203527_第八章_芳纶纤维

高性能 S iC 纤维
碳化硅纤维的化学组成
元素 摩尔比 Si 1.00 C 1.29 O 0.38 H 0.10
含量/%
54.3
30.0
11.、耐热、抗氧化性能、与金属良好 的相容性等。
第十章 填料
10.1 填料的种类和作用 10.1.1 种类 10.1.2 作用 10.2 填料/聚合物复合材料的制备方法
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
硝化效果的评价：
由改性程度、均匀性、表面形态、力学性能等进行综合评
价。
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：10～20℃，2～8hr
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。
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0.4～ 1.0个)；
纤维表面形态也有改善。合适的反应条件下硝化与还原
④ 密度：
Kevlar纤维比CF(1.7～1.8)、GF(2.5左右)、BF(3.9)都要低，而 KF仅1.4左右。
几种增强纤维的比强度和比模量
热性能：
GF：软化点： 550～580 ℃； 200～250 ℃以下，GF强度不变。
热膨胀系数：48×10-6 ℃-1

CF： 高于1500℃，强度才开始下降。
如：芳纶1313（商品名：Nomex；美国：Dupont）
芳纶1414（Kevlar；美国：Tupont）
国外——通称为Aramid纤维。
8.1 主要品种
芳纶1414（PPTA纤维）
全称：聚对苯二甲酰 对苯二胺纤维
O O H C N
分子结构式：
H N n
C
合成：
由对苯二甲酰氯与对苯二胺缩聚而成
芳纶的表面处理方法，重点掌握化学处理方法。
第九章 其他无机增强纤维
9.1 硼纤维（BF）
硼纤维的特点：
高强度、高弹性模量、耐高温等。
硼纤维的缺点：
在高温下能和大多数金属基体起反应而变脆。
硼纤维的制备：
硼纤维通常采用气相沉积法制备。
2BCl3 3H2 高温 2B 6HCl
9.2 SiC 纤维
先驱丝法
热膨胀系数：平行于纤维方向：负值 -0.72～-0.90×10-6℃-1
垂直于纤维方向：正值 32～22×10-6℃-1

BF：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。
本章重点
芳纶的两个主要品种及它们的结构式、性能、主要用途等。 芳纶1414的制备方法。
用途：航空材料、体育器材、建
筑材料等。其中用作防弹材料是一 个重大飞跃。
美军的PASGT头盔
QGF－ 02防弹头盔
（采用我国自行研制的芳纶纤维制造的）
芳纶1313
全称：聚间苯二甲酰 间苯二胺纤维
O O C H N H N n
分子结构式：
C
合成：
由间苯二甲酰氯与间苯二胺缩聚而成
+ ClO C CO Cl HN NH OC CO
SiC纤维的制备 复合法
C H3 Cl Si Cl Na C H3 Si C H3 n 400 oC 以上 分子重排 C H3 H Si H C H n
先 驱 丝 法
C H3
（聚硅烷 PDMS） 熔融纺丝 纤维 不熔化处理 空气 不熔化丝
( 聚碳硅烷PC S )
（具有不熔的交联结构）
N2或Ar保 护 ， 张 力 1000oC 以上 高温烧结
与温度关系：
PPTA－浓H2SO4溶液的浓度与 体系粘度的关系 随着T的升高，曲线 向右移动，临界浓度值 向高浓度一侧移动，有 利于高浓度纺丝溶液的 生成。
8.3 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。
缩聚实施方法：工业常用低温溶液缩聚和界面缩聚的方法
性能：
1）力学性能：高强度、高模量、密度低、韧性好的特点。 2）耐化学性能：对普通有机溶剂、盐类溶液等具有很好的 耐化学药品性，除了少数几种强酸和强碱外；对紫外线敏 感。 3）热稳定性：高温下不熔，短时间暴露在300oC以上，强 度几乎不发生变化。
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％。
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)
有机填料
化学组成
无机填料 合成填料
来
源
天然填料 粒状 片状
填 料 的 分 类
外观形状
纤维状 中空微珠 增强剂
填料功能
填充剂
返回
填料的作用
增量作用：
降低制品价格；
改性作用：
显著改善制品机械性能，耐摩擦性，耐老化等性能。 活性填料：起补强作用，可提高制品性能
可相互转化
惰性填料：起稀释作用，降低了制品强度 返回
第八章 芳纶纤维
全称：芳香族聚酰胺纤维 （Aramid fibers）
芳纶纤维
诞生于20世纪60年代末 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。
国内——命名为芳纶纤维。
聚合物/填料复合材料的制备方法
传统的制备方法
熔融共混 造粒
原位聚合制备方法
分散
填 料
单 体
聚 合
返回
Kevlar 纤维的制备方法：
Kevlar纤维成型技术是典型的由刚性链聚合物形成液晶 性纺丝溶液，采用杜邦公司发明的干喷湿纺的液晶纺丝方法， 制取高强度高模量纤维。
与浓度关系：
存在一个临 界浓度C* C<C*时，C提高，溶液粘 度上升，溶液具有各向同 性的特点； C>C*时，C提高，溶液粘 度先降后升，溶液具有各 向异性的特点。
n
H2N
NH2
缩聚实施方法：常用低温溶液缩聚和界面缩聚的方法
突出特点：
耐高温性能好，高温下的强度保持率好、抗氧化
性、耐水性良好等，主要用作耐高温材料。
缺点：强度、模量低。
用途：耐高温防护服、消防服和军服等。
8.2 芳纶1414的制备
PPTA的溶解性：
只溶于少数强酸性溶剂中，如浓硫酸、氯磺酸和氟代醋酸 等。 从工业上考虑，选择浓硫酸作PPTA的溶剂比较适合，浓 度为99％－100％的浓硫酸对PPTA的溶解性最好。
C H2 C l
O C n
几种增强纤维性能比较
力学性能：
① 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。
② 拉伸模量：
Kevlar纤维的拉伸模量仅次于BF、CF。
③ 延伸率：
Kevlar纤维有较高的断裂延伸率，不像CF、BF那样脆。
入纤维，使纤维的微结构遭到破坏。)
c.Kevlar纤维的N－烷基化
Kevlar纤维 芳烃或脂肪烃的 碱金属或碱土金属盐
酰胺基变成金属盐
亲电试剂，如卤化物等
N－烷基化的Kevlar纤维
H
H N
O C
O C n
e.g:
N
钠盐
Na N
Na O N C
O C n
O
O C H2 N H2 C N O O C
后，表面基本光滑，轻微粗糙，纤维强力损失不大。
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