凯夫拉纤维解析

7.芳纶纤维（凯夫拉）1ppt课件.第1页对苯二胺对苯二甲酰氯聚间苯二甲酰间苯二胺聚对苯二甲酰对苯二胺2ppt课件.第2页弱氢键强共价键1.芳纶纤维3ppt课件.第3页全称：芳香族聚酰胺纤维（Aramidfibers）诞生于20世纪60年代末，芳香族聚酰胺类纤维通称特点：高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低密度1.芳纶纤维

冷战结束后，芳纶作为高技术含量纤维材料大量用于民用领域。与锦纶不一样：组成锦纶高聚物大分子中连接酰胺基是脂肪链；芳香族聚酰胺纤维中连接酰胺基是芳香环或芳香环衍生物。4ppt课件.第4页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特点:

具有耐热性和阻燃性特点，在371℃熔融，并且伴有分解，可溶于5%LiCl二甲基乙酰胺中。美国商品名为Nomex，我国称为芳纶1313。强度、模量较低，不能用作构造复合材料（耐高温绝缘材料，耐高温蜂窝构造）2.芳纶纤维种类5ppt课件.第5页

杜邦Nomex绝缘纸6ppt课件.第6页聚对苯甲酰胺（聚对胺基苯甲酰）纤维

Poly（P-benzamide），简称PBA纤维。(2)对位芳香族聚酰胺纤维7ppt课件.第7页Poly（P-Phenleneterephthalamide）简称PPTA纤维Kevlar(3)聚对苯二甲酰对苯二胺纤维8ppt课件.第8页最具代表性：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位置，有不一样名称，例如Kevlar29、Kevlar49等。3.芳纶纤维制备9ppt课件.第9页Kevlar纤维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;第二阶段，将聚合体溶解在溶剂中再进行纺丝，制成所需要纤维材料。3.芳纶纤维制备10ppt课件.第10页简单流程图第一阶段11ppt课件.第11页第二阶段12ppt课件.第12页1）聚合物准备：简称PPTA(固态)3.芳纶纤维制备（1）原料对苯二甲酰氯对苯二胺溶剂（2）缩聚反应13ppt课件.第13页（3）操作方式和特点方式名称操作过程措施特点间隙缩聚N2气保护下聚合物单体溶液在反应器中缩聚，除去产物中盐酸和溶剂设备利用率低限制大规模生产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及氮气在反应器中进行气相缩聚不需要溶剂产物纯度高纤维性能高14ppt课件.第14页（1）工艺流程

聚合物PPTA2）纺丝工艺浓硫酸溶解纺丝溶液干湿法纺丝水洗干燥Kevlar-29热处理（550℃）N2Kevlar-4915ppt课件.第15页总结PPTA溶解于浓硫酸中在一定温度和浓度下形成是向列型液晶溶液，具有高浓度，低粘度性质，有助于纺丝PPTA浓硫酸溶液粘度-浓度示意图（2）纺丝溶液

PPTA在硫酸中处于各向异性液晶态（呈一定取向态，易沿外界作用力方向取向，具有高浓度低粘度特点，利于纺丝）16ppt课件.第16页（3)高聚物溶液特性：高聚物溶液不溶于一般溶剂，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特点。体积分数<12%，溶液呈各向同性；体积分数>20%，高取向液晶，各向异性聚合物体积分数18-22%，温度90℃处于可纺性良好低粘度区。3.芳纶纤维制备在浓H2SO4中构造排列17ppt课件.第17页

（4）干喷湿纺工艺Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(1)卧式18ppt课件.第18页Kelvlar纤维干喷湿纺示意图(2)立式19ppt课件.第19页

3)纺丝：采取干喷—湿法纺丝工艺20ppt课件.第20页工艺过程：各向异性PPTA溶液通过喷丝孔抽伸时，接近细孔壁时产生剪切，当成丝凝结时，将保持高取向分子构造，形成较高洁净度和较高取向构造。3.芳纶纤维制备21ppt课件.第21页凝固浴温度为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，同步在空气层中进行合适喷头拉伸，增加取向度纺丝速度可达2023m/min3.芳纶纤维制备22ppt课件.第22页4）热处理1）操作惰性气体,张力Kevlar-29Kevlar-49（结晶率94％）150~550℃分段热处理（结晶率96％）2）目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）23ppt课件.第23页5）Kevlar纤维制备工艺总括24ppt课件.第24页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）由纱织成单向带（4）Kevlar纤维布平纹斜纹缎纹25ppt课件.第25页PPTA化学构造特点是：

由苯环和酰胺基按一定规律有序排列组成。酰胺基位置接在苯环对位上。4.芳纶纤维分子构造26ppt课件.第26页构造:

长链状聚酰胺，最少

85%酰胺直接键合在芳香环上长处：(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)大量分子间氢键——耐化学药品，且刚性伸直链苯环结晶度高缺陷：横向强度低，压缩强度和剪切性能不好、易劈裂。化学构造27ppt课件.第27页4.芳纶纤维分子构造高聚物链呈伸展状态，形成棒状构造及高结晶度纤维具有高模量高聚物链线性构造使分子间排列紧密纤维具有化学稳定性高温尺寸稳定性苯环构造，高结晶度纤维具有高强度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

总之，Kevlar纤维具有强度高、弹性模量高、韧性好和比重小等长处，常于碳纤维混杂，提升复合材料冲击韧性。28ppt课件.第28页5.芳纶纤维性能1）力学性能：①拉伸强度：

Kevlar纤维拉伸强度约为E-glassfiber1.5倍。与CF拉伸强度相称或稍高。②拉伸模量：

Kevlar纤维拉伸模量仅次于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。29ppt课件.第29页几个增强纤维比强度和比模量30ppt课件.第30页芳纶与多种纤维性能比较纤维名称密度(g/cm3)拉伸强度(MPa)初始拉伸模量(GPa)延伸率(%)Nomex1.380.6617.422Kevlar1.43~1.443.2264.81.43~1.44Kevlar-291.442.8263.23.6Kevlar-491.443.82126.62.4芳纶Ⅱ1.442.6~3.39~122~3.2芳纶Ⅰ1.4652.8~3.415~161.8~2.2尼龙61.140.66~0.970.28~0.5116~25尼龙661.140.61~0.970.22~0.6016~28涤纶1.380.78~1.121.12~1.997~17丙纶0.900.24~0.660.15~0.3320~80碳纤维M401.812.1400.5碳纤维T5001.743.2251.3碳纤维T3001.752.8231.2E玻璃纤维2.541.0~3.072.5~4高强2#玻璃纤维2.543.0~3.48.3~8.5硼纤维3.93.538~400.5~0.8氧化铝纤维1.4~1.8380.431ppt课件.第31页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7.832ppt课件.第32页具有良好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热绝缘性具有极好热稳定性，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，具有非常低热收缩3）热性能33ppt课件.第33页GF：软化点：550～580℃；200～250℃下列，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℃-1BF：高于500℃，强度下降非常显著。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。3）热性能34ppt课件.第34页性能数据在空气中高温下长期使用温度(℃)160分解温度(℃)500拉伸强度(MPa)在室温下16个月无强度损失在50℃空气中2个月无强度损失在100℃空气中3170在200℃空气中2720拉伸模量(GPa)在室温下16个月无强度损失在50℃空气中2个月无强度损失芳纶细纱和粗纱热性能35ppt课件.第35页芳纶在多种化学药品中稳定性化学试剂浓度(%)温度(℃)时间(h)强度损失(%)Kevlar-29Kevlar-49醋酸99.721240盐酸37211007263盐酸372110008881氢氟酸1021100106硝酸10211007977硫酸1021100912硫酸102110005931氢氧化钠282110009736ppt课件.第36页化学试剂浓度(%)温度(℃)时间(h)强度损失(%)Kevlar-29Kevlar-49丙酮10021100031乙醇10021100010三氯乙烯10021241.5甲乙酮10021240变压油100605004.60煤油100605009.90自来水10010010002海水100一年1.51.5过热水100138409.3饱和蒸汽1001504828氟利昂221006050003.637ppt课件.第37页6.凯夫拉纤维发展38ppt课件.第38页6.凯夫拉纤维发展称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命名为Aramid。39ppt课件.第39页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商业名称：美国Nomex、日本帝人Conex、荷兰阿克苏Twaron中国芳纶13136.凯夫拉纤维发展40ppt课件.第40页ARAMID纤维主要包括两种牌号，并重更名称。PRD--49--IV改称为芳纶--29；PRD--49--III改称为芳纶--49；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、造船工业复合材料制件。6.凯夫拉纤维发展41ppt课件.第41页凯夫拉（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差距。产品种类：轮胎帘子线光缆补强件艰难原因生产技术瓶颈难以突破大部分原料需要进口6.凯夫拉纤维发展42ppt课件.第42页玻璃纤维在许多塑料增强用途中逐渐被KEVLAR49所取代。芳纶纤维密度比玻璃纤维低43％。另外，以相同重量计，KEVLAR49是E-玻璃强度两倍半，韧度是三倍。尚有，用芳纶复合材料比玻璃纤维复合材料更为耐久，其抗损坏、疲劳、振动及防开裂传输性能较优。这就是KEVLAR49复合材料能用于飞机和导弹以及船艇和运动器材方面原因。7.芳纶及复合材料应用43ppt课件.第43页7.应用44ppt课件.第44页防弹头盔（采取我国自行研制芳纶纤维制造）45ppt课件.第45页6.Kevlar纤维或产品46ppt课件.第46页

法国新型第四代“阵风”(Rafale)战斗机：机身构造采取复合材料，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。47ppt课件.第47页Kevlar纤维浸渍环氧树脂缠绕美国核潜艇“三叉戟”c4潜地导弹固体火箭发动机壳体。(1)航空航天领域法国、德国多功能武装直升机1）先进复合材料

7.芳纶及复合材料应用48ppt课件.第48页(1)硬质防弹装甲板芳纶复合材料板、芳纶与金属复合装甲板以及芳纶与陶瓷复合装甲板已广泛用于防弹装甲车、防弹运炒车、直升飞机防弹板、战舰装甲防护板。可用作防弹头盔。(2)软质防弹背心第一代防弹芳纶是Kevlar-29和Twaron-1000，第二代防弹芳纶是Kevlar-129和TwaronCT-2023；最新软质防弹背心材料是由高档防弹芳纶无纬布与高性能聚乙烯薄膜制成柔性片材组合而成软质防弹材料，比超高分子量聚乙烯纤维防弹性能和耐热性更加好。2．防弹制品

49ppt课件.第49页

芳纶可用作航空航天降落伞绳、舰船及码头用缆绳、海上油田用支撑绳、深海系留绳等。也可用作光纤通讯电缆加强件和复合材料芯杆。

3．缆绳方面应用50ppt课件.第50页4．应用于特种防护服装芳纶高圈布高温防割手套赛车服51ppt课件.第51页7.应用在工业上可制作轮胎帘子线、高强度索具、耐压容器等。在军事方面如制作防弹衣、头盔、装甲板等。芳纶纤维可用做飞机机身、机翼；内装修材料和火箭发动机外壳。用以制作体育器材，从主线上变化了器材性能，如高尔夫球杆、冰球杆、网球拍、滑雪板、赛艇、赛车等。52ppt课件.第52页缆绳类：升降机吊索、快艇绳索编织线绳类：耐热缝线、发热线编织带类：耐热带、安全带、运输带织物：篷布、耐热帆布、降落伞用布（1)产业用纺织品53ppt课件.第53页防弹衣：防弹背心、防弹头盔切割防护：安全手套、运动衣等防腐蚀：工作防护服（2）防护服54ppt课件.第54页轮胎运力带胶管复合材料（3）增强材料4)石棉替代品摩擦材料：刹车垫片、离合器衬垫密封材料：密封垫片、气缸垫工业用纸：耐热绝缘纸、工业特种用纸55ppt课件.第55页建筑材料：地基屋顶材料补强材料：钢筋替代材料（5)水泥补强56ppt课件.第56页7.应用

芳纶纤维在各行业应用57ppt课件.第57页8表面处理1）物理改性包括等离子体改性；

射线辐射；超声浸渍改性技术等。

等离子体改性：等离子体种类：氩气（Ar）、N2等惰性气体，O2、NH3等。等离子体处理后：纤维表面刻蚀，粗糙度增加。e.g:

氨气(NH3)气氛中等离子体处理5min后，复合材料层间剪切强度和韧性分别提升60％和50％。

58ppt课件.第58页2）化学处理a.硝化处理

采取硝化剂对Kevlar纤维进行改性。

主要以HNO3为主如：HNO3/H2SO4NH4NO3/TFA(三氟乙酸)NH4NO3/TCA(三氯乙酸)

并且还需要合适溶剂，如：乙酸酐/乙酸；三氟乙酸酐/三氯