7.凯夫拉纤维解析

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）
5）Kevlar纤维制备工艺总括
24
6） 复合材料用Kevlar纤维产品
（1）长纤维纱 粗纱，细纱 （2）短纤维纱
（3）由纱织成的单向带
（4）Kevlar纤维布
平纹
斜纹
缎纹
25
4. 芳纶纤维的分子结构
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。
杜邦Nomex绝缘纸
6
(2) 对位芳香族聚酰胺纤维 聚对苯甲酰胺（聚对胺基苯甲酰）纤维 Poly（P-benzamide），简称PBA纤维。
NH
CO n
7
(3)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维
Poly（P-Phenlene terephthalamide）简称PPTA纤维
CO
CO NH
NH n
Kevlar
数据
160 500 无强度损失 无强度损失 3170 2720 无强度损失 无强度损失
35
拉伸模量(GPa)
在室温下16个月 在50℃空气中2个月
芳纶在各种化学药品中的稳定性
化学试剂 浓度(%) 温度(℃) 醋酸 99.7 21
时间(h) 24
强度损失(%) Kevlar-29 Kevlar-49 0
21
3. 芳纶纤维的制备
凝固浴的温度为0 ℃~5℃ 中间空气层间隙可使高温纺丝喷头和低温凝固浴 保持温差，同时在空气层中进行适宜的喷头拉伸， 增加取向度 纺丝速度可达2000m/min
22
4）热处理 1）操作
惰性气体,张力
Kevlar-29
Kevlar-49
（结晶率94％） 150~550℃分段热处理（结晶率96％）
(1) 间位芳香族聚酰胺纤维（聚间苯二甲酰间苯二胺） 英文缩写为PMTA
CO CO NH n NH
特点: 具有耐热性和阻燃性的特点，在371℃熔融，并且伴 有分解，可溶于5% LiCl的二甲基乙酰胺中。美国的商 品名为Nomex，我国称为芳纶1313。 强度、模量较低，不能用作结构复合材料 （耐高温绝缘材料，耐高温的蜂窝结构） 5
命名为Aramid。
39
6. 凯夫拉纤维的发展
聚对苯二甲酰对苯二胺的商业名称： 美国Kevlar、日本帝人Technora、荷兰阿克苏 Twaron、中国芳纶1414
聚间苯二甲酰间苯二胺的商业名称： 美国Nomex、日本帝人Conex、荷兰阿克苏Twaron 中国芳纶1313
40
6. 凯夫拉纤维的发展
5. 芳纶纤维性能
1）力学性能： ① 拉伸强度： Kevlar纤维的拉伸强度约为E-glass fiber的1.5倍。与CF 的拉伸强度相当或稍高。 ② 拉伸模量： Kevlar纤维的拉伸模量仅次于BF、CF。 ③ 延伸率： Kevlar纤维有较高断裂延伸率，不像CF、BF那样脆。 ④ 密度： Kevlar纤维比CF(1.7～1.8)、GF(2.5左右)、BF(3.9)都要 低，而KF仅1.4左右。
0
0 2 1.5
3.6
37
6. 凯夫拉纤维的发展
38
6. 凯夫拉纤维的发展
称Kevlar或芳纶，即芳香族聚酰胺纤维
1）1960年，杜邦Nomex 聚间苯二甲酰间苯二胺纤
维(芳纶1313) 耐热纤维
2）1965年，杜邦 Kevlar 聚对苯二甲酰对苯二胺纤
维(即芳纶1414) 高强高模量纤维
3）1974年，美国联邦通商委员会将全芳香族聚酰胺
100
100
21
21
3
1
1
0
三氯乙烯
甲乙酮
100
100
21
21
24
24
1.5
0
变压油
煤油 自来水 海水 过热水 饱和蒸汽 氟利昂22
100
100 100 100 100 100 100
60
60 100 138 150 60
500
500 100 一年 40 48 500
4.6
9.9 0 1.5 9.3 28 0
43
7. 应用
44
防弹头盔
（采用我国自行研制的芳纶纤维制造的）
45
6. Kevlar纤维或产品
46
法国新型第四代 “阵风”(Rafale)战斗机： 机身结构采用复合材料，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纤维复合材料。47
主要用于绳索、电 缆、涂漆织物、带 和带状物，以及防 弹背心等。 用于航空、
宇航、造船 ARAMID纤维主要包括两种牌号，并重改名称。 工业的复合 PRD--49--IV改称为芳纶--29； 材料制件。 PRD--49--III改称为芳纶--49；
41
6. 凯夫拉纤维的发展
凯夫拉（Kevlar）纤维国内发展 起步阶段：技术水平、产品档次及生产能力都与 国外发达国家存在着一定的差距。 产品种类： 轮胎帘子线 光缆补强件 艰难的原因 生产的技术瓶颈难以突破 大部分原料需要进口
27
4. 芳纶纤维的分子结构
总之，Kevlar纤维具有 强度高、弹性模量高、韧性 好和比重小等的优点，常于 碳纤维混杂，提高复合材料 的冲击韧性。 高聚物链呈伸展状态，形成棒状结构及高结晶度 纤维具有高模量 高聚物链的线性结构使分子间排列紧密 纤维具有高强度
纤维具有化学稳定性 苯环结构，高结晶度 高温尺寸的稳定性 分子链在纤维轴向高度定向，强共价键 纤维横向分子间氢键 纤维力学性能各向异性28
42
7. 芳纶及复合材料应用
玻璃纤维在许多塑料增强用途中逐渐被KEVLAR 49 所取代。
芳纶纤维的密度比玻璃纤维低43％。 此外，以相同重量计，KEVLAR 49是E-玻璃强度的 两倍半，韧度是三倍。
还有，用芳纶的复合材料比玻璃纤维复合材料更为耐 久，其抗损坏、疲劳、振动及防开裂传播的性能较优。 这就是KEVLAR 49复合材料能用于飞机和导弹以及 船艇和运动器材方面的原因。
29
几种增强纤维的比强度和比模量
30
芳纶与各种纤维性能比较 纤维名称 密度(g/cm3) 拉伸强度 初始拉伸模量(GPa) 延伸率(%) (MPa) Nomex 1.38 0.66 17.4 22 Kevlar 1.43~1.44 3.22 64.8 1.43~1.44 Kevlar-29 1.44 2.82 63.2 3.6 Kevlar-49 1.44 3.82 126.6 2.4 1.44 2.6~3.3 9~12 2~3.2 芳纶Ⅱ 1.465 2.8~3.4 15~16 1.8~2.2 芳纶Ⅰ 1.14 0.66~0.97 0.28~0.51 16~25 尼龙6 1.14 0.61~0.97 0.22~0.60 16~28 尼龙66 1.38 0.78~1.12 1.12~1.99 7~17 涤纶 0.90 0.24~0.66 0.15~0.33 20~80 丙纶 1.81 2.1 40 0.5 碳纤维M40 1.74 3.2 25 1.3 碳纤维T500 1.75 2.8 23 1.2 碳纤维T300 2.54 1.0~3.0 7 2.5~4 E玻璃纤维 2.54 3.0~3.4 8.3~8.5 高强2#玻璃纤维 3.9 3.5 38~40 0.5~0.8 硼纤维 1.4~1.8 38 0.4 氧化铝纤维
诞生于20世纪60年代末，芳香族聚酰胺类纤维的通称 特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度
冷战结束后，芳纶作为高技术含量的纤维材料大量用于
民用领域 。 与锦纶的不同：构成锦纶的高聚物大分子中连接酰胺基 的是脂肪链；芳香族聚酰胺纤维中连接酰胺基的是芳香环 或芳香环的衍生物。
4
2. 芳纶纤维的种类
总结
PPTA溶解于浓硫酸中在一定温度和浓度下形成的是向 列型液晶溶液，具有高浓度，低粘度性质，有利于纺丝
3. 芳纶纤维的制备
（3) 高聚物溶液的特性： 高聚物溶液不溶于一般的溶剂， 仅溶于强酸，如硫酸、氯酸、 硝酸等。一般用硫酸 高聚物溶液呈液晶高聚物的特 点。体积分数<12%，溶液呈 各向同性；体积分数>20%， 高取向的液晶，各向异性 聚合物体积分数18-22%，温度 90℃处于可纺性良好的低粘度 在浓H2SO4中的结构排列 区。
7. 芳纶纤维（凯夫拉）
1
对苯二胺
对苯二甲酰氯
O C
O H C N
H N n
聚对苯二甲酰对苯二胺
O C
H2N NH2 + ClO C
O C
H N
CO Cl NH
H N n
+ ClO C
H2N
2
HN
CO Cl
2
NH
O
聚间苯二甲酰间苯二胺
1. 芳纶纤维
弱氢键
强共价键
3
1. 芳纶纤维
全称：芳香族聚酰胺纤 维（Aramid fibers）
14
2）纺丝工艺
（1）工艺流程 聚合物PPTA
浓硫酸溶解
纺丝溶液
干湿法纺丝 水洗 干燥 Kevlar-29 热处理（550℃） N2 Kevlar-49
15
（2 ）纺丝溶液
PPTA在硫酸中处于各向异性的液晶态（呈一定取向态，易沿 外界作用力方向取向，具有高浓度低粘度的特点，利于纺丝）
PPTA浓硫酸溶液粘度浓度示意图
26
化学结构
结构: 长链状聚酰胺，至少 85%的酰胺直接键 合在芳香环上 优点： (1) 刚性伸直链芳环—— 高强度、高模量 (2) 线型分子链——分子链堆积 紧密，密度高，故强度高 (3) 大量的分子间氢键——耐化 学药品，且刚性伸直链苯 环结晶度高 缺点：横向强度低，压缩强 度和剪切性能不好、易 劈裂。
8
3. 芳纶纤维的制备
最具代表性：聚对苯二甲酰对苯二胺，简称PPTA 芳纶根据纤维大分子链节中酰胺键与亚胺键的位 置，有不同的名称，例如Kevlar29、Kevlar 49等。
9
3. 芳纶纤维的制备
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;
BF：高于500℃，强度下降非常明显。 KF：在空气中高温下长期使用温度为160℃； 短时间内暴露在300℃以上，强度几乎无损失。
34
芳纶细纱和粗纱的热性能
性能
在空气中高温下长期使用温度(℃) 分解温度(℃) 拉伸强度(MPa) 在室温下16个月 在50℃空气中2个月 在100 ℃空气中 在200 ℃空气中
17
（4）干喷湿纺工艺
Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(1)卧式
18
Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(2)立式
来自百度文库
19
3) 纺丝：采用干喷—湿法纺丝工艺
20
3. 芳纶纤维的制备
工艺过程： 各向异性的PPTA溶液通过喷丝孔抽伸时， 靠近细孔壁时产生剪切，当成丝凝结时，将保 持高取向分子结构，形成较高的洁净度和较高 的取向结构。
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。
10
简单流程图
第一阶段
11
第二阶段
12
3. 芳纶纤维的制备
1）聚合物的准备： 简称PPTA (固态)
（1）原料 对苯二甲酰氯 对苯二胺 溶剂 （2）缩聚反应
13
（3）操作方式和特点
方式名称 操作过程 方法特点
间隙缩聚 N2气保护下聚合物单体溶 设备利用率低 液在反应器中缩聚，除去产 限制大规模生产 物中的盐酸和溶剂 连续缩聚 聚合物成本低 气相缩聚 将对苯二胺和对苯二甲酰氯 不需要溶剂 及氮气在反应器中进行气相 产物纯度高 缩聚 纤维性能高
31
2） 物理性能
(1)有光，黄色，Kevlar49为深黄色 (2) 线密度：大部分13.7tex，直径0.012mm (3) 密度：大部分1.43-1.44g/cm3 锦纶1.14，聚酯1.38，碳纤维1.8 玻璃纤维2.25，钢丝7.8
32
3）热性能
具有良好的散热和绝热性能 在相同重量下，Kevlar纤维比玻璃纤维和石棉织物 具有较好的热绝缘性 具有极好的热稳定性，500℃以上降解 抗燃性能好，不产生后燃烧，不帮助燃烧，427 ℃ 炭化 尺寸稳定性好，具有非常低的热收缩
33
3）热性能
GF：软化点： 550～580 ℃； 200～250 ℃以下，GF强 度不变。热膨胀系数：48×10-6 ℃-1 CF： 高于1500℃，强度才开始下降。热膨胀系数：平 行于纤维方向：负值 -0.72～-0.90×10-6℃-1
垂直于纤维方向：正值 32～22×10-6℃-1
盐酸
盐酸
37
37
21
21
100
1000
72
88
63
81
氢氟酸
硝酸 硫酸 硫酸 氢氧化钠
10
10 10 10 28
21
21 21 21 21
100
100 100 1000 1000
10
79 9 59 9
6
77 12 31 7
36
化学试剂 浓度(%) 温度(℃) 丙酮
乙醇
时间(h) 1000
1000
强度损失(%) Kevlar-29 Kevlar-49