聚对苯二甲酰对苯二胺纤维讲解
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• 芳纶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。除的军事上应用外，现已作为一种高技术含量的纤 维材料被广泛应用于航天航空、机电、建筑、汽车、体育 用品等国民经济的各个方面。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，在字宙飞船的发射过程中，每减轻1kg的重量，意 味着降低100万美元的成本。
• 我们重点看一下特沃伦（Twaron）纤维的结构和性质， Tw aron 纤维的性能, 其强度主要取决于聚合物的分子量 和分子量分布及其结晶程度。影响上述这些性质的参数有 许多。通过提高纺丝原液中的聚合物浓度, 就可以在湿纺 加工过程中提高纤维中链状分子的取向度, 从而使纤维获 得较高的强度。 原则上, 较高的分子量也可以提高纤维的 强度值。目前标准长丝的聚合度为75～80, 其相应的分子 量为 18 000～ 19 000。这些Tw aron 纤维均为高结晶性 纤维
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维
复合1104 邹学敏
一、简介
• 聚对苯二甲酰对苯二胺(poly- p- phenylene terephthamide)
• 对苯二胺与对苯二甲酰氯缩合聚合而成的全对位聚 芳酰胺，中国称芳纶，Tw aron 和Kevlar 两种品 牌的商品纤维市场占有率最大
• 结构为：
二、生产前景
二、生产前景
• 除此之外，科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民 用空间。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% 。
• 据有关部门统计，芳纶纤维全世界总需求量在2001年为 36万吨/年，而在2005年将达到50万吨/年。全球对芳纶 的需求呈现不断增长的态势，芳纶作为一种新兴的高性能 纤维进入了飞速发展的时期。
2 酯交换反应
• 帝人公司[9]在二芳砜(如二苯砜)和具有2个苯环或 萘环的醚或碳氢化物存在下，将芳香族二芳酸二 芳酯和芳香族二胺进行加热缩聚反应。反应温度 高于 150℃，最优为 180~400℃ ，反应时间是 2~30 h，为加速反应，可加入聚酯交换反应及缩 聚反应用的催化剂。反应初期在常压下进行，生 成的芳香族羟基化合物不需排出，反应后期应将 副产物及部分溶剂蒸出，因此其应用受到 很大限制
我国情况
近年来我国高性能芳纶研究与开发进展迅速目前正在建设的 PPTA 生产企业如表 2 所示
三、结构与性能
• 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℃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。
（5）图6 中各种增强纤维的抗拉强度曲线表明 Tw aron 纤 维是一种高强度纤维, 其拉伸模量非常高但比碳纤维的拉伸 模量要低。图中各种纤维的比强度和比模量数值均说明了Tw aron 纤维是一种性能极好的轻型增强材料的原因
（7）尽管 Tw aron 纤维的压缩模量与拉伸模量相等, 但其 轴向抗压强度却仅为其抗拉强度的1/5
4 低温溶液缩聚法
• 低温溶液缩聚法是目前合 成 PPTA 最成熟的合成方 法已工业化的 Ke v l a r、 Tw a r o n、Technoral 纤 维的合成均采用此法。采 用反应活性大的单体如二 甲酰氯和二胺，在非质子 极性溶剂如 DMAc (N,N二甲基乙酰)、NMP(N- 甲 基吡咯烷酮)等酰胺型溶剂 中在温和的条件下进行缩 聚反应
(8)Tw aron 纤维的缺点 是抗紫外线照射的能 力比较低。对户外用 途而言必须实施抗紫 外线保护, 通常采用复 合结构就可以达到保 护目的
四、合成方法
1 界面缩聚法 将二羧酸酰氯(如对苯二甲酰氯(TPC))溶解在与水 不相溶的有机溶剂中，再将二元胺(如对苯二胺 (PPD))溶于水中(加少量NaCO3或 NaOH，以吸 收反应生成的盐酸)，然后将上述2 种溶液混合， 在混合的瞬间，就在 2 种液体界面上发生缩聚反 应，生成聚合体薄膜，因反应在界面上进行，所 以称为界面缩聚
5 直接缩聚法
将芳香族二酸和芳香族二 胺在非质子有机极性溶剂 (如 NMP，DMAc 等)中， 以亚磷酸三苯酯为催化剂， 在温和条件下进行缩聚反 应
3 气相聚合法
• 将芳香族二胺和芳香族二酰氯汽化[10]并在惰性 气体和气态叔胺类化合物(如三乙胺或吡啶)存在 下进行混合，然后在管式反应器或担体式反应器 中进行气相缩聚反应，单体物质的量分数为2%~ 5 0%，反应温度 1 5 0 ~ 5 0 0℃，反应时间0 .1 ~ 5 s，然后经过冷却、分离除去氯化氢得到聚合 物。此法制得的芳香族聚酰胺，可以经过干法、 湿法或干-湿法纺制成纤维
表1 为Tw aron 纤维与其他增强纤维材料的主要性能的比较 结果
（1）各种有机纤维与钢丝和玻璃纤维相比密度低, 这是 它们用于轻质构件的优点之一
（2）与钢纤维、 玻璃纤维和碳纤维相比, 有机纤维的 缺点是溶点和分解温度较低, 这至少在高温用途方面 是这样。然而Tw aron 纤维的使用价值很高, 这是因 为它们可耐Fra Baidu bibliotek各种加工温度。此外, 可满足 Tw aron 纤维较高的加热性能的用途却十分有限。
（3）纤维的断裂强度是与其质量相关的一种强度数值, 该数值可由(常用的)与体积相关的抗拉强度除以密度 的方法计算得出。 这种比强度(强度系数)很可能是用 来解释唯一性的最重要的性质。新近开发出的Tw aron 纤维的强度值超出目前标准Tw aron 纤维的强度 值20%以上
（4）Tw aron 纤维的断裂伸 长率比各种传统的有机纤 维的小, 但比钢纤维、 玻 璃纤维和碳纤维的要大。 这一点有时是优点而有时 则是缺点, 这要视纤维的 用途而定
• 我们重点看一下特沃伦（Twaron）纤维的结构和性质， Tw aron 纤维的性能, 其强度主要取决于聚合物的分子量 和分子量分布及其结晶程度。影响上述这些性质的参数有 许多。通过提高纺丝原液中的聚合物浓度, 就可以在湿纺 加工过程中提高纤维中链状分子的取向度, 从而使纤维获 得较高的强度。 原则上, 较高的分子量也可以提高纤维的 强度值。目前标准长丝的聚合度为75～80, 其相应的分子 量为 18 000～ 19 000。这些Tw aron 纤维均为高结晶性 纤维
聚对苯二甲酰对苯二胺纤维
复合1104 邹学敏
一、简介
• 聚对苯二甲酰对苯二胺(poly- p- phenylene terephthamide)
• 对苯二胺与对苯二甲酰氯缩合聚合而成的全对位聚 芳酰胺，中国称芳纶，Tw aron 和Kevlar 两种品 牌的商品纤维市场占有率最大
• 结构为：
二、生产前景
二、生产前景
• 除此之外，科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民 用空间。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% 。
• 据有关部门统计，芳纶纤维全世界总需求量在2001年为 36万吨/年，而在2005年将达到50万吨/年。全球对芳纶 的需求呈现不断增长的态势，芳纶作为一种新兴的高性能 纤维进入了飞速发展的时期。
2 酯交换反应
• 帝人公司[9]在二芳砜(如二苯砜)和具有2个苯环或 萘环的醚或碳氢化物存在下，将芳香族二芳酸二 芳酯和芳香族二胺进行加热缩聚反应。反应温度 高于 150℃，最优为 180~400℃ ，反应时间是 2~30 h，为加速反应，可加入聚酯交换反应及缩 聚反应用的催化剂。反应初期在常压下进行，生 成的芳香族羟基化合物不需排出，反应后期应将 副产物及部分溶剂蒸出，因此其应用受到 很大限制
我国情况
近年来我国高性能芳纶研究与开发进展迅速目前正在建设的 PPTA 生产企业如表 2 所示
三、结构与性能
• 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℃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。
（5）图6 中各种增强纤维的抗拉强度曲线表明 Tw aron 纤 维是一种高强度纤维, 其拉伸模量非常高但比碳纤维的拉伸 模量要低。图中各种纤维的比强度和比模量数值均说明了Tw aron 纤维是一种性能极好的轻型增强材料的原因
（7）尽管 Tw aron 纤维的压缩模量与拉伸模量相等, 但其 轴向抗压强度却仅为其抗拉强度的1/5
4 低温溶液缩聚法
• 低温溶液缩聚法是目前合 成 PPTA 最成熟的合成方 法已工业化的 Ke v l a r、 Tw a r o n、Technoral 纤 维的合成均采用此法。采 用反应活性大的单体如二 甲酰氯和二胺，在非质子 极性溶剂如 DMAc (N,N二甲基乙酰)、NMP(N- 甲 基吡咯烷酮)等酰胺型溶剂 中在温和的条件下进行缩 聚反应
(8)Tw aron 纤维的缺点 是抗紫外线照射的能 力比较低。对户外用 途而言必须实施抗紫 外线保护, 通常采用复 合结构就可以达到保 护目的
四、合成方法
1 界面缩聚法 将二羧酸酰氯(如对苯二甲酰氯(TPC))溶解在与水 不相溶的有机溶剂中，再将二元胺(如对苯二胺 (PPD))溶于水中(加少量NaCO3或 NaOH，以吸 收反应生成的盐酸)，然后将上述2 种溶液混合， 在混合的瞬间，就在 2 种液体界面上发生缩聚反 应，生成聚合体薄膜，因反应在界面上进行，所 以称为界面缩聚
5 直接缩聚法
将芳香族二酸和芳香族二 胺在非质子有机极性溶剂 (如 NMP，DMAc 等)中， 以亚磷酸三苯酯为催化剂， 在温和条件下进行缩聚反 应
3 气相聚合法
• 将芳香族二胺和芳香族二酰氯汽化[10]并在惰性 气体和气态叔胺类化合物(如三乙胺或吡啶)存在 下进行混合，然后在管式反应器或担体式反应器 中进行气相缩聚反应，单体物质的量分数为2%~ 5 0%，反应温度 1 5 0 ~ 5 0 0℃，反应时间0 .1 ~ 5 s，然后经过冷却、分离除去氯化氢得到聚合 物。此法制得的芳香族聚酰胺，可以经过干法、 湿法或干-湿法纺制成纤维
表1 为Tw aron 纤维与其他增强纤维材料的主要性能的比较 结果
（1）各种有机纤维与钢丝和玻璃纤维相比密度低, 这是 它们用于轻质构件的优点之一
（2）与钢纤维、 玻璃纤维和碳纤维相比, 有机纤维的 缺点是溶点和分解温度较低, 这至少在高温用途方面 是这样。然而Tw aron 纤维的使用价值很高, 这是因 为它们可耐Fra Baidu bibliotek各种加工温度。此外, 可满足 Tw aron 纤维较高的加热性能的用途却十分有限。
（3）纤维的断裂强度是与其质量相关的一种强度数值, 该数值可由(常用的)与体积相关的抗拉强度除以密度 的方法计算得出。 这种比强度(强度系数)很可能是用 来解释唯一性的最重要的性质。新近开发出的Tw aron 纤维的强度值超出目前标准Tw aron 纤维的强度 值20%以上
（4）Tw aron 纤维的断裂伸 长率比各种传统的有机纤 维的小, 但比钢纤维、 玻 璃纤维和碳纤维的要大。 这一点有时是优点而有时 则是缺点, 这要视纤维的 用途而定