纳米芳纶纤维及其在复合材料中的应用

二、芳纶的特点及用途


特点：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，在150℃温度下收缩率为0。它在高温 下仍能保持较高的强度，如在260℃温度下仍可保 持原强度的65%。 用途：国防、航空航天、橡胶工业、油气田的勘 探和生产、电子与通讯、汽车工业、体育休闲用 品等产业的发展。由于它的用途十分广泛,曾被称 为“全能纤维”
Optical microscope images of (a) pure PVA, KNCNTs/PVA composite films with different contents of KNCNTs: (b) 0.1 wt%, (c) 0.2 wt%, (d) 0.5 wt%, (e) 1.0 wt% 缺点：滑移问题解决不了
几种高温材料的熔点
材料 熔点 （℃） 碳化钽铪 Ta4HfC5 3990 Graphite Diamond W ZrB2 TiB2 Re TiC SiC Au
3652
3550
3400
3245
3225
3186
3100
2820
1064
化学与材料的关系
化学与材料科学结合将创造更加巧妙的新材料。 “化学+”体现化学的核心和辐射价值。-《摘自 冯守华院士的报告》 材料主要分为： 金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、 复合材料、纳米材料。 问题：自然科学当中学科之间的关系
PPTA与溴代丙烷反应制备可溶性N-丙基对位芳 纶，由于并非是单分子分散（而是分子团簇）， 所以无法测定单分子的分子量。
OC
CONH PPTA
NH
n
OC
DMSO/NaH
CON Na PPTA(Na) O
N Na
n
Cl OC CON N
n
O
O
PPTA-ECH
PPTA与环氧氯丙烷 反应制备的可溶性N环氧丙基对位芳纶的 形貌。
Figure 5 . TEM images showing a) a carbon-coated copper grid used as the support for the TEM characterization of the networks, and the solid left after evaporation of the aramids dispersed in a DMSO solution b) with no treatment; c) after treatment of 0.25 mL PA for 100 mg Kevlar (as in Sample A but without GA treatment); d) after a further treatment with 1.5 mL GA (as in Sample A); e) after treatment of 1.0 mL PA for 100 mg Kevlar (as in Samples B and C but without GA treatment): PAcatalyzed hydrolysis turning nanofi bers into reactive nanometerscale sheets; f) restored aramid network from nanosheets in (e) after a further treatment of 1.5 mL GA (as in Sample B)
一、什么是芳纶？

芳—具有芳香结构的意思。如苯环、萘环等 纶—原意：钓鱼用的线：垂纶。古代官吏系印 用的青丝带。现用作某些合成纤维的名称，如 锦纶、涤纶、腈纶等。


芳纶：是指以芳香族化合物为原料经缩聚纺丝 制得的合成纤维。第一个工业化的对位芳纶产 品是美国杜邦公司于1972年推出的Kevlar纤维， 1986年荷兰阿克苏公司、日本帝人公司、俄罗 斯的对位杂环芳纶SVM、Armos都生产类似的 纤维。我国于上世纪八十年代初，研制出与结 构一致的纤维,命名为芳纶1414。 芳纶是战略物质（同碳纤维）
PPTA-ECH修饰的MWNTs
Pan Fangwei， Qu Rongjun 等 Applied Surface Science 416 (2017) 225–233

PPTA-ECH-MWNTs/PVC薄膜
谢谢！
M. Yang, K.Q. Cao, L. Sui, Y. Qi, J. Zhu, A. Waas, E.M. Arruda, J. Kieffer, M.D. Thouless, N.A. Kotov, Dispersions of Aramid Nanofibers: A New Nanoscale Building Block, ACS Nano, 5 (2011) 6945-6954.
纳米芳纶纤维及其在复合 材料中的应用
——兼谈学生观察、分析、解决问题 等综合能力的培养 鲁东大学 曲荣君
新时代科技的竞争就是新材料的 竞争


天宫一号 陨石进入地球大气层后，与大气发生剧烈的磨擦，产生高 温，进入地球时的温度是3000℃，陨石周围的温度高达 20000℃。 航天器返回时，也会与大气发生磨擦产生高温， “神六”返回时外表温度也达到1600℃。 F-22与J-20 美国1985年生产的F-22生产线重启困难，维护成本高。单 机成本约2亿美元，加上研发成本每架成本高达3.5亿美元， 高过13吨黄金！且每飞行1小时需要接受30个小时的保养。 每小时的飞行费用高达4.4万美元 。

注：Txx指的是碳纤维的品级，通常以拉伸强度指标做为衡量标准。Mxx是高模量思。
3、芳纶的缺点
表面光滑、强烈的表面化学惰性，形成复合材 料的难度大。 不溶于一般的有机无机溶剂，只溶于浓硫酸、 氯磺酸之类的强酸，导致加工困难。 原因是分子内强烈的氢键（如同纤维素不溶于水）

4、问题怎么解决？
Hale Waihona Puke PPTA-ECH在PPTA表面的铺展过程示意图
5、纳米芳纶纤维的应用


直接应用：LBL法制备无纺布与PVA、PVC、尼 龙-6等混合制备复合材料。 改性碳纳米管：改性碳纳米管后作为聚合物增 强添加剂。
M. Yang, K.Q. Cao, L. Sui, Y. Qi, J. Zhu, A. Waas, E.M. Arruda, J. Kieffer, M.D. Thouless, N.A. Kotov, Dispersions of Aramid Nanofibers: A New Nanoscale Building Block, ACS Nano, 5 (2011) 6945-6954.
芳纶是战略性新材料（同碳纤维） 什么是碳纤维？碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含 碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。 它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成， 经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。 来源：碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基 碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维。 性能：抗拉强度是钢的7到9倍，杨氏模量是Kevlar 的2倍左 右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。 2018年2月，中国完全自主研发出第一条百吨级T1000碳 纤维生产线。 中国已系统掌握了T700级、T800级千吨级技术和T1000 级、M30级、M35级百吨级技术，在国产碳纤维市场的占 有率连年达到50%以上，极大促进了我国碳纤维复合材料 产业的发展，解决了国家对高端材料的急需。
N Na n
CN CH NOH C NH2 (CH2 CH )y H OC CON CH2 CH H x C NH2 NOH PPTA-AO PPTA-AN N
n
CH2 CN (CH2 CH )yH OC CON CH2 CH H x CN N
n
NH2OH HCl
应用：PPTA分子量的测定-与中科 院化学所、东华大学的合作（973 项目）
界面问题：表面改性—物理法和化学法 物理法：不破坏纤维的分子结构 化学法：改造分子结构 溶解性问题：破坏氢键

氢键破坏法
Journal of Polymer Science: Polymer Physics Edition, Vol. 21,1955-1969 (1983)
Motowo Takayanagi，Pure & Appi. Chem., Vol.55, No.5, pp.819—832, 1983.
PPTA在DMSO/NaH中的形态—微纤维存在的直接证据 粉状PPTA与纤维状PPTA溶解的差异
(1)PPTA-CH2CH2CH3); (2)PPTA-AN; (3) PPTA-MA; (4) PPTA(Na)/PMIA
PPTA-AN
OC
CONH PPTA
NH
n
DMSO/NaH
OC
CON Na PPTA(Na)
Microfibrils of PPTA
Motowo Takayanagi，Pure & Appl. Chem., Vol.55, No.5, pp.819—832, 1983.
其他类型的强碱是否可以？

R4NOH，KOH及其他碱是否可以？
Jinchen Fan, Jialiang Wang, Zixing Shi, Shan Yu, Jie Yin， Materials Chemistry and Physics 141 (2013) 861-868
新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及 石墨化处理而得到的微晶石墨材料。杨氏模量是Kevlar 的2倍左右，在有机溶剂、酸、 碱中不溶不胀，耐蚀性突出。2018年2月，中国完全自主研发出第一条百吨级T1000碳 纤维生产线。
注：碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的