第二章3凱夫拉纖維

1、一、凱夫拉纖維的發(fā)展一、凱夫拉纖維的發(fā)展 也稱(chēng)也稱(chēng)KevlarKevlar或芳綸，即芳香族聚酰胺纖維或芳綸，即芳香族聚酰胺纖維1 1）19601960年，美國(guó)杜邦研制出年，美國(guó)杜邦研制出NomexNomex聚間聚間苯二甲酰間苯二胺纖維，即芳綸苯二甲酰間苯二胺纖維，即芳綸13131313，耐，耐熱纖維熱纖維2 2）19651965年，杜邦研制出年，杜邦研制出KevlarKevlar聚對(duì)苯二聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺纖維，即芳綸甲酰對(duì)苯二胺纖維，即芳綸14141414，高強(qiáng)高，高強(qiáng)高模量纖維模量纖維3 3）19741974年，美國(guó)聯(lián)邦通商委員會(huì)把全芳香族年，美國(guó)聯(lián)邦通商委員會(huì)把全芳香族聚酰胺命名為聚酰胺

2、命名為AramidAramid。一、凱夫拉纖維的發(fā)展一、凱夫拉纖維的發(fā)展 聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺商業(yè)名稱(chēng)：聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺商業(yè)名稱(chēng)： 美國(guó)Kevlar、日本帝人Technora、荷蘭阿克蘇Twaron、中國(guó)芳綸1414 聚間苯二甲酰間苯二胺 美國(guó)Nomex、日本帝人Conex、荷蘭阿克蘇Twaron 中國(guó)芳綸1313一、凱夫拉纖維的發(fā)展一、凱夫拉纖維的發(fā)展凱夫拉凱夫拉(Kevlar)(Kevlar)纖維國(guó)內(nèi)發(fā)展纖維國(guó)內(nèi)發(fā)展 起步階段：技術(shù)水平、產(chǎn)品檔次及生產(chǎn)能力都起步階段：技術(shù)水平、產(chǎn)品檔次及生產(chǎn)能力都與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在著一定的差距。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在著一定的差距。產(chǎn)品種類(lèi)：產(chǎn)品種類(lèi)： 輪胎

3、簾子線(xiàn)輪胎簾子線(xiàn) 光纜補(bǔ)強(qiáng)件光纜補(bǔ)強(qiáng)件艱難的原因艱難的原因 生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸難以突破生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸難以突破 大部分原料需要進(jìn)口大部分原料需要進(jìn)口Kevlar纖維或產(chǎn)品Kevlar纖維或產(chǎn)品Kevlar纖維或產(chǎn)品Kevlar纖維或產(chǎn)品Kevlar纖維或產(chǎn)品二、二、KevlarKevlar纖維的制造纖維的制造 芳香族聚酰胺是由酰胺鍵與兩個(gè)芳環(huán)連接而成芳香族聚酰胺是由酰胺鍵與兩個(gè)芳環(huán)連接而成的線(xiàn)性聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的的線(xiàn)性聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的首稱(chēng)聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺首稱(chēng)聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺(Polypphenylene terephthalamide)，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)PPTA。

4、 芳綸根據(jù)纖維大分子鏈節(jié)中酰胺鍵與亞胺鍵的芳綸根據(jù)纖維大分子鏈節(jié)中酰胺鍵與亞胺鍵的位置，有不同的名稱(chēng)，例如位置，有不同的名稱(chēng)，例如Kevlar29、Kevlar 49等。等。二、二、KevlarKevlar纖維的制造纖維的制造1.1.聚合物的準(zhǔn)備聚合物的準(zhǔn)備： 簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)PPTA (固態(tài))二、二、KevlarKevlar纖維的制造纖維的制造 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劑，僅溶于強(qiáng)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點(diǎn)。體積分?jǐn)?shù)20%,高取向的液晶,各向異性3）聚合物體積分?jǐn)?shù)18-22%，溫度90處于可紡性良好的低粘度區(qū)高聚物溶液

5、的特點(diǎn)二、二、KevlarKevlar纖維的制造纖維的制造 2. 2. 紡絲：采用紡絲：采用干噴干噴濕法濕法紡絲工藝紡絲工藝二、二、KevlarKevlar纖維的制造纖維的制造 工藝過(guò)程：工藝過(guò)程： 各向異性的各向異性的PPTAPPTA溶液通過(guò)噴絲孔抽伸時(shí)，溶液通過(guò)噴絲孔抽伸時(shí)，靠近細(xì)孔壁時(shí)產(chǎn)生剪切，當(dāng)成形絲凝結(jié)靠近細(xì)孔壁時(shí)產(chǎn)生剪切，當(dāng)成形絲凝結(jié)時(shí)，將保持高取向分子結(jié)構(gòu)，形成較高時(shí)，將保持高取向分子結(jié)構(gòu)，形成較高的潔凈度和較高的取向結(jié)構(gòu)。的潔凈度和較高的取向結(jié)構(gòu)。二、二、KevlarKevlar纖維的制造纖維的制造 凝固浴的溫度為凝固浴的溫度為0 -50 -5 中間空氣層間隙可使高溫紡絲噴絲頭

6、和中間空氣層間隙可使高溫紡絲噴絲頭和低溫凝固浴保持溫差，同時(shí)在空氣層中低溫凝固浴保持溫差，同時(shí)在空氣層中進(jìn)行適宜的噴頭拉伸，增加取向度進(jìn)行適宜的噴頭拉伸，增加取向度 紡絲速度可達(dá)紡絲速度可達(dá)2000m/min2000m/min三、三、KevlarKevlar纖維及其產(chǎn)品纖維及其產(chǎn)品1）Kevlar長(zhǎng)絲紗長(zhǎng)絲紗 美國(guó)杜邦美國(guó)杜邦：Kevlar、kevlar29、49、68、100、119、129、149 荷蘭阿克蘇荷蘭阿克蘇：Twaron1000、1010、1111、1055、1056 日本帝人日本帝人：Technora200、210、240三、三、KevlarKevlar纖維及其產(chǎn)品纖維及其產(chǎn)

7、品 Kevlar-簾子線(xiàn)、kevlar29-各種用途的紗、49-高模量紗、68-中模量紗、100-各種色紗、119-高伸長(zhǎng)紗、129-高強(qiáng)度紗、149-超高模量紗 Twaron1000-標(biāo)準(zhǔn)模量、1010-標(biāo)準(zhǔn)模量、1111-中等模量、1055-高模量、1056-高模量 Technora200-高強(qiáng)（增強(qiáng)基）、210-高強(qiáng)（繩索）、240-高強(qiáng)（機(jī)織、針織物）三、三、KevlarKevlar纖維及其產(chǎn)品纖維及其產(chǎn)品2. Kevlar色纖維4 4種基本顏色：灰綠色、品藍(lán)、黑色、黃色種基本顏色：灰綠色、品藍(lán)、黑色、黃色品種：長(zhǎng)絲和短纖維品種：長(zhǎng)絲和短纖維用途：制作防護(hù)服，如消防服、運(yùn)動(dòng)員手套用途：

8、制作防護(hù)服，如消防服、運(yùn)動(dòng)員手套等等性能：與性能：與Kevlar29Kevlar29類(lèi)似類(lèi)似三、三、KevlarKevlar纖維及其產(chǎn)品纖維及其產(chǎn)品3. Kevlar短纖維：短纖維：類(lèi)型：卷曲和無(wú)卷曲，長(zhǎng)度類(lèi)型：卷曲和無(wú)卷曲，長(zhǎng)度6.35-63.5mm用途：增強(qiáng)材料、替代石棉作離合器襯片、縫紉線(xiàn)用途：增強(qiáng)材料、替代石棉作離合器襯片、縫紉線(xiàn)4. Kevlar織物：長(zhǎng)絲可織成機(jī)織物織物：長(zhǎng)絲可織成機(jī)織物織物密度：輕薄、中厚織物密度：輕薄、中厚織物組織：平紋、緞紋、方平織物組織：平紋、緞紋、方平用途：復(fù)合材料、裝甲車(chē)、防彈服等用途：復(fù)合材料、裝甲車(chē)、防彈服等三、三、KevlarKevlar纖維及其產(chǎn)

9、品纖維及其產(chǎn)品5. 芳綸的漿粕化：芳綸的漿粕化： 近十多年來(lái)開(kāi)發(fā)的對(duì)位芳綸差別化產(chǎn)品，近十多年來(lái)開(kāi)發(fā)的對(duì)位芳綸差別化產(chǎn)品，是高分散性的原纖化芳綸產(chǎn)品是高分散性的原纖化芳綸產(chǎn)品 制造：長(zhǎng)絲切斷，在水中分散進(jìn)行機(jī)械制造：長(zhǎng)絲切斷，在水中分散進(jìn)行機(jī)械叩解和研磨，纖維被撕裂而原纖化叩解和研磨，纖維被撕裂而原纖化 用途：石棉的替代品用途：石棉的替代品四、凱夫拉纖維的性能四、凱夫拉纖維的性能 纖維的大分子剛性極佳，鏈纏結(jié)少纖維的大分子剛性極佳，鏈纏結(jié)少,取向度、取向度、結(jié)晶度高，分子鏈幾乎處于完全伸直狀態(tài)，這結(jié)晶度高，分子鏈幾乎處于完全伸直狀態(tài)，這種結(jié)構(gòu)使纖維表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、模量及熱穩(wěn)種結(jié)構(gòu)使纖維表現(xiàn)出

10、良好的強(qiáng)度、模量及熱穩(wěn)定性定性 。 纖維密度小，只有鋼絲的纖維密度小，只有鋼絲的15。 可耐可耐240高溫。高溫。 拉伸強(qiáng)度高，耐屈折、耐疲勞、耐腐蝕，膨拉伸強(qiáng)度高，耐屈折、耐疲勞、耐腐蝕，膨脹系數(shù)小。脹系數(shù)小。 是一種性能優(yōu)異的纖維。是一種性能優(yōu)異的纖維。四、凱夫拉纖維的性能四、凱夫拉纖維的性能1. 1. 物理性能：物理性能：(1)(1)有光，黃色，有光，黃色，Kevlar49Kevlar49為深黃色為深黃色(2)(2)線(xiàn)密度：大部分線(xiàn)密度：大部分13.7tex13.7tex，直徑，直徑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 錦綸錦綸1.141.14，聚酯，聚酯1.381.38，碳纖維，碳纖維1.81.8 玻璃纖維玻璃纖維2.252.25，鋼絲鋼絲7.87.8四、凱夫拉纖維的性能2.2.機(jī)械性能：機(jī)械性能：1 1）強(qiáng)伸性能：）強(qiáng)伸性能：比強(qiáng)度、比模量高比強(qiáng)度、比模量高, ,對(duì)溫度不敏感對(duì)溫度不敏感單絲強(qiáng)度：?jiǎn)谓z強(qiáng)度：22.9-26.5cN/dtex22.9-26.5cN/dtex捻系數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響：開(kāi)始隨捻度增加，強(qiáng)度增加，捻系數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響：開(kāi)始隨捻度增加，強(qiáng)度增加，并達(dá)到以最高值后，隨后下降。最佳捻系數(shù)并達(dá)到以最高值后，隨后下降。最佳捻系數(shù)1.11.1。自由長(zhǎng)度自由長(zhǎng)度：指纖維由于自身重量而斷

12、裂的長(zhǎng)度，它等：指纖維由于自身重量而斷裂的長(zhǎng)度，它等于強(qiáng)度于強(qiáng)度/ /密度。是鋼絲空氣中的密度。是鋼絲空氣中的7 7倍，海水中的倍，海水中的2626倍倍捻系數(shù)與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系溫度與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系凱夫拉纖維與鋼絲自由長(zhǎng)度的關(guān)系凱夫拉纖維與鋼絲自由長(zhǎng)度的關(guān)系鋼絲鋼絲610457305150 0 空氣中空氣中 海水中海水中凱夫拉49凱夫拉49幾種工業(yè)長(zhǎng)絲紗性能比較項(xiàng)目Kevlar49錦綸728聚酯68玻璃纖維E-HTS不銹鋼斷裂強(qiáng)度cN/dtex19.28.68.19.52.2模量cN/dtex861.948.4100.0270.4254.4斷裂伸長(zhǎng)%2.518.314.53.52.0密度g/cm3

13、1.441.141.382.557.86幾種纖維主要性能的比較幾種纖維主要性能的比較項(xiàng)目單位Kevlar29Kevlar49CarbonEGlass密度 抗張強(qiáng)度彈性模量斷裂伸長(zhǎng)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、凱夫拉纖維的性能2 2）壓縮性能：）壓縮性能：徑向和軸向具有較低的壓縮性徑向和軸向具有較低的壓縮性能，是由它的高結(jié)晶度和高取向度決定能，是由它的高結(jié)晶度和高取向度決定3 3）剪切性能：）剪切性能：較低，因?yàn)樗哂懈飨虍愋暂^低，因?yàn)樗哂懈飨虍愋岳鞆?qiáng)度拉伸強(qiáng)度/ /壓縮強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度/ /剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度/=5/17/=5/17，拉伸模，拉伸模量量/ /切變模量切變模量=70=704 4）耐磨性能：）耐磨性能：較低，纖維之間或纖維與金屬較低，纖維之間或纖維與金屬表面摩擦，纖維易原纖化表面摩擦，纖維易原纖化5 5）

15、疲勞性能疲勞性能：品種不同，耐疲勞性有區(qū)別：品種不同，耐疲勞性有區(qū)別Kevlar49拉伸、壓縮和剪切性能拉伸壓縮剪切斷裂強(qiáng)度cN/dtex斷裂應(yīng)變或屈服應(yīng)變%模量cN/dtex24.12.50898.64.60.50896.61.210.012.4各種纖維的扭轉(zhuǎn)切變模量纖維 切變模量GPa拉伸模量/切變模量纖維切變模量GPa拉伸模量/切變模量玻纖鋼錦綸丙綸聚酯0.33-0.480.750.852.02.85.8粘膠羊毛腈綸Kevlar490.84-1.21.301.0-1.61.808.23.270.0Kevlar纖維疲勞性能四、凱夫拉纖維的性能四、凱夫拉纖維的性能3. 3. 熱性能熱性能 具

16、有良好的散熱和絕熱性能具有良好的散熱和絕熱性能 在相同重量下，在相同重量下，KevlarKevlar纖維比玻璃纖維和石棉纖維比玻璃纖維和石棉織物具有較好的熱絕緣性織物具有較好的熱絕緣性 具有極好的熱穩(wěn)定性，具有極好的熱穩(wěn)定性，500500以上降解以上降解 抗燃性能好，不產(chǎn)生后燃燒，不幫助燃燒，抗燃性能好，不產(chǎn)生后燃燒，不幫助燃燒，427 427 炭化炭化 尺寸穩(wěn)定性好，具有非常低的熱收縮尺寸穩(wěn)定性好，具有非常低的熱收縮四、凱夫拉纖維的性能4. 化學(xué)性能化學(xué)性能： 氧化穩(wěn)定性好，有極好的穩(wěn)定性和很低的強(qiáng)度損氧化穩(wěn)定性好，有極好的穩(wěn)定性和很低的強(qiáng)度損失，在有氧環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間使用的最高溫度為失，在有

17、氧環(huán)境下，長(zhǎng)時(shí)間使用的最高溫度為150150度度 有良好的耐堿性，耐酸性好于錦綸，具有良好的有良好的耐堿性，耐酸性好于錦綸，具有良好的耐有機(jī)溶劑、漂白劑以及抗蟲(chóng)蛀和霉變，對(duì)橡膠耐有機(jī)溶劑、漂白劑以及抗蟲(chóng)蛀和霉變，對(duì)橡膠有良好的粘附性，但耐日曬和抗紫外線(xiàn)能力差有良好的粘附性，但耐日曬和抗紫外線(xiàn)能力差Kevlar49纖維比熱容溫度溫度/K/K比熱比熱kj/(kgK) 溫度溫度/K/K比熱比熱kj/(kgK)2733233734231220160019902360473523573262027402840Kevlar29、玻纖和石棉織物的導(dǎo)熱系數(shù)織物面密度g/m2厚度mmKJ/(m2s)溫速(/25

18、s)Kevlar29Kevlar29（3股）Kevlar29（氈）玻纖玻纖8股石棉333998917285228213860.762.162.670.302.162.2913.56.83.525.04.47.06030161111931有機(jī)纖維燃燒時(shí)放出的氣體有機(jī)纖維燃燒時(shí)放出的氣體CO2COC2H2C2H4CH4N2OHCNANNH3HClK49腈綸改性錦綸錦66羊毛聚酯18501300110012001100100050170110250120300510507612151517182510101045172030144050301750803.53520五、五、KevlarKevlar纖維的應(yīng)用纖維的應(yīng)用 由于芳綸纖維的獨(dú)特性能，使它在工業(yè)及軍事由于芳綸纖維的獨(dú)特性能，使它在工業(yè)及軍事上的應(yīng)用十分廣泛。在工業(yè)上可制作輪胎簾子上的應(yīng)用十分廣泛。在工業(yè)上可制作輪胎簾子線(xiàn)、高強(qiáng)度索具、耐壓容器等。在軍事方面如線(xiàn)、高強(qiáng)度索具、耐壓容器等。在軍事方面如制作防彈衣、頭盔、裝甲板等。芳綸纖維可用制作防彈衣、頭盔、裝甲板等。芳綸纖維可用做飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼；內(nèi)裝修材料和火箭發(fā)動(dòng)做飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼；內(nèi)裝修材料和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼。用以制作體育器材