1、 第十章 芳綸纖維第一節(jié) 概 述芳綸纖維是芳香族聚酰胺族類纖維的通稱，國(guó)外商品牌號(hào)叫凱芙拉(Kevlar)纖維，我國(guó)命名為芳綸纖維。凱芙拉纖維有三個(gè)品種：Kevlar、Kevlar-29(簡(jiǎn)稱K-29)、Kevlar-49(簡(jiǎn)稱K-49)分別如下。凱美拉纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、低密度的新型有機(jī)纖維,很多工業(yè)得到應(yīng)用。Kevlar主要用于增強(qiáng)塑料、制造輪胎、三角皮帶、同步帶等。 Kevla-29主要用于繩索、電纜、涂漆織物、帶和帶狀物、防彈板、防彈頭盔等。Kevlar-49主要用做航空、航天、國(guó)防、造船等部門(mén)應(yīng)用的各類復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，飛機(jī)的各種部件等。第二

2、節(jié) 芳綸纖維的結(jié)構(gòu)與特性1 芳綸纖維的結(jié)構(gòu)按分子結(jié)構(gòu)可分為三種類型：對(duì)位芳香族聚酰胺纖維間位芳香族聚酰胺纖維芳香族聚酰胺共聚纖維1.1 對(duì)位芳香族聚酰胺纖維(1)聚對(duì)苯甲酰胺(聚對(duì)胺基苯甲酰)纖維簡(jiǎn)稱PBA纖維。其分子結(jié)構(gòu)式為：制備：由對(duì)氨基苯甲?？s聚，紡絲而制得。(2)聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維簡(jiǎn)稱PPTA纖維。其分子結(jié)構(gòu)式為:制備：由對(duì)苯二甲酰氯和對(duì)苯二胺縮聚，紡絲而制得。1.2 間位芳香族聚酰胺纖維(1)聚間苯二甲酰間苯二胺纖維 其分子結(jié)構(gòu)式為:制備：由間苯二胺與間苯二甲酰氯縮聚制得的樹(shù)脂，經(jīng)紡絲制成。優(yōu)點(diǎn):高溫性能好，高溫下的強(qiáng)度保持率好，尺寸穩(wěn)定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃燒，具有自

3、熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化學(xué)試劑，絕熱性能也較好。缺點(diǎn):強(qiáng)度和模量低，耐光性較差。用途:用于做成易燃易爆環(huán)境的工作服，如消防服、宇宙服、飛行服以及隔熱手套等，用它制成的紙，可用做耐高溫絕緣材料，也可做耐高溫的蜂窩結(jié)構(gòu)。(2)聚N ，N，-間苯雙-(間苯甲酰胺)對(duì)苯二甲酰胺纖維其分子結(jié)構(gòu)式為：由間胺基苯甲酸、間苯二胺及對(duì)苯二甲酸共縮聚，經(jīng)紡絲而成。用途：作抗燃纖維及耐高溫絕緣材料。1.3 芳香族聚酰胺共聚纖維其分子結(jié)構(gòu)式為:制備：采用各種芳環(huán)和雜環(huán)的二胺和二酰氯，與對(duì)苯二酰氯和對(duì)苯二胺共聚。可以看出，沿纖維方向是強(qiáng)的共價(jià)鍵，而在纖維的橫向是較弱的氫鍵。物理力學(xué)特性:良好的規(guī)整性、高度的結(jié)晶

4、性、高度定向性、力學(xué)性能各向異性、很高的模量、有較高的強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性。發(fā)展?fàn)顩r:處于研制和試生產(chǎn)階段。2 芳綸纖維的基本性能2.1 力學(xué)性能拉伸強(qiáng)度和初始模量很高,而延伸率較低。表1 列舉了各類芳綸纖維的拉伸性能數(shù)據(jù)。圖2 中示出了各類增強(qiáng)纖維的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。表1 芳綸與各種纖維性能比較續(xù)表1圖2 中示出了各類增強(qiáng)纖維的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線拉伸應(yīng)變()從表1和圖2中比較出，芳綸纖維在有機(jī)纖維中。力學(xué)性能是極其優(yōu)異的，強(qiáng)度極高；它的拉伸強(qiáng)度，約為E玻璃纖維的1.5倍，與碳纖維相當(dāng)或略高。拉伸模量?jī)H次于碳纖維和硼纖維。芳綸的強(qiáng)度和模量高，密度低，這種增強(qiáng)纖維有很高的比強(qiáng)度和比模量。各類纖維的

5、比強(qiáng)度和比模量如圖3所示圖3 各類增強(qiáng)纖維比強(qiáng)度比模量 2.2 熱性能芳綸有良好的熱穩(wěn)定性，在高達(dá)180的溫度下，保持它的性能。170的低溫下, 不會(huì)變脆，仍能保持其性能。在0100的溫度下，縱向膨脹系數(shù)約為-210-6-1。100200的溫度下為-410-6-1 。短時(shí)間內(nèi)暴露在300以上，強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。表2列出了芳綸細(xì)紗和粗紗的熱性能。 表2 芳綸細(xì)紗和蛆紗的熱性能 2.3 耐化學(xué)穩(wěn)定性除強(qiáng)酸與強(qiáng)堿以外，芳綸幾乎不受有機(jī)溶劑、油類的影響，對(duì)飽和水蒸氣的穩(wěn)定性，比其他有機(jī)纖維好。芳綸對(duì)紫外線是較敏感的。表3中給出了芳綸在各種化學(xué)藥品中的強(qiáng)度損失。表3 芳綸在各種化學(xué)藥品中的穩(wěn)定性續(xù)表3

6、芳綸在各種化學(xué)藥品中的穩(wěn)定性第三節(jié) 芳綸纖維的制造制造過(guò)程一般分為兩個(gè)階段：第一階段由對(duì)苯二胺與對(duì)苯二甲酸酰氯縮聚成對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺的聚合體(PPTA)；第二階段是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。簡(jiǎn)單流程如下圖所示。HMPA;NMP（LiCl）沉淀、洗滌（中和）、干燥聚合體溶解原液干-濕法紡絲水洗（中和）卷取、干燥凱芙拉凱芙拉-29熱處理凱芙拉-49聚合 1 聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺的聚合制備：聚對(duì)苯撐對(duì)苯是由二甲酰胺、對(duì)苯二甲酸酰氯縮聚而成，反應(yīng)式如下:聚對(duì)苯撐對(duì)苯二甲酰胺性能:剛性鏈分子,玻璃化溫度和熔點(diǎn)均較高。制備條件:選擇好合適的溶劑，使用低溫溶液縮聚方法,反應(yīng)體系

7、及溶劑中的含水量要嚴(yán)格控制。常見(jiàn)溶劑:六甲基磷酰胺、 N-甲基吡咯烷酮及二甲基乙酰胺等。 2 紡絲工藝凱芙拉纖維的成纖工藝與碳纖維、玻璃纖維制造工藝都不同,它是一種新的成纖工藝，即所謂液晶紡絲工藝。液晶一船分為三類：即向列態(tài)、近晶態(tài)、膽腦態(tài)。紡織時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臐舛群蜏囟确秶?，可紡織區(qū)的溫度范圍是比較窄的。起先的紡絲方法方法是濕法紡絲，生產(chǎn)效率低，纖維性能差,隨后又出現(xiàn)干噴濕紡工藝。干噴濕紡工藝:采用高濃度、高溫度的液晶溶液在較高的噴絲速度下噴絲噴絲進(jìn)入溫度低的凝固液浴，在凝固液浴中，經(jīng)過(guò)一個(gè)紡絲管，在凝固液的作用下形成絲束，繞到繞絲輥上，再經(jīng)洗滌，在張力下于熱輥上干燥。最后在惰性氣體中于較高的

8、溫度下進(jìn)行熱處理，得到凱芙拉纖維。兩種干噴混紡裝置示意圖第四節(jié) 凱芙拉纖維的制品凱芙拉纖維可以制成各種連續(xù)長(zhǎng)纖維的粗、細(xì)紗，并可以紡織加工成各種織物。粗紗和細(xì)紗的物理力學(xué)性能見(jiàn)表4。粗紗也用于纏繞制品及擠拉成型工藝。芳綸纖維制品的型號(hào)和規(guī)格見(jiàn)表5；凱芙拉-49織物的性質(zhì)見(jiàn)表6。凱芙拉-49織物具有高的拉伸性能和低的斷裂延伸率。表6所列的有機(jī)纖維織物與玻璃纖維織物在結(jié)構(gòu)上很類似，在用途上也有相似的適用性。性能數(shù)值在空氣中高溫下長(zhǎng)期使用的溫度（）160分解溫度（）500拉伸強(qiáng)度（MPa）在室溫下16個(gè)月無(wú)強(qiáng)度損失在50 空氣中2個(gè)月無(wú)強(qiáng)度損失在100 空氣中3170在200 空氣中2720拉伸彈性

9、模量（GPa）在室溫下16個(gè)月無(wú)模量損失在50 空氣中2個(gè)月無(wú)模量損失在100 空氣中113.6在200 空氣中110.3表4 凱芙拉-49細(xì)鈔和粗紗的物理力學(xué)性能續(xù)表4 凱芙拉-49細(xì)鈔和粗紗的物理力學(xué)性能收縮率(%)410-4熱膨脹系數(shù)（10-6-1）縱向01000 -2徑向01000 50室溫比熱（J/g ）1.42在室溫下導(dǎo)熱率W/(m K)垂直于纖維方向平行于纖維方向4.11010-24.81610-2燃燒熱（KJ/g）34.8表5 常用芳綸織物注:拉伸試驗(yàn)的試樣寬度為1cm。第五節(jié) 芳綸纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用芳綸纖維主要用作環(huán)氧、聚酯和其他樹(shù)脂的增強(qiáng)材料，制成各種航空、宇航和其他軍事用途的構(gòu)件。在航空方面：各種整流罩、機(jī)翼前緣、襟翼、方向舵、安定面翼尖、尾錐、應(yīng)急出口系統(tǒng)構(gòu)件等。在航天方面：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和壓力容器、宇宙飛船的駕駛艙、氧氣、氮?dú)夂秃獾娜萜饕约巴L(fēng)管道等。其他軍事方面：防護(hù)材料，如坦克、裝甲車(chē)、飛機(jī)、艇的防彈板以及頭盜和防彈衣等。芳絕增強(qiáng)復(fù)合材科可大幅度減輕制