芳纶纤维复合材料分解

我国芳纶纤维的主要牌号
◆我国于20世纪70年代跟踪研制，于80年代初期试生产出聚 对苯甲酰胺（PBA）纤维，定名为芳纶Ⅰ（芳纶14） ； ◆又于80年代中期试生产出PPTA纤维，定名为芳纶Ⅱ（芳纶 1414），可批量生产。
（1）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液晶再纺 丝）。
实用于高性能复合材料的芳纶纤 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
Hale Waihona Puke Baidu
芳纶Ⅰ与芳纶Ⅱ力学性能的比较
纤维名称
芳纶Ⅰ 原丝 热丝处理 芳纶Ⅱ 原丝 热丝处理
密度 (g/cm3)
1.42 1.46 1.44 1.45
拉伸强度 (cN/dt)
8.8~10.1 16.0~17.7 19.5~21.2 19.5~21.2
初始模量 (cN/dt)
340~400 903~1062 354~400 624~703
◆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Kevlar49。
（2）PPTA的结构
PPTA化学结构的特点是： ◇由苯环和酰胺基按一定规律有序排列构成。酰胺基的 位置接在苯环的对位上。
◇在芳纶中，分子内的骨架原子通过强共价键结合； 高聚物分子间是酰胺基，由于酰胺基是极性基团， 其上的氢能够与另一个链段上酰胺基团中可供电子 的羰基（-CO-)结合成氢键，构成梯形聚合物，这种 聚合物具有良好的规整性，因此具有高度的结晶性。 ◇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； ⊙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。
延伸率 ( %)
5.5~6.5 1.5~2.0 3.5~5.5 2.5~3.5
（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。
芳纶在军事工业中的应用
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 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。
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）。
芳纶的缺陷
◇沿纵向排列的杂质 Na2SO4； ◇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)
（4）芳纶复合材料的应用
芳纶复合材料被誉为全球材料皇冠上的钻石， 位列三大高性能材料之一。其产业化进程对我国国 防建设、主导型工业项目（如大型飞机、高速列车、 造船、电力、电子信息、建材等）具有至关重要的 影响。在军工领域、芳纶复合材料大量应用于飞机、 舰船、潜艇、坦克、导弹、雷达的高性能结构件和 特种电子设备。在民用领域，主要用于航天、航空、 高速列车及汽车的高性能结构件、轨道交通、核电、 水电和电网工程中大型电机、变压器高端绝缘材料， 建筑用高性能隔热阻燃材料，高端电路板和印刷、 医用材料等。
芳纶纤维复合材料
芳纶是由芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维。 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。 国外称为芳酰胺纤维,我国定名为芳纶