芳纶纤维的制造与应用

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）。
（2）PPTA的结构与组成
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。
干喷—湿纺的特点：
♀用干喷—湿纺方法纺丝时，在剪切力作 用下，PPTA极易沿作用力方向取向。 ♀采取干喷—湿纺液晶纺丝工艺，可抑制 卷曲或折叠链产生，使分子链沿轴向进 一步高度取向，形成几乎为100%的次晶 结构。
芳纶的应用与展望
（1）芳纶纤维的应用
◇先进复合材料 ◇防弹制品 ◇缆绳 ◇建材 ◇传送带 ◇特种防护服装 ◇体育运动器材 ◇电子设备
芳纶应用于特种防护服装
◇对位芳纶和间位芳纶或芳砜纶混纺织物可用于防火和消防 工作服； ◇芳纶布用于森林伐木工作服、赛车服、运动服和手套、袜 子等。
芳纶在体育运动器材方面的应用
◇弓箭、弓弦、羽毛球拍； ◇与其他纤维混杂的复合材料制作高尔夫球棍、滑雪板、 雪橇、自行车架和轮毂等。
芳纶在电子设备方面的应用
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。
（4）PPTA纤维的制备过程
轻化1002 孙正 0902100206
芳纶概述
★芳纶（aramid fiber）是由芳香族聚酰胺树脂
（aromatic polyamide risen）纺成的纤维。 ★国外称为芳酰胺纤维,我国定名为芳纶。
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。
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。
◇用于先进发电机的发动机舱、中央发动机整流罩、机翼 与机身整流罩挂架整流罩、机翼前缘、襟翼、方向舵和 升降舵后缘、安定面翼尖、货舱衬壁、天花板、应急出 口门和窗、发动机调节系统管道等。 ◇用于直升飞机上的机身外蒙皮、旋翼、螺旋浆和雷达天 线罩等。

三种纺丝方法：
a.湿纺(wet spinning)：将明胶经针孔挤出，进入冷凝 液体中快速冷却，最后在惰性气体中热处理。 b.干喷(dry jet)：将明胶由喷丝嘴喷出，经过一段空 气层快速拉伸使分子取向，最后进行热处理。 c.干喷—湿纺(the dry jet-wet spinning process)是常 用的纺丝方法。
干喷—湿纺(the dry jet-wet spinning process)是常用的纺丝方法。
☆干喷—湿纺的工艺过程： ▽首先，二元胺和含卤二元酸的溶液在低温下（~0℃）缩聚 产生聚酰胺（polyamides）； ▽粉碎、冲洗和干燥，并与强酸（浓硫酸）混合。 ▽在100℃下，明胶通过纺丝孔挤出； ▽通过1cm的空气间隙（造成丝在一定范围内的旋转和排列）， 进入冷水（0~4℃）中，得到高结晶度（分子链充分伸展 和定向）的初生纤维，在水中漂洗后干燥。在胶凝浴中去 除酸。
◇集成电路和低膨胀系数的印刷电路板 ◇扬声器的嗽叭盒
（2）芳纶的展望
改善芳纶性能的途径： ◇对PPTA引入第三组分进行共聚、共混研 究； ◇合成新型的芳纶； ◇研制PPTA纤维与其他纤维混杂增强的复 合材料； ◇对PPTA纤维进行表面处理。
芳纶作为增强材料
应用于战略导弹： 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。
（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。
合成PPTA的原料包括： △对苯二甲酰氯（Terephthaloyl chloride） △对苯二胺（p-phenglene diamine）
△强极性的酰胺类溶剂（二甲基乙酰胺或六甲基磷 酸胺），选用强极性的酰胺类溶剂，是为了将开 始生成的聚合物留在溶液中。
PPTA的合成
②纺丝
★纺丝液的配制 ▽浓硫酸（浓度为100%）+聚对苯二甲酰对苯 二胺（PPTA）配成液晶溶液（称为明胶） ▽溶液浓度（配比）：PPTA/浓硫酸=20/100 ▽PPTA在浓硫酸中形成向列型液晶态，聚合物 呈一维取向有序排列。