第二章3凯夫拉纤维

1、一、凯夫拉纤维的发展一、凯夫拉纤维的发展 也称也称KevlarKevlar或芳纶，即芳香族聚酰胺纤维或芳纶，即芳香族聚酰胺纤维1 1）19601960年，美国杜邦研制出年，美国杜邦研制出NomexNomex聚间聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，即芳纶苯二甲酰间苯二胺纤维，即芳纶13131313，耐，耐热纤维热纤维2 2）19651965年，杜邦研制出年，杜邦研制出KevlarKevlar聚对苯二聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，即芳纶甲酰对苯二胺纤维，即芳纶14141414，高强高，高强高模量纤维模量纤维3 3）19741974年，美国联邦通商委员会把全芳香族年，美国联邦通商委员会把全芳香族聚酰胺命名为聚酰胺

2、命名为AramidAramid。一、凯夫拉纤维的发展一、凯夫拉纤维的发展 聚对苯二甲酰对苯二胺商业名称：聚对苯二甲酰对苯二胺商业名称： 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 美国Nomex、日本帝人Conex、荷兰阿克苏Twaron 中国芳纶1313一、凯夫拉纤维的发展一、凯夫拉纤维的发展凯夫拉凯夫拉(Kevlar)(Kevlar)纤维国内发展纤维国内发展 起步阶段：技术水平、产品档次及生产能力都起步阶段：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。与国外发达国家存在着一定的差距。产品种类：产品种类： 轮胎

3、帘子线轮胎帘子线 光缆补强件光缆补强件艰难的原因艰难的原因 生产的技术瓶颈难以突破生产的技术瓶颈难以突破 大部分原料需要进口大部分原料需要进口Kevlar纤维或产品Kevlar纤维或产品Kevlar纤维或产品Kevlar纤维或产品Kevlar纤维或产品二、二、KevlarKevlar纤维的制造纤维的制造 芳香族聚酰胺是由酰胺键与两个芳环连接而成芳香族聚酰胺是由酰胺键与两个芳环连接而成的线性聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的的线性聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的首称聚对苯二甲酰对苯二胺首称聚对苯二甲酰对苯二胺(Polypphenylene terephthalamide)，简称，简称PPTA。

4、 芳纶根据纤维大分子链节中酰胺键与亚胺键的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，例如位置，有不同的名称，例如Kevlar29、Kevlar 49等。等。二、二、KevlarKevlar纤维的制造纤维的制造1.1.聚合物的准备聚合物的准备： 简称简称PPTA (固态)二、二、KevlarKevlar纤维的制造纤维的制造 高聚物溶液的特性：高聚物溶液的特性：1）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2）高聚物溶液呈液晶高聚物的特点。体积分数20%,高取向的液晶,各向异性3）聚合物体积分数18-22%，温度90处于可纺性良好的低粘度区高聚物溶液

5、的特点二、二、KevlarKevlar纤维的制造纤维的制造 2. 2. 纺丝：采用纺丝：采用干喷干喷湿法湿法纺丝工艺纺丝工艺二、二、KevlarKevlar纤维的制造纤维的制造 工艺过程：工艺过程： 各向异性的各向异性的PPTAPPTA溶液通过喷丝孔抽伸时，溶液通过喷丝孔抽伸时，靠近细孔壁时产生剪切，当成形丝凝结靠近细孔壁时产生剪切，当成形丝凝结时，将保持高取向分子结构，形成较高时，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。的洁净度和较高的取向结构。二、二、KevlarKevlar纤维的制造纤维的制造 凝固浴的温度为凝固浴的温度为0 -50 -5 中间空气层间隙可使高温纺丝喷丝头

6、和中间空气层间隙可使高温纺丝喷丝头和低温凝固浴保持温差，同时在空气层中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，增加取向度进行适宜的喷头拉伸，增加取向度 纺丝速度可达纺丝速度可达2000m/min2000m/min三、三、KevlarKevlar纤维及其产品纤维及其产品1）Kevlar长丝纱长丝纱 美国杜邦美国杜邦：Kevlar、kevlar29、49、68、100、119、129、149 荷兰阿克苏荷兰阿克苏：Twaron1000、1010、1111、1055、1056 日本帝人日本帝人：Technora200、210、240三、三、KevlarKevlar纤维及其产品纤维及其产

7、品 Kevlar-帘子线、kevlar29-各种用途的纱、49-高模量纱、68-中模量纱、100-各种色纱、119-高伸长纱、129-高强度纱、149-超高模量纱 Twaron1000-标准模量、1010-标准模量、1111-中等模量、1055-高模量、1056-高模量 Technora200-高强（增强基）、210-高强（绳索）、240-高强（机织、针织物）三、三、KevlarKevlar纤维及其产品纤维及其产品2. Kevlar色纤维4 4种基本颜色：灰绿色、品蓝、黑色、黄色种基本颜色：灰绿色、品蓝、黑色、黄色品种：长丝和短纤维品种：长丝和短纤维用途：制作防护服，如消防服、运动员手套用途：

8、制作防护服，如消防服、运动员手套等等性能：与性能：与Kevlar29Kevlar29类似类似三、三、KevlarKevlar纤维及其产品纤维及其产品3. Kevlar短纤维：短纤维：类型：卷曲和无卷曲，长度类型：卷曲和无卷曲，长度6.35-63.5mm用途：增强材料、替代石棉作离合器衬片、缝纫线用途：增强材料、替代石棉作离合器衬片、缝纫线4. Kevlar织物：长丝可织成机织物织物：长丝可织成机织物织物密度：轻薄、中厚织物密度：轻薄、中厚织物组织：平纹、缎纹、方平织物组织：平纹、缎纹、方平用途：复合材料、装甲车、防弹服等用途：复合材料、装甲车、防弹服等三、三、KevlarKevlar纤维及其产

9、品纤维及其产品5. 芳纶的浆粕化：芳纶的浆粕化： 近十多年来开发的对位芳纶差别化产品，近十多年来开发的对位芳纶差别化产品，是高分散性的原纤化芳纶产品是高分散性的原纤化芳纶产品 制造：长丝切断，在水中分散进行机械制造：长丝切断，在水中分散进行机械叩解和研磨，纤维被撕裂而原纤化叩解和研磨，纤维被撕裂而原纤化 用途：石棉的替代品用途：石棉的替代品四、凯夫拉纤维的性能四、凯夫拉纤维的性能 纤维的大分子刚性极佳，链缠结少纤维的大分子刚性极佳，链缠结少,取向度、取向度、结晶度高，分子链几乎处于完全伸直状态，这结晶度高，分子链几乎处于完全伸直状态，这种结构使纤维表现出良好的强度、模量及热稳种结构使纤维表现出

10、良好的强度、模量及热稳定性定性 。 纤维密度小，只有钢丝的纤维密度小，只有钢丝的15。 可耐可耐240高温。高温。 拉伸强度高，耐屈折、耐疲劳、耐腐蚀，膨拉伸强度高，耐屈折、耐疲劳、耐腐蚀，膨胀系数小。胀系数小。 是一种性能优异的纤维。是一种性能优异的纤维。四、凯夫拉纤维的性能四、凯夫拉纤维的性能1. 1. 物理性能：物理性能：(1)(1)有光，黄色，有光，黄色，Kevlar49Kevlar49为深黄色为深黄色(2)(2)线密度：大部分线密度：大部分13.7tex13.7tex，直径，直径0.012mm0.012mm(3)(3)密度：大部分密度：大部分1.43-1.44g/cm1.43-1.4

11、4g/cm3 3 锦纶锦纶1.141.14，聚酯，聚酯1.381.38，碳纤维，碳纤维1.81.8 玻璃纤维玻璃纤维2.252.25，钢丝钢丝7.87.8四、凯夫拉纤维的性能2.2.机械性能：机械性能：1 1）强伸性能：）强伸性能：比强度、比模量高比强度、比模量高, ,对温度不敏感对温度不敏感单丝强度：单丝强度：22.9-26.5cN/dtex22.9-26.5cN/dtex捻系数对强度的影响：开始随捻度增加，强度增加，捻系数对强度的影响：开始随捻度增加，强度增加，并达到以最高值后，随后下降。最佳捻系数并达到以最高值后，随后下降。最佳捻系数1.11.1。自由长度自由长度：指纤维由于自身重量而断

12、裂的长度，它等：指纤维由于自身重量而断裂的长度，它等于强度于强度/ /密度。是钢丝空气中的密度。是钢丝空气中的7 7倍，海水中的倍，海水中的2626倍倍捻系数与拉伸强度的关系温度与拉伸强度的关系凯夫拉纤维与钢丝自由长度的关系凯夫拉纤维与钢丝自由长度的关系钢丝钢丝610457305150 0 空气中空气中 海水中海水中凯夫拉49凯夫拉49几种工业长丝纱性能比较项目Kevlar49锦纶728聚酯68玻璃纤维E-HTS不锈钢断裂强度cN/dtex19.28.68.19.52.2模量cN/dtex861.948.4100.0270.4254.4断裂伸长%2.518.314.53.52.0密度g/cm3

13、1.441.141.382.557.86几种纤维主要性能的比较几种纤维主要性能的比较项目单位Kevlar29Kevlar49CarbonEGlass密度 抗张强度弹性模量断裂伸长g/cm3 MPaGPa%1.442.76623.81.452.761312.41.803.652351.32.541.52694.0fiber modulus (Gpa)fiber strain (%)1234124E-glass (350 ksi)Aramid (500 ksi) Carbon (600 ksi)fiber modulus (Gpa)fiber strain (%)1234124E-glass (3

14、50 ksi)Aramid (500 ksi) Carbon (600 ksi)四、凯夫拉纤维的性能2 2）压缩性能：）压缩性能：径向和轴向具有较低的压缩性径向和轴向具有较低的压缩性能，是由它的高结晶度和高取向度决定能，是由它的高结晶度和高取向度决定3 3）剪切性能：）剪切性能：较低，因为它具有各向异性较低，因为它具有各向异性拉伸强度拉伸强度/ /压缩强度压缩强度/ /剪切强度剪切强度/=5/17/=5/17，拉伸模，拉伸模量量/ /切变模量切变模量=70=704 4）耐磨性能：）耐磨性能：较低，纤维之间或纤维与金属较低，纤维之间或纤维与金属表面摩擦，纤维易原纤化表面摩擦，纤维易原纤化5 5）

15、疲劳性能疲劳性能：品种不同，耐疲劳性有区别：品种不同，耐疲劳性有区别Kevlar49拉伸、压缩和剪切性能拉伸压缩剪切断裂强度cN/dtex断裂应变或屈服应变%模量cN/dtex24.12.50898.64.60.50896.61.210.012.4各种纤维的扭转切变模量纤维 切变模量GPa拉伸模量/切变模量纤维切变模量GPa拉伸模量/切变模量玻纤钢锦纶丙纶聚酯0.33-0.480.750.852.02.85.8粘胶羊毛腈纶Kevlar490.84-1.21.301.0-1.61.808.23.270.0Kevlar纤维疲劳性能四、凯夫拉纤维的性能四、凯夫拉纤维的性能3. 3. 热性能热性能 具

16、有良好的散热和绝热性能具有良好的散热和绝热性能 在相同重量下，在相同重量下，KevlarKevlar纤维比玻璃纤维和石棉纤维比玻璃纤维和石棉织物具有较好的热绝缘性织物具有较好的热绝缘性 具有极好的热稳定性，具有极好的热稳定性，500500以上降解以上降解 抗燃性能好，不产生后燃烧，不帮助燃烧，抗燃性能好，不产生后燃烧，不帮助燃烧，427 427 炭化炭化 尺寸稳定性好，具有非常低的热收缩尺寸稳定性好，具有非常低的热收缩四、凯夫拉纤维的性能4. 化学性能化学性能： 氧化稳定性好，有极好的稳定性和很低的强度损氧化稳定性好，有极好的稳定性和很低的强度损失，在有氧环境下，长时间使用的最高温度为失，在有

17、氧环境下，长时间使用的最高温度为150150度度 有良好的耐碱性，耐酸性好于锦纶，具有良好的有良好的耐碱性，耐酸性好于锦纶，具有良好的耐有机溶剂、漂白剂以及抗虫蛀和霉变，对橡胶耐有机溶剂、漂白剂以及抗虫蛀和霉变，对橡胶有良好的粘附性，但耐日晒和抗紫外线能力差有良好的粘附性，但耐日晒和抗紫外线能力差Kevlar49纤维比热容温度温度/K/K比热比热kj/(kgK) 温度温度/K/K比热比热kj/(kgK)2733233734231220160019902360473523573262027402840Kevlar29、玻纤和石棉织物的导热系数织物面密度g/m2厚度mmKJ/(m2s)温速(/25

18、s)Kevlar29Kevlar29（3股）Kevlar29（毡）玻纤玻纤8股石棉333998917285228213860.762.162.670.302.162.2913.56.83.525.04.47.06030161111931有机纤维燃烧时放出的气体有机纤维燃烧时放出的气体CO2COC2H2C2H4CH4N2OHCNANNH3HClK49腈纶改性锦纶锦66羊毛聚酯18501300110012001100100050170110250120300510507612151517182510101045172030144050301750803.53520五、五、KevlarKevlar纤维的应用纤维的应用 由于芳纶纤维的独特性能，使它在工业及军事由于芳纶纤维的独特性能，使它在工业及军事上的应用十分广泛。在工业上可制作轮胎帘子上的应用十分广泛。在工业上可制作轮胎帘子线、高强度索具、耐压容器等。在军事方面如线、高强度索具、耐压容器等。在军事方面如制作防弹衣、头盔、装甲板等。芳纶纤维可用制作防弹衣、头盔、装甲板等。芳纶纤维可用做飞机的机身、机翼；内装修材料和火箭发动做飞机的机身、机翼；内装修材料和火箭发动机外壳。用以制作体育器材