芳纶纤维的特点及制备方法 苏葛鸿
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结构单元为聚对苯二甲酰对苯二胺（PPD-T），英文缩 写为PPTA,颜色为亮黄色，美国杜邦公司商品名为Kevlar,日本 为Technora,我国称为芳纶1414。 Kevlar是一种新型高科技合 成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量 轻等优良性能,其强度是钢丝的 5～6倍 ，模量为钢丝或玻璃 纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左 右，在560度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘 性和抗老化性能，具有很长的生命周期。Kevlar的发现被认 为是材料界的一个重要里程碑。
1.38 1.43~1.44 1.44 1.44 1.44 1.465 1.14 1.14 1.38 0.90 1.81 1.74 1.75 2.54 2.54 3.9
拉伸强度 (MPa) 0.66 3.22 2.82 3.82 2.6~3.3 2.8~3.4 0.66~0.97 0.61~0.97 0.78~1.12 0.24~0.66 2.1 3.2 2.8 1.0~3.0 3.0~3.4 3.5 1.4~1.8
（1）工艺流程： 浓硫酸溶解
聚合物PPTA
纺丝溶液
干湿法纺 丝 水洗 干燥
Kevlar-29
热处理（550℃） N2
Kevlar-49
(2)干喷湿纺工艺：
kevlar纤维干喷湿纺示意图（卧式）
Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(2)立式
（4）热处理 1）操作：
惰性气体
Kevlar 29 （结晶率94％） 150~550℃分段热处理
初始拉伸模量 (GPa) 17.4 64.8 63.2 126.6 9~12 15~16 0.28~0.51 0.22~0.60 1.12~1.99 0.15~0.33 40 25 23 7 8.3~8.5 38~40 38
延伸率 (%) 22 1.43~1.44 3.6 2.4 2~3.2 1.8~2.2 16~25 16~28 7~17 20~80 0.5 1.3 1.2 2.5~4 0.5~0.8 0.4
1：间位芳纶
全称为聚对苯二甲酰对苯二胺，英文缩写为PMTA，具有 耐热性和阻燃性的特点，颜色为亮白色，在371摄氏度熔融， 并且伴有分解，可溶于5%LiCl的二甲基乙酰胺中，进行溶纺 。美国的商品名为Nomex,我国称为芳纶1313。一般是由芳二 酸与芳二酰氯缩聚而成。
杜邦Nomex绝缘纸
2：对位芳纶
Kevlar-49 (结晶率96％）
2）目的 使分子链进一步取向，提高结晶率，增加强度和模量（断裂 应变降低）
3.Kevlar纤维制备工艺总括
芳纶纤维的发展情况
随着欧美地区开展禁止使用石棉的环境保护运动，芳 纶浆粕纤维得到了迅速的发展，逐步取代石棉成为刹车 片、离合器片、密封垫的主要材料。此外，它在其他工 业领域中也得到了广泛的应用，如光纤防护、高温过滤 袋、汽车胶管、轮胎、音响弹波布、动力传送带、运输 带、转移印花毯、胶鞋鞋底等方面；在个体防护领域， 芳纶可以制成防弹衣、防弹头盔、防弹装甲等、消防服、 消防面罩、军警作训服、防切割手套等；在民用领域， 芳纶可以做成飞机、汽车、高铁的阻燃内饰及织物，可 以制成防火毯、逃生绳、阻燃窗帘、床罩、睡衣、桌布、 围裙、微波炉手套等。芳纶还能做成芳纶纸，用于电机、 变压器、电子电器的绝缘，还可进一步加工成蜂窝结构 材料，用于飞机、游艇、高铁、动车的次受件。
硫酸
硫酸
10
10
21
21
100
1000
9
59
12
31
氢氧化钠
28
21
1000
源自文库
9
7
8
二：芳纶纤维的应用 1：军事上的应用：对位芳纶纤维是重要的国防军工
材料，为了适应现代战争的需要，目前，美、英等 发达国家的防弹衣均为芳纶材质，芳纶防弹衣、头 盔的轻量化，有效提高了军队的快速反应能力和杀 伤力。在海湾战争中，美、法飞机大量使用了芳纶 复合材料。 2:在航空、航天方面，芳纶由于质量轻而强度高， 节省了大量的动力燃料，据国外资料显示，在宇宙 飞船的发射过程中，每减轻1公斤的重量，意味着降 低100万美元的成本。
4
芳纶纤维的特点及用途
一：芳纶纤维的特点 1：高聚物链呈伸展状态，形成棒状结构及高结晶
有高模量(62-143Gpa) （2400-3000MPa) 度——纤维具
2：高聚物链的线性结构使分子间排列紧密——纤维具有高强度
3：具有苯环结构，高结晶度——纤维具有化学稳定性，高温尺寸
4：分子链在限位轴向共度定向，强共价键，纤维横向分子间氢
3:在机电、建筑、汽车、体育用品等国民经济的各个 方面都有着广泛的应用。
总结：据报道，目前，芳纶产品用于防弹衣、头盔
等约占7～8%，航空航天材料、体育用材料大约占 40%；轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约占20% 左右，还有高强绳索等方面大约占 13%。轮胎业也 开始大量使用芳纶帘线来减轻重量，减少滚动阻力 。
芳纶纤维的特点及制备方法
1：芳纶纤维的基本介绍 2：芳纶纤维的特点及用途 3：芳纶纤维的制备方法 4：芳纶纤维的发展情况
芳纶纤维的基本介绍
芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称， 全称是聚苯二甲酰苯二胺。 一：芳纶纤维的分类 纤维根据其化学结构的不同，主要可以 分为两种类型：一类是间位芳纶，全称为 聚间苯二甲酰间苯二胺，另外一类是对位 芳纶，全称为聚对苯二甲酰对苯二胺。
芳纶纤维在各行业的应用
11
法国新型第四代“阵风”(Rafale)双发多任务战斗机，采用前置鸭 翼、后掠三角翼和单垂尾气动布局，大量采用复合材料。 “阵风”战斗机机身结构采用复合材料。常规半硬壳式结构机身的 50%采用碳纤维复合材料。后机身为碳纤维复合材料，机头整流罩 和喷管整流罩为聚芳酰胺纤维复合材料。起落架及发动机舱门为碳 12 纤维复合材料。
20
操作方式及特点：
方式名 操作过程 称 间隙缩 N2气保护下聚合物单体 聚 溶液在反应器中缩聚，除 去产物中的盐酸和溶剂（ 连续缩 聚 气相缩 将对苯二胺和对苯二甲酰 聚 氯及氮气在反应器中进行 气相缩聚
方法特点 设备利用率低 限制大规模生产 聚合物成本低 不需要溶剂 产物纯度高 纤维性能高
2：纺丝工艺
5：密度小（1.43-1.44），不导电，耐辐射，抗腐蚀性
好，抗冲击性好，抗疲劳性好，施工方便。
键——纤维力学性能的各向异性
的稳定性(Tg=375℃,Tm=530℃)
芳纶与各种纤维的性能比较
纤维名称
密度(g/cm3)
Nomex Kevlar Kevlar-29 Kevlar-49 芳纶Ⅱ 芳纶Ⅰ 尼龙6 尼龙66 涤纶 丙纶 碳纤维M40 碳纤维T500 碳纤维T300 E玻璃纤维 高强2#玻璃纤维 硼纤维 氧化铝纤维
7
芳纶在各种化学药品中的稳定性 浓度 (%) 99.7 37 37 10 10 强度损失(%) Kevlar-29 72 88 10 79 Kevlar-49 0 63 81 6 77
化学试剂 醋酸 盐酸 盐酸 氢氟酸 硝酸
温度(℃) 时间(h) 21 21 21 21 21 24 100 1000 100 100
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芳纶纤维的制备方法
• Kevlar纤维的制造过程分为两个阶段 • 第一阶段：对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩 聚成PPTA; • 第二阶段：第二阶段，将聚合体溶解在溶剂中
再进行纺丝，制成所需要的纤维材料。
流程图
第一阶段：
第二阶段
：
1：Kevlar的缩聚工艺
（1）：原料：对苯二胺，对苯二甲酰氯，溶 剂，催化剂，酸吸收剂。 （2）：缩聚反应方程式
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主讲人：苏葛鸿 班级：无材0904 学号：200902128101
1.38 1.43~1.44 1.44 1.44 1.44 1.465 1.14 1.14 1.38 0.90 1.81 1.74 1.75 2.54 2.54 3.9
拉伸强度 (MPa) 0.66 3.22 2.82 3.82 2.6~3.3 2.8~3.4 0.66~0.97 0.61~0.97 0.78~1.12 0.24~0.66 2.1 3.2 2.8 1.0~3.0 3.0~3.4 3.5 1.4~1.8
（1）工艺流程： 浓硫酸溶解
聚合物PPTA
纺丝溶液
干湿法纺 丝 水洗 干燥
Kevlar-29
热处理（550℃） N2
Kevlar-49
(2)干喷湿纺工艺：
kevlar纤维干喷湿纺示意图（卧式）
Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(2)立式
（4）热处理 1）操作：
惰性气体
Kevlar 29 （结晶率94％） 150~550℃分段热处理
初始拉伸模量 (GPa) 17.4 64.8 63.2 126.6 9~12 15~16 0.28~0.51 0.22~0.60 1.12~1.99 0.15~0.33 40 25 23 7 8.3~8.5 38~40 38
延伸率 (%) 22 1.43~1.44 3.6 2.4 2~3.2 1.8~2.2 16~25 16~28 7~17 20~80 0.5 1.3 1.2 2.5~4 0.5~0.8 0.4
1：间位芳纶
全称为聚对苯二甲酰对苯二胺，英文缩写为PMTA，具有 耐热性和阻燃性的特点，颜色为亮白色，在371摄氏度熔融， 并且伴有分解，可溶于5%LiCl的二甲基乙酰胺中，进行溶纺 。美国的商品名为Nomex,我国称为芳纶1313。一般是由芳二 酸与芳二酰氯缩聚而成。
杜邦Nomex绝缘纸
2：对位芳纶
Kevlar-49 (结晶率96％）
2）目的 使分子链进一步取向，提高结晶率，增加强度和模量（断裂 应变降低）
3.Kevlar纤维制备工艺总括
芳纶纤维的发展情况
随着欧美地区开展禁止使用石棉的环境保护运动，芳 纶浆粕纤维得到了迅速的发展，逐步取代石棉成为刹车 片、离合器片、密封垫的主要材料。此外，它在其他工 业领域中也得到了广泛的应用，如光纤防护、高温过滤 袋、汽车胶管、轮胎、音响弹波布、动力传送带、运输 带、转移印花毯、胶鞋鞋底等方面；在个体防护领域， 芳纶可以制成防弹衣、防弹头盔、防弹装甲等、消防服、 消防面罩、军警作训服、防切割手套等；在民用领域， 芳纶可以做成飞机、汽车、高铁的阻燃内饰及织物，可 以制成防火毯、逃生绳、阻燃窗帘、床罩、睡衣、桌布、 围裙、微波炉手套等。芳纶还能做成芳纶纸，用于电机、 变压器、电子电器的绝缘，还可进一步加工成蜂窝结构 材料，用于飞机、游艇、高铁、动车的次受件。
硫酸
硫酸
10
10
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氢氧化钠
28
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源自文库
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二：芳纶纤维的应用 1：军事上的应用：对位芳纶纤维是重要的国防军工
材料，为了适应现代战争的需要，目前，美、英等 发达国家的防弹衣均为芳纶材质，芳纶防弹衣、头 盔的轻量化，有效提高了军队的快速反应能力和杀 伤力。在海湾战争中，美、法飞机大量使用了芳纶 复合材料。 2:在航空、航天方面，芳纶由于质量轻而强度高， 节省了大量的动力燃料，据国外资料显示，在宇宙 飞船的发射过程中，每减轻1公斤的重量，意味着降 低100万美元的成本。
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芳纶纤维的特点及用途
一：芳纶纤维的特点 1：高聚物链呈伸展状态，形成棒状结构及高结晶
有高模量(62-143Gpa) （2400-3000MPa) 度——纤维具
2：高聚物链的线性结构使分子间排列紧密——纤维具有高强度
3：具有苯环结构，高结晶度——纤维具有化学稳定性，高温尺寸
4：分子链在限位轴向共度定向，强共价键，纤维横向分子间氢
3:在机电、建筑、汽车、体育用品等国民经济的各个 方面都有着广泛的应用。
总结：据报道，目前，芳纶产品用于防弹衣、头盔
等约占7～8%，航空航天材料、体育用材料大约占 40%；轮胎骨架材料、传送带材料等方面大约占20% 左右，还有高强绳索等方面大约占 13%。轮胎业也 开始大量使用芳纶帘线来减轻重量，减少滚动阻力 。
芳纶纤维的特点及制备方法
1：芳纶纤维的基本介绍 2：芳纶纤维的特点及用途 3：芳纶纤维的制备方法 4：芳纶纤维的发展情况
芳纶纤维的基本介绍
芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称， 全称是聚苯二甲酰苯二胺。 一：芳纶纤维的分类 纤维根据其化学结构的不同，主要可以 分为两种类型：一类是间位芳纶，全称为 聚间苯二甲酰间苯二胺，另外一类是对位 芳纶，全称为聚对苯二甲酰对苯二胺。
芳纶纤维在各行业的应用
11
法国新型第四代“阵风”(Rafale)双发多任务战斗机，采用前置鸭 翼、后掠三角翼和单垂尾气动布局，大量采用复合材料。 “阵风”战斗机机身结构采用复合材料。常规半硬壳式结构机身的 50%采用碳纤维复合材料。后机身为碳纤维复合材料，机头整流罩 和喷管整流罩为聚芳酰胺纤维复合材料。起落架及发动机舱门为碳 12 纤维复合材料。
20
操作方式及特点：
方式名 操作过程 称 间隙缩 N2气保护下聚合物单体 聚 溶液在反应器中缩聚，除 去产物中的盐酸和溶剂（ 连续缩 聚 气相缩 将对苯二胺和对苯二甲酰 聚 氯及氮气在反应器中进行 气相缩聚
方法特点 设备利用率低 限制大规模生产 聚合物成本低 不需要溶剂 产物纯度高 纤维性能高
2：纺丝工艺
5：密度小（1.43-1.44），不导电，耐辐射，抗腐蚀性
好，抗冲击性好，抗疲劳性好，施工方便。
键——纤维力学性能的各向异性
的稳定性(Tg=375℃,Tm=530℃)
芳纶与各种纤维的性能比较
纤维名称
密度(g/cm3)
Nomex Kevlar Kevlar-29 Kevlar-49 芳纶Ⅱ 芳纶Ⅰ 尼龙6 尼龙66 涤纶 丙纶 碳纤维M40 碳纤维T500 碳纤维T300 E玻璃纤维 高强2#玻璃纤维 硼纤维 氧化铝纤维
7
芳纶在各种化学药品中的稳定性 浓度 (%) 99.7 37 37 10 10 强度损失(%) Kevlar-29 72 88 10 79 Kevlar-49 0 63 81 6 77
化学试剂 醋酸 盐酸 盐酸 氢氟酸 硝酸
温度(℃) 时间(h) 21 21 21 21 21 24 100 1000 100 100
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芳纶纤维的制备方法
• Kevlar纤维的制造过程分为两个阶段 • 第一阶段：对苯二胺与对苯二甲酸酰氯缩 聚成PPTA; • 第二阶段：第二阶段，将聚合体溶解在溶剂中
再进行纺丝，制成所需要的纤维材料。
流程图
第一阶段：
第二阶段
：
1：Kevlar的缩聚工艺
（1）：原料：对苯二胺，对苯二甲酰氯，溶 剂，催化剂，酸吸收剂。 （2）：缩聚反应方程式
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主讲人：苏葛鸿 班级：无材0904 学号：200902128101