ห้องสมุดไป่ตู้液态高聚物分子的构型示意图
(a)为典型普通大分子，为无规则线团; (b)为刚性大分子，在没有良好侧向作用和导向情 况下的状态; (c)为无规的棒状液晶; (d)为向列型液晶
结构与性能的关系
芳纶纤维具有的优异力学、化学、热学、电学等 性能是与其化学和物理结构密切关联的，而这些 结构的形成又与聚合物合成和成纤的工艺过程有
1956年开始间位芳纶（MPIA纤维)的研究，
并于1967年实现工业化生产 1968年由美国杜邦公司研制成功，当时登记 的商品名为ARAMID，1973年定名为Kevlar， Kevlar纤维在我国称为芳纶。
杜 邦 公 司 开 发 的 第 一 代 产 品 有 Kevlar29 ，
Kevlar49，后来又开发出Kevlar149纤维。
PPTA分子的合成及化学结构式
O O
Cl C
C Cl + 2HN
NH2
O
O H
H N
C
C N
n
O O
HO
C
C OH + 2HN
N H2
分子量高、分子量分布又窄的PPTA聚合物 是由等摩尔比的高纯度对苯二甲酰氯（TDC） 或对苯二甲酸和对苯二胺（PPD）单体在强 极性溶剂（如含有LiCl或CaC12 增溶剂的N甲基吡咯烷酮）中，由低温溶液缩聚或直接 缩聚而得。然后溶于浓硫酸中配成临界浓度 以上的向列型溶致液晶纺丝液，干湿法纺丝， 经洗涤、干燥或热处理，可以制得各种规格、 不同性能、呈金黄色的纤维或着色纤维。
耐其它化学药品性 耐溶剂性 耐磨性 耐虫性、霉菌性
聚对苯甲酰胺（PBA） 纤维(Kevlar 29)
PBA分子的化学结构式为：
CO NH
n
我国于80年代初期开始试生产， 定名为芳纶14（芳纶Ⅰ）
聚合物的合成和纺丝
①以对氨基甲苯甲酰氯盐酸盐或亚硫酸酰胺苯 甲酰氯在有机极性溶剂中经低温缩聚而成；
②由对氨基苯甲酸为原料，以N-磷酸盐为催化 剂，在极性有机溶剂中直接缩聚而成。
芳香族聚酰胺纤维
(Aromatic Polyamide Fiber)
芳香族聚酰胺纤维
凡聚合物大分子的主链上至少含有85％的直 接与两个芳环相连接的酰胺基团的聚酰胺，
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的 一个氢原子的聚合物称为芳香族聚酰胺树脂， 由它经溶液纺丝所得到的纤维总称为芳香族 聚酰胺纤维（简称芳酰胺纤维）。
关。决定聚合物纤维性能的因素很多，既与化学
组成、键接方式、分子量等有关，与链的聚集状
态（例如晶区中分子链的构象、结晶度等）有关，
也与更高层次的纤维形态结构有关。
Kevlar纤维的内部是垂直于纤维轴的层状结
构所组成，层状结构则由近似棒状的晶粒所组 成，晶粒长度取决于分子量，Kevlar49的平均 分子量约为40000，存在一些贯穿数层的长晶粒， 它们加强了纤维的轴向强度，层中的晶粒互相
盐酸
氢氟酸 硝酸 硫酸 硫酸 氢氧化铵 氢氧化铵
37
10 10 10 10 28 28
21
21 21 21 21 21 21
1000
100 100 100 1000 1000 100
88
10 79 9 59 74 9
81
6 77 12 31 53 7
丙酮
乙醇 三氯乙烯 甲乙酮
100
100 100 100
酰胺基团中可供电子的羰基（－CO－）结合成氢键，
PPTA的晶体结构为单斜晶系，在每个单胞中含有两 个大分子链。C轴平行于分子链方向，链间由氢键交 联形成bc片晶，层间是严格对齐的，并且结构中bc片 层堆集占优势，只有很少量的非晶区。纤维中分子在 纵向具有近乎平行于纤维轴的取向，而在横向是平行 于氢键片层的辐射状取向。在液晶纺丝时常见少量正 常分子杂乱取向，称为轴向条纹或氢键片层的打摺， 即PPTA的辐射状打摺结构
4
1.44
2.5
1.44 -2/59 1420 10 1.57/0. 49
2
1.44
4.2
1.39
2.3
1.45
回潮率
分解温度,K 空气中长期使用温度,K
5 773 433
3.5-4 773 433
由上表可知，Kevlar纤维具有强度高、弹
性模量高、韧性好的特点。它的密度小，
是所有增强材料中密度较低的纤维之一。 因而，它的比强度极高，超过玻璃纤维、
所得聚合物溶液可直接纺丝，亦可制成粉状 再溶于溶剂，配成向列型液晶纺丝液再纺丝。 最好采用干喷湿纺法，可以提高纤维性能， 最后经热处理可得高强度高模量纤维。
PBA结构的特点
氨基和羰基是对位取向联接的链构象，同 时它们又处于中轴位置，因此高分子链是完 全伸直的，并且氨基倾向于形成反向构象， 有助于保持大分子轴的线型。这些特点都有 利于制成高强度高模量的耐热纤维。
紧密排列。
这种结构使它具有轴向强度及刚度高而横向强 度低的特点。
从化学结构看，PPTA的分子链是由苯环 和酰胺基按一定规律有序排列组成的，酰 胺基的位置接在苯环的对位上，酰胺键与 苯环基团形成大共轭结构内旋位能极高，
使苯环难以内旋转，所以大分子链具有线
型刚性伸直链（棒状）构形，从而使纤维
具有高强度和高模量，
链的刚性程度通常用相关长度 q来表示， PPTA的q值为20nm，而PBA的q值为400nm， 所以PBA的模量比PPTA高。
虽然芳纶29的拉伸强度比芳纶49 低约20％，但拉伸 模量却高出50％以上，接近于Kev1ar-l49。芳纶29的 起始分解温度474℃，比Kev1ar-49的520℃低，但分 解终点相近。芳纶29在高温下的强度保持率优于 Kevlar-49，热老化性能也好。 芳纶29和芳纶49维的力学性能
引入巨型侧基的其它芳族聚酰胺纤维。
杂环芳族聚酰胺纤维是指含有氮、氧、硫等
杂原子的环聚酰胺纤维等。
虽然可合成的高性能芳酰胺有20 多种， 但目前可供应用的品种主要是聚对苯 二甲酰对苯二胺（PPTA）、聚间苯二 甲酰间苯二胺（MPIA）、聚对苯甲酰 胺（PBA）和共聚芳酰胺纤维等。
直径为6mm的 Kevlar纤维可吊 起2吨重量
聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA〕纤维 (polyphenlene terephthalamide)
PPTA纤维是芳纶在复合材料中应用最为 普遍的一个品种，美国杜邦公司于1972 年推出KevIar系列纤维后，荷兰AKZO 公 司 的 Twaron 纤 维 系 列 、 俄 罗 斯 的 Terlon等纤维相继投入市场，中国于80 年代中期试生产此纤维，定名为芳纶 1414 。
1986年AKZO公司的Twaron开始工业化生产
我国1972年开始芳纶的研究工作，1981年及 1985年分别研制出芳纶14 和芳纶1414。
芳香族聚酰胺纤维的种类
芳酰胺纤维有两大类：全芳族聚酰胺纤维和
杂环芳族聚酰胺纤维。全芳族聚酰胺纤维按
美国联邦贸易委员会所定的用词为Aramid。 它主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和 聚对苯甲酰胺纤维、聚间苯二甲酰间苯二胺 和聚对苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维以及
碳纤维和硼纤维；比模量也超过玻璃、钢、
铝等与碳纤维相近。由于韧性好，不象碳 纤维、硼纤维那么脆，因而便于纺织。常 用于和碳纤维混杂，提高纤维复合材料的 耐冲击性。
Kevlar纤维在各种化学药品中的稳定性
化学试剂 醋酸 盐酸 浓度 /% 99.7 37 温度 /℃ 21 21 试验时间 /h 24 100 强度损失 Kevlar29 72 /% Kevlar49 0 63
延伸度，% 弹性模量，N/tex(gf/den) 回潮率，%
这种纤维具有良好的耐热性(见图23-3)。如在260℃下持续使用 1000小时，其剩余强度仍能保持原强度的65～70%，在火焰中 不延燃，具有较好的耐燃性。在热蒸气中经400小时，其强度 保持率达50%；沸水中收缩率为1.5～2%。该纤维能耐大多数酸 的作用；对碱的稳定性亦很好，但对强碱(氢氧化钠)不能长期 接触。该纤维耐漂白剂、还原剂、有机溶剂性较好，还具有良 好的抗辐射性能，与橡胶粘着性差。
回潮率，%(20℃，65%相对 湿度下)
6.5
耐热性
不熔，285℃时强度为室温 下的50%，370℃分解
芳纶1313纤维的性能（2）
耐光性 在日光下曝晒60星期后，强 度降低50%
耐酸性
耐大部分酸，长期在盐酸、 硝酸和硫酸中强度有些降低
耐碱性
耐碱性良好，但长期于浓氢 氧化钠中强度有些降低 在次氯酸钠中强度略有损失 不溶于一般溶剂 良好 优
Nomex与Conex纤维的性能比较
指 标 Nomex (干法纺) 1.38 0.48 (5.5) 17 13.2 (150) 4.2～4.9 Conex (湿法纺) 1.38 0.44～0.48 (5.0～5.5) 35～50 5.3～7.9 (60～90) 5～5.5
密度，g/cm3 强度，N/tex(gf/den)
性能 拉伸强度，Gpa
Kevlar29 Kevlar 49
3.45 58.6 3.62 124.9
Kevlar 149
3.4 186
HM-50
3.1 75
Twaron
3.2 125
拉伸弹性模量，GPa
伸长(%)
密度，g/cm3 热膨胀系数10-6K-1 轴向/横向 比热J(kg.K) 体积电阻μΩ.m 热传导系数,轴向/横向 (298K)W/(m.K)
加上分子内骨架原子是通过共价键结合而成，分子间 的酰胺基是极性基团，基团上的氢可和另一个链段上 构成梯形聚合物。 这种聚合物具有良好的规整性，从而具有高度的结晶 性和耐热性。在纺丝过程中，PPTA溶液浓度达临界 浓度后形成向列型液晶态，在外力作用下，很容易沿 作用力方向呈一维取向有序排列。采取干喷湿纺法液 晶纺丝很容易保留这种高度取向结构，形成高强高模 纤维。