯气混合，反 应器的温度保持在202℃到250℃之间， 反应后进行冷却，然后分离可得到聚合 物，其特性粘度为3.1。
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1）纺丝工艺流程
溶解浓硫酸
干湿法纺丝
聚合物ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱPTA
纺丝溶液
水洗、干燥
热处理
（Kevlar-29）
Kevlar-49
2）纺丝溶液 PPTA的纺丝成形常常采用浓硫酸为溶剂，形成具有液
两种干喷混纺装置示意图 26
4）热处理 对于干燥得到的Kevlar-29纤维，在氮气或惰性
气氛下，施加张力于150～550℃高温下分段热处 理，变成Kevlar－49纤维。
热处理的目的：使分子链进一步取向，提高结 晶率（96％），从而使纤维的σ↗、E ↗ 、εfu ↘。
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NMP：N-甲基吡咯烷酮极性溶剂
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低温溶液缩聚法， 不能用熔融缩聚法
原因：聚对苯二甲酰对苯二胺是刚性链分子，分 子链段的自由旋转受到阻碍，玻璃化温度与熔点 温度较高。
常选用溶剂：六甲基磷酰胺、N-甲基吡咯烷酮及二 甲基乙酰胺等。
为防止对苯二甲酰的水解，反应体系及溶剂中的含 水量要严格控制。
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低温溶液缩聚法可得到特性粘度大于5的聚合体，但生产 效率低。溶剂（HMPA)有毒，因此又发展了气相缩聚方法。
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PPTA溶液具有高浓度低粘度的特点
与浓度的关系：
浓度增加，溶液粘 度增大，达到极大值， 超过此极值，浓度再增 加，粘度降低，且溶液 从各向同性向各向异性 转变(临近浓度)；达到 液晶最大浓度后，浓度 再增加，溶液的粘度重 又上升。
PPTA浓硫酸溶液粘度-浓度示意图
聚对苯撑对苯二甲酰胺(PPTA)溶于100%的硫酸中，显示 液晶特性
②强度高。聚合物的线形结构使分子间排列得十分紧密，分子链 堆积密度大，单位面积的分子链数目多，纤维具有较高的强 度。
③各向异性。沿纤维方向是强的共价键，而在纤维的横向是较弱 的氢键，是纤维力学性能各向异性的主要原因。
④韧性比CF好。主链仍有柔性链节。 ⑤耐热性好。尺寸稳定性好。由于苯环结构的刚性，使高聚物具
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棒状分子虽然也平行排列，但 长短不一，不分层次，只有一维有 序性，在外力作用下发生流动时， 棒状分子易沿流动方向取向，并可 流动取向中互相穿越。
向列型
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对于纺丝来说，应用向列态液晶。 此种液晶分子溶液在流动取向相中相互穿越，且其粘度比 各向同性液体低。 聚合物PPTA在溶液中呈一定取向状态，为一维有序紧密排 列，也就是纤维中所希望得到的分子排列。在外界作用下，分子 很容易沿作用力方向取向，这就是具有液晶性质的大分子有利于 成纤的原因。
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Kevlar-49化学结构的三个特征： ①含有大量的苯环，内旋转困难，为处于拉伸状态
的刚性伸直链晶体； ②苯环与酰胺键交替排列，全处于对位，规律性好，
对称性好，结晶性好； ③ 分子间有氢键，形成梯形化合物
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结构对性能的影响：
①模量高。纤维这种苯环结构分子链刚性大，使它的分子链难于 旋转。高聚物分子不能折叠，又成伸展态，形成棒状结构， 并具有极高结晶度，从而使纤维具有很高的模量。
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2.4.4 Kevlar纤维的结构
1）化学结构
Kevlar纤维分子的结 构
苯环和酰胺基规律排列，具有高度的结晶性； 刚硬的分子链，在纤维的轴向是高度定向的； 分子链上的氢原子，与羰基结合成氢键，成为高聚物分 子间的横向联结。
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这种结构使它具有纤维轴向强度及刚度高而横向强度低的特点。沿纤 维方向是强的共价键，而在纤维的横向是较弱的氢键，这是导致芳纶纤 维力学性能各向异性的主要原因。芳纶纤维拉伸断裂时的特征是纵向开 裂而劈成许多更细的单丝。当纤维横向受压是，受压部位会出现一定数 量的纵向分层。
2.4.1高模量有机纤维
高性能纤维结构的共同点： ①非常高的分子取向（结晶度）； ②有序的侧向排列； ③非常低的轴向缺陷含量。
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已商业化的高性能有机纤维有： 1）刚性分子链有机纤维 （1）芳香族聚酰胺纤维（芳纶）。 （2）聚芳酯纤维。 （3）PBO纤维。 2）柔性分子链有机纤维 （1）聚乙烯纤维。 （2）聚乙醇纤维。
(8)强度分散性大：纤维中及纤维表面仍存在有空隙等 缺陷，它也像其他脆性纤维一样，强度分散性大。 强度值与测试标距有关。
(9)纺织性能好。因韧性大，纺织后纤维的强度保持率 在90％以上。但(扭转)对强度的影响较其他纤维大， 纱的捻度越大，强度损失越大。
(10)抗蠕变性好、抗疲劳性好。
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2） 热性能
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主要品种：
Kevlar-29 Kevlar-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。
Kevlar
主要用于橡胶增强，制造轮 胎、三角皮带、同步带等
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2.2.4 芳纶的分类
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聚间苯二甲酰间苯二胺纤维
CO
CO NH
NH n
O Cl C
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2.4.3Kevlar纤维的制备
Kevlar纤维的制造过程分为两个阶段：
两个阶段 1. 对苯二甲酰对苯二胺的聚合
第一阶段
对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩聚成对苯二 甲酰对苯二胺（PPTA）的聚合体。
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第二阶段 聚合体溶解在溶剂中再进行纺丝，制得
所需要的纤维材料。
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简单流程图
间歇缩聚 连续缩聚 气相缩聚
CO
CON H
N H n
O C l C