第九章-高性能纤维课件.ppt

1、第九章第九章 高性能纤维高性能纤维第一节第一节 概述概述什么是高性能纤维？什么是高性能纤维？高性能纤维是近些年来纤维高分子材料领域发展高性能纤维是近些年来纤维高分子材料领域发展迅速的一类迅速的一类特种纤维特种纤维，它是具有高强度、高模量、耐，它是具有高强度、高模量、耐高温、耐气候、耐化学试剂等所谓高温、耐气候、耐化学试剂等所谓高物性纤维的统称高物性纤维的统称。高性能纤维是国防建设和国民经济发展的重要材高性能纤维是国防建设和国民经济发展的重要材料。料。高强高模型高强高模型碳纤维、芳纶碳纤维、芳纶1414、高强高模聚乙烯纤维。、高强高模聚乙烯纤维。耐高温型耐高温型 芳纶芳纶1313、芳砜纶、聚苯硫

2、醚纤维（、芳砜纶、聚苯硫醚纤维（PPS）、玄）、玄武岩纤维等。武岩纤维等。国外高性能纤维产业近年来发展迅速。国外高性能纤维产业近年来发展迅速。n芳纶芳纶：2005年全世界总产能是年全世界总产能是4.6万吨，而万吨，而2007年则达到了年则达到了5.4万吨，增长了万吨，增长了39。n碳纤维碳纤维：2005年全世界总产能是年全世界总产能是3.5万吨，而万吨，而2007年是年是5.1万吨，增长了万吨，增长了46。n高强高模聚乙烯纤维高强高模聚乙烯纤维：2005年全世界总产能年全世界总产能是是6500吨，吨，2007年达到了年达到了1.1万吨，增长了万吨，增长了69（已含我国）。（已含我国）。n现全世

3、界高性能纤维的总产能约现全世界高性能纤维的总产能约20万吨，万吨，虽然虽然只占化纤总产能的只占化纤总产能的0.5%，但它的战略意义、，但它的战略意义、重要性以及销售额和利润都是极大的。重要性以及销售额和利润都是极大的。 发展迅速的主要原因：发展迅速的主要原因：1.政治和军事方面政治和军事方面中东战乱及国际形势在一些地方趋于紧张，中东战乱及国际形势在一些地方趋于紧张，有关各国纷纷战备，使高性能纤维材料的需求有关各国纷纷战备，使高性能纤维材料的需求量激增，用于作战飞机、火箭、导弹、装甲防量激增，用于作战飞机、火箭、导弹、装甲防护材料等领域。护材料等领域。 2.在工业应用方面在工业应用方面对新材料需

4、求增加，高性能纤维的复合材对新材料需求增加，高性能纤维的复合材料在飞机、能源、建筑、环保、海洋产业等的料在飞机、能源、建筑、环保、海洋产业等的应用迅速增长。在运动休闲器材方面也在增加。应用迅速增长。在运动休闲器材方面也在增加。 高性能纤维高性能纤维在国防领域的应用在国防领域的应用（导弹、火箭、卫星、士兵防护、装甲防护、战斗机、舰艇等）（导弹、火箭、卫星、士兵防护、装甲防护、战斗机、舰艇等）高性能纤维高性能纤维在国民经济领域的应用在国民经济领域的应用（航空、风能发电、汽车轻量、海洋产业、环保、建筑、工业器材等）（航空、风能发电、汽车轻量、海洋产业、环保、建筑、工业器材等） 第二节第二节 碳纤维碳

5、纤维一、碳纤维概念一、碳纤维概念q是一种强度比钢大（重量是钢铁的是一种强度比钢大（重量是钢铁的1/41/4而强度是其而强度是其1010倍）、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热倍）、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维是一种纤维状碳材料。碳纤维是一种纤维状碳材料。由有机纤维由有机纤维或低分子烃气体原料在惰性气氛中经高温或低分子烃气体原料在惰性气氛中经高温（1500C）碳化而成的纤维状碳化合物，其）碳化而成的纤维状碳化合物，其碳含量在碳含量

6、在90%以上。以上。碳纤维是一种碳纤维是一种性能优异、应用广泛的新材料，性能优异、应用广泛的新材料，号称号称“材料之王材料之王”碳纤维的优点：碳纤维的优点：强度和模量高、密度小；强度和模量高、密度小；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值；具有很好的耐酸性；热膨胀系数小，甚至为负值；具有很好的耐高温蠕变性能，一般在具有很好的耐高温蠕变性能，一般在19001900以上才呈以上才呈现出永久塑性变形；现出永久塑性变形；摩擦系数小、润滑性好、导电性高；摩擦系数小、润滑性好、导电性高；具有纤维般的柔曲性，比强度和比模量超过一般的增具有纤维般的柔曲性，比强度和比模量超过一般的增强纤维；强纤维；它和树脂

7、形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝它和树脂形成的复合材料的比强度和比模量比钢和铝合金还高合金还高3 3倍。倍。碳纤维的缺点：碳纤维的缺点：价格昂贵价格昂贵，比玻璃纤维贵，比玻璃纤维贵25倍以上。倍以上。抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成抗氧化能力较差，在高温下有氧存在时会生成二氧化碳。二氧化碳。20世纪世纪50年代，美国研发大型火箭和人造年代，美国研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材卫星以及全面提升飞机性能，急需新型结构材料及耐腐蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料料及耐腐蚀材料，使碳纤维重新出现在新材料的舞台上，并逐步形成了黏胶基碳纤维、聚丙的舞台上，并逐步形成了

8、黏胶基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维的三大原料体系。二、碳纤维的制造方法二、碳纤维的制造方法气相法气相法在惰性气氛中将小分子有机物（如烃或芳在惰性气氛中将小分子有机物（如烃或芳烃等）在高温下沉积成纤维。此法用于制造晶烃等）在高温下沉积成纤维。此法用于制造晶须或短纤维，不能用于制造长丝。须或短纤维，不能用于制造长丝。有机纤维碳化法有机纤维碳化法将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤维，然后再在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化，然后再在惰性气氛中于高温下进行焙烧碳化，使有机纤维失去部分碳和其他非碳原子，形成使有机纤维

9、失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维状物以碳为主要成分的纤维状物。此法用于制造连。此法用于制造连续长丝。续长丝。聚丙烯腈（聚丙烯腈（PAN）基碳纤维）基碳纤维PAN原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：原丝制备碳纤维的过程分为三个阶段：n预氧化预氧化：200300的氧化气氛中，原丝受张力情况的氧化气氛中，原丝受张力情况下进行。下进行。PAN基碳纤维制备过程中化学反应示意图基碳纤维制备过程中化学反应示意图PAN原丝原丝进行预氧化处理的原因：进行预氧化处理的原因：PAN的的Tg低于低于100，分解前会软化熔融，不能直接，分解前会软化熔融，不能直接在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化

10、处理，使在惰性气体中进行碳化。先在空气中进行预氧化处理，使PAN的结构转化为稳定的的结构转化为稳定的梯形六元环结构梯形六元环结构，就不易熔融。，就不易熔融。另外，当加热足够长的时间，将产生纤维吸氧作用，形成另外，当加热足够长的时间，将产生纤维吸氧作用，形成PAN纤维分子间的化学键合。纤维分子间的化学键合。碳化：碳化：在在4001900的惰性气氛中进行，碳纤维生成的的惰性气氛中进行，碳纤维生成的主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等主要阶段。除去大量的氮、氢、氧等非碳元素，改变了原非碳元素，改变了原PAN纤维的结构，纤维的结构，形成了碳纤维。碳化收率形成了碳纤维。碳化收率4045，含碳量含碳量95%左

11、右。左右。碳化后的碳化后的PAN纤维纤维石墨化石墨化在在25003000的温度下，密封装置，施加压的温度下，密封装置，施加压力，在保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向力，在保护气体中进行。目的是使纤维中的结晶碳向石墨晶体石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小以提高碳纤维的弹性模量。以提高碳纤维的弹性模量。碳纤维的表面处理碳纤维的表面处理目的：提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体目的：提高碳纤维增强复合材料中碳纤维与基体的结合强度。的结合强度。途径：清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或刻途径：清除表面杂质；在纤维表面形成微孔或刻蚀沟槽，从类石墨层面

12、改性成碳状结构以增加表面能；蚀沟槽，从类石墨层面改性成碳状结构以增加表面能；引进具有极性或反应性官能团；形成能与树脂起作用引进具有极性或反应性官能团；形成能与树脂起作用的中间层。的中间层。碳纤维的结构模型碳纤维的结构模型Polymer Matrix Composites，PMC 普通型普通型 高强度型高强度型 高弹性模量型高弹性模量型 生产聚丙烯腈基碳纤维不采用民用腈纶，生产聚丙烯腈基碳纤维不采用民用腈纶，而是采用特殊组分且性能优良的而是采用特殊组分且性能优良的专用专用PAN基纤基纤维维。PAN原丝经一系列热处理后，由有机合成原丝经一系列热处理后，由有机合成纤维转化为含碳量在纤维转化为含碳量在

13、92以上的无机碳纤维。以上的无机碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维是力学性能最佳、应用聚丙烯腈基碳纤维是力学性能最佳、应用面最广、需求量最大、发展最快的碳纤维面最广、需求量最大、发展最快的碳纤维。沥青基碳纤维沥青基碳纤维分为两大类：一类是分为两大类：一类是通用级通用级，由各向同性，由各向同性沥青制造纤维；另一类是沥青制造纤维；另一类是高性能级高性能级，由各向异，由各向异性中间相沥青制造纤维。以沥青纤维为原料时性中间相沥青制造纤维。以沥青纤维为原料时碳化得率高达碳化得率高达 8090成本最低是正成本最低是正在发展的品种。在发展的品种。沥青基碳纤维制备工艺示意图沥青基碳纤维制备工艺示意图沥青基碳纤维制备过程

14、中化学反应示意图粘胶基碳纤维粘胶基碳纤维三、碳纤维的分类三、碳纤维的分类n根据使用要求和热处理温度的不同碳纤维分根据使用要求和热处理温度的不同碳纤维分为为耐燃纤维碳纤维和石墨纤维耐燃纤维碳纤维和石墨纤维。例如。例如 300350 热处理时得耐燃纤维热处理时得耐燃纤维10001500 热处理时得碳纤维含碳量为热处理时得碳纤维含碳量为 9095碳碳纤维经纤维经 2000以上高温处理可以制得石墨纤以上高温处理可以制得石墨纤维含碳量高达维含碳量高达 99以上。以上。 n按力学性能可将碳纤维分成按力学性能可将碳纤维分成高强度碳纤维、高高强度碳纤维、高模量碳纤维和普通碳纤维。模量碳纤维和普通碳纤维。四、碳

15、纤维的用途四、碳纤维的用途航天工业航天工业 用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻用作导弹防热及结构材料如火箭喷管、鼻锥、大面积防热层；航天飞机机头，机翼前缘锥、大面积防热层；航天飞机机头，机翼前缘和舱门等制件。和舱门等制件。大推力、高涵道比大推力、高涵道比涡扇发动机涡扇发动机大量运用了大量运用了复合材复合材料料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星卫星构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件。火箭结合部件。哈勃太空望远镜哈勃太空望远镜的测量构架，的测量构架，太阳能电池板和无线电天线。太阳能电池板和无线电天线。 CFRP在空间站

16、大型结构在空间站大型结构以及太阳能电池支架中的应用以及太阳能电池支架中的应用碳纤维制卫星天线碳纤维制卫星天线空间工作站空间工作站碳纤维碳纤维/环氧树脂环氧树脂碳纤维碳纤维/芳纶芳纶/环氧树脂环氧树脂玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料芳纶芳纶/杜邦聚酰胺杜邦聚酰胺芳纶芳纶/泡沫芯板泡沫芯板碳碳纤维纤维/杜邦聚酰胺杜邦聚酰胺航空工业航空工业 用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力用作主承力结构材料，如主翼、尾翼和机体；次承力构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整构件，如方向舵、起落架、副翼、扰流板、发动机舱、整流罩及座板等，此外还有流罩及座板等，此外还有C/C刹车片刹车片。机身材

17、料的机身材料的50为为碳纤维复合材料碳纤维复合材料美国美国B-2B-2隐形轰炸机隐形轰炸机除主体结构是除主体结构是钛复合材料钛复合材料外，其它部分均由外，其它部分均由碳纤碳纤维维和和石墨石墨等等复合材料复合材料构成，构成，不易反射不易反射，表面具有良好的吸波性能。表面具有良好的吸波性能。目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的目前商用飞机上复合材料仅占全机重量的50%，而，而某些直升机早已达到某些直升机早已达到90%。荷兰计划研发新型荷兰计划研发新型绿色环保飞机绿色环保飞机，外形将酷似飞碟，另一个设想就是使用外形将酷似飞碟，另一个设想就是使用复合材料，如复合材料，如纤维增强塑料纤维增强塑料。这种复

18、合材料强度可与金属媲美，而重量却比金。这种复合材料强度可与金属媲美，而重量却比金属轻得多，因此可以节省燃油。属轻得多，因此可以节省燃油。中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题题国防军工国防军工复合材料军用吉普车复合材料军用吉普车玻璃纤维玻璃纤维/碳纤维碳纤维增强树脂、增强树脂、美洲轻木、泡沫美洲轻木、泡沫交通运输交通运输 用作用作汽车传动轴汽车传动轴、板簧、构架和刹车片等、板簧、构架和刹车片等制件；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田制件；海底电缆、潜水艇、雷达罩、深海油田的升降器和管道。的升降器和管道。 C/C作为刹车盘作为刹车盘超级跑车（大量应用碳

19、纤维复合材料）超级跑车（大量应用碳纤维复合材料）船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、船舶和海洋工程用作制造渔船、鱼雷快艇、快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体快艇和巡逻艇，以及赛艇的桅杆、航杆、壳体及划水浆；及划水浆；风力发电叶片风力发电叶片目前风力发电叶片用碳纤维基本为美国供应。随目前风力发电叶片用碳纤维基本为美国供应。随着全球性的清洁能源发展趋势，我国也陆续出台相关着全球性的清洁能源发展趋势，我国也陆续出台相关扶持政策，预计该行业对碳纤维的需求增长幅度扶持政策，预计该行业对碳纤维的需求增长幅度100%-200%，三年后可达到万吨的用量，主要产品，三年后可达到万吨的用量，主要产品为为2

20、4K-48K碳纤维。碳纤维。碳纤维在风力发碳纤维在风力发电叶轮中应用电叶轮中应用据中国气象科学研究院预测的风能储量据中国气象科学研究院预测的风能储量 我国陆地风能理论储量：我国陆地风能理论储量：32.3亿亿kw 可开发利用储量可开发利用储量 ：2.53亿亿kw 近海可利用风能储量近海可利用风能储量 ：7亿亿kw 可利用风能储量合计可利用风能储量合计 ：10亿亿kw ，居世，居世界前列界前列使用碳纤维量估算使用碳纤维量估算 每台每台5000kw风力发电机，叶片长达风力发电机，叶片长达90米，需用米，需用1吨碳纤维吨碳纤维 到到2010年，新增装机容量年，新增装机容量241万万kw，约需，约需50

21、0吨碳纤维吨碳纤维 到到2020年，装机容量年，装机容量3000万万kw，则需，则需6000吨吨碳纤维碳纤维 由此可见，如风力发电的叶片都用碳纤复合材料，则碳纤用由此可见，如风力发电的叶片都用碳纤复合材料，则碳纤用量将达量将达500吨吨/年年。碳纤维用于海上采碳纤维用于海上采油平台结构材料油平台结构材料每座海洋石油钻井平台约需要每座海洋石油钻井平台约需要14T碳纤维，可以替代碳纤维，可以替代80T钢材。钢材。碳纤维抽油杆碳纤维抽油杆我国已建成我国已建成1000米以下的石油钻井平米以下的石油钻井平台台50座以上，还几乎都没采用碳纤维座以上，还几乎都没采用碳纤维。采油专家普遍认为，只要解决供货。采

22、油专家普遍认为，只要解决供货和价格问题，使用碳纤维更为轻质高和价格问题，使用碳纤维更为轻质高强，且耐腐蚀，今后一定要应用。强，且耐腐蚀，今后一定要应用。石油工业石油工业运动器材运动器材 用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫用作网球、羽毛球、和壁球拍及杆、棒球、曲棍球和高尔夫球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。其中球杆、自行车、赛艇、钓杆、滑雪板、雪车等。其中高尔夫球杆、高尔夫球杆、网球拍和钓鱼竿网球拍和钓鱼竿是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，是体育用品用碳纤维复合材料的三大支柱产品，约占该类产品的约占该类产品的80%碳纤维高尔夫球杆及保龄球碳纤维高尔夫球杆及保龄球

23、滑雪杆滑雪杆土木建筑土木建筑 幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、幕墙、嵌板、间隔壁板、桥梁、架设跨度大的管线、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、海水和水轮结构的增强筋、地板、窗框、管道、海洋浮杆、面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。面状发热嵌板、抗震救灾用补强材料。 碳纤维片材碳纤维片材用于建筑物补强加固用于建筑物补强加固碳纤维加固是近年来美日等国家开发碳纤维加固是近年来美日等国家开发的新型土木建筑结构加固增强技术的新型土木建筑结构加固增强技术利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载利用碳纤维布加固钢筋混凝土构件以提高承载力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中

24、力及延长寿命是目前比较流行的方法，在建筑业中有着广泛的发展前景。有着广泛的发展前景。 碳纤维补强片材施工流程图碳纤维补强片材施工流程图碳纤维瓦碳纤维板2007年年5月月10日，荷兰建成世界上最长的日，荷兰建成世界上最长的碳纤维复合材料桥。该桥长碳纤维复合材料桥。该桥长24.5米，宽米，宽5米。米。其它其它工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸工业化工用的防腐泵、阀、槽、罐；催化剂，吸附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙附剂和密封制品等。生体和医疗器材如人造骨骼、牙齿、韧带、齿、韧带、X光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿光机的床板和胶卷盒。编织机用的剑竿头和剑竿防静电刷。其它还有电

25、磁屏蔽、音响、减磨、头和剑竿防静电刷。其它还有电磁屏蔽、音响、减磨、储能及防静电等材料也已获得广泛应用。储能及防静电等材料也已获得广泛应用。复合材料被用来预防受伤，矫正生理复合材料被用来预防受伤，矫正生理机能，和帮助病人复原。机能，和帮助病人复原。生物医学制品和以体育运动器生物医学制品和以体育运动器材为主的碳纤维复合材料制品材为主的碳纤维复合材料制品第三节第三节 芳纶纤维芳纶纤维芳香族聚酰胺芳香族聚酰胺类纤维的通称。凡聚合物大分类纤维的通称。凡聚合物大分子的主链由芳香环和酰胺键构成，且其中至少子的主链由芳香环和酰胺键构成，且其中至少85%的酰胺基直接键合在芳香环上，每个重复单的酰胺基直接键合在

26、芳香环上，每个重复单元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中元的酰胺基中的氮原子和羰基均直接与芳香环中的碳原子相连接并置换其中的一个氢原子的聚合的碳原子相连接并置换其中的一个氢原子的聚合物纤维称为芳香族聚酰胺纤维，我国命名为物纤维称为芳香族聚酰胺纤维，我国命名为芳纶芳纶纤维纤维。耐高温纤维制成的消防人员的服装耐高温纤维制成的消防人员的服装一、芳纶纤维的分类一、芳纶纤维的分类全芳族聚酰胺纤维全芳族聚酰胺纤维主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和主要包括对位的聚对苯二甲酰对苯二胺和聚对苯甲酰胺纤维、间位的聚间苯二甲酰间苯聚对苯甲酰胺纤维、间位的聚间苯二甲酰间苯二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维

27、以二胺和聚间苯甲酰胺纤维、共聚芳酰胺纤维以及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳族聚酰胺及如引入折叠基、巨型侧基的其它芳族聚酰胺纤维。纤维。杂环芳族聚酰胺纤维杂环芳族聚酰胺纤维是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和是指含有氮、氧、硫等杂质原子的二胺和二酰氯缩聚而成的芳纶纤维，如有序结构的杂二酰氯缩聚而成的芳纶纤维，如有序结构的杂环聚酰胺纤维等。环聚酰胺纤维等。二、芳纶纤维的特点二、芳纶纤维的特点优点（例如优点（例如Kevlar，凯芙拉，凯芙拉 ） ：（1）不熔融）不熔融（2）高温能保持高强度与高弹性模量）高温能保持高强度与高弹性模量（3）耐热、不易燃烧）耐热、不易燃烧（4）尺寸稳定、几乎不发生蠕变）尺

28、寸稳定、几乎不发生蠕变（5）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降）耐药性好，在有机溶剂及油中性能不下降（6）耐疲劳性、耐磨性好）耐疲劳性、耐磨性好（7）对放射性射线的抵抗性大）对放射性射线的抵抗性大（8）非导电、且诱电性能优越）非导电、且诱电性能优越（9）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快）与无机纤维相比振动吸收性好、减衰速度快缺点：缺点：（1）压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强度的压缩性差，压缩强度仅有不到拉伸强度的1/5（2）紫外线照射时强度大幅下降紫外线照射时强度大幅下降三、芳纶纤维的结构与特性三、芳纶纤维的结构与特性对位芳香族聚酰胺纤维对位芳香族聚酰胺纤维聚对苯甲酰胺（聚对苯甲酰胺（

29、PBA）纤维）纤维中国于中国于80年代初期曾试生产此纤维，定名为芳纶年代初期曾试生产此纤维，定名为芳纶14（芳纶芳纶I）。芳纶）。芳纶I的的拉伸强度拉伸强度比芳纶比芳纶II低约低约20%，但但拉伸模量拉伸模量却高出却高出50%以上。芳纶以上。芳纶I耐耐热老化性能热老化性能好，好，这些性能用作某些复合材料的增强剂是很有利的。这些性能用作某些复合材料的增强剂是很有利的。NHCOnNH2COCH3聚对苯二甲酰对苯二胺（聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维）纤维PPTA纤维是芳纶在复合材料中应用最为普遍的纤维是芳纶在复合材料中应用最为普遍的一个品种。中国于一个品种。中国于80年代中期试生产此纤维，定名

30、为年代中期试生产此纤维，定名为芳纶芳纶1414（芳纶芳纶II）。）。PPTA纤维具有纤维具有高拉伸强度、高拉伸模量、低密高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、优良吸能性度、优良吸能性和和减震、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺减震、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定寸稳定等优异的力学和等优异的力学和动态动态性能；良好的性能；良好的耐化学腐蚀耐化学腐蚀性；高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔性；高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的等突出的热性能热性能以及优良的以及优良的介电介电性能。性能。COCONHNHnCCOOClClNH2NH2+KEVLAR纤维纤维目前全球共有四家企业实现了芳纶目前全球共有四家企业实现了

31、芳纶1414的产业化，的产业化，其中，其中，美国杜邦美国杜邦公司在美国、英国、日本设有工厂，公司在美国、英国、日本设有工厂，年产能合计约年产能合计约33000吨；吨；日本帝人日本帝人公司在日本、荷兰公司在日本、荷兰设有工厂，年产能合计约设有工厂，年产能合计约24500吨；吨；韩国科隆韩国科隆公司仅公司仅在该国设有工厂，年产能约在该国设有工厂，年产能约1000吨。吨。俄罗斯俄罗斯的产品的产品和工艺完全不同于杜邦和帝人，其产能为和工艺完全不同于杜邦和帝人，其产能为1000吨吨/年。年。 目前国内尚未有芳纶目前国内尚未有芳纶1414规模化生产企业，烟台规模化生产企业，烟台氨纶的芳纶氨纶的芳纶1414

32、已进入中试阶段，为国内芳纶已进入中试阶段，为国内芳纶1414的先行者。据了解，目前中试进展顺利，公司方面正的先行者。据了解，目前中试进展顺利，公司方面正在朝着在朝着2010年底前达产的既定目标稳步前进。美国年底前达产的既定目标稳步前进。美国杜邦长期对我国进行技术封锁，制约了我国在相关领杜邦长期对我国进行技术封锁，制约了我国在相关领域的应用和开发。域的应用和开发。 间位芳香族聚酰胺纤维间位芳香族聚酰胺纤维聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（芳纶芳纶1313 ）PMIAPMIA纤维的纤维的TgTg为为260260270,270,热分解温度为热分解温度为400400430,430,具

33、有优良的耐热性和耐燃性，在具有优良的耐热性和耐燃性，在260260热空热空气下连续暴露气下连续暴露10001000小时后小时后, ,强度保持率为强度保持率为65657070；在在370370发生明显劣化发生明显劣化, ,但不熔融；极限氧指数为但不熔融；极限氧指数为262630, 30, 高温分解时产生的气体主要为高温分解时产生的气体主要为COCO和和COCO2 2, ,仅仅COCO可燃可燃, ,但其释放量明显少于其它纤维。但其释放量明显少于其它纤维。COCONHNHnCCOOClClNH2NH2+优点：耐高温性能好，高温下的强度保持优点：耐高温性能好，高温下的强度保持率好，以及尺寸稳定性、抗氧

34、化性和耐水性好，率好，以及尺寸稳定性、抗氧化性和耐水性好，不易燃烧，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性不易燃烧，具有自熄性，耐磨和耐多次曲折性好，耐化学试剂，绝热性能也较好。好，耐化学试剂，绝热性能也较好。缺点：强度和模量低，耐光性较差。缺点：强度和模量低，耐光性较差。用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，用途：主要用于易燃易爆环境的工作服，耐高温绝缘材料，耐高温的蜂窝结构。耐高温绝缘材料，耐高温的蜂窝结构。(2) 聚聚N, N-间苯双间苯双-(间苯甲酰胺间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维对苯二甲酰胺纤维主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料主要用作抗燃纤维及耐高温绝缘材料HNCOHNHNCOCOnH2NCOO

35、HH2NNH2CCHOOHOO+芳纶共聚纤维芳纶共聚纤维采用新的二胺或第三单体合成新的芳纶是采用新的二胺或第三单体合成新的芳纶是提高芳纶纤维性能的重要途径。提高芳纶纤维性能的重要途径。对位芳酰胺共聚纤维对位芳酰胺共聚纤维是由对苯二甲酰氯与对苯二胺及第三单体是由对苯二甲酰氯与对苯二胺及第三单体3，4-二氨基二苯醚在二氨基二苯醚在N，N-二甲基乙酰胺等溶二甲基乙酰胺等溶剂中低温缩聚而成的。共聚物溶液中和后直接剂中低温缩聚而成的。共聚物溶液中和后直接进行进行湿法纺丝湿法纺丝和后处理而得的各种产品。和后处理而得的各种产品。聚对芳酰胺苯并咪唑纤维聚对芳酰胺苯并咪唑纤维一般认为它们是在原一般认为它们是在原

36、PPTA的基础上引入对的基础上引入对亚苯基苯并咪唑类杂环二胺，经低温缩聚而成亚苯基苯并咪唑类杂环二胺，经低温缩聚而成的三元共聚芳酰胺体系，的三元共聚芳酰胺体系，纺丝纺丝后再经后再经高温热拉高温热拉伸伸而成。而成。芳纶纤维的分子结构特点芳纶纤维的分子结构特点芳纶纤维是芳纶纤维是苯二甲酰苯二甲酰与与苯二胺苯二胺的聚合体，的聚合体，经溶解转为经溶解转为液晶纺丝液晶纺丝而成。而成。分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，分子链由苯环和酰胺基按一定规律排列而成，具有良好的规整性。致使芳纶纤维具有具有良好的规整性。致使芳纶纤维具有高度的结晶高度的结晶性性。键合在芳香环上刚硬的直线状分子键在纤维轴键合在芳香

37、环上刚硬的直线状分子键在纤维轴向是高度定向的，各聚合物链由氢键作横向连结。向是高度定向的，各聚合物链由氢键作横向连结。和和，造成芳，造成芳纶纤维纶纤维，即纤维的，即纤维的，而而。高模量高模量纤维的苯环结构，使它的分子链难于旋转。纤维的苯环结构，使它的分子链难于旋转。高聚物分子不能折叠，又呈伸展状态。形成棒高聚物分子不能折叠，又呈伸展状态。形成棒状结构，从而使纤维具有很高的模量。状结构，从而使纤维具有很高的模量。高强度高强度聚合物的线性结构使分子间排列得十分紧聚合物的线性结构使分子间排列得十分紧密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子。这密，在单位体积内可容纳很多聚合物分子。这种高的密实性使纤维具有

38、较高的强度。种高的密实性使纤维具有较高的强度。耐高温耐高温苯环结构由于环内电子的共轭作用，使纤苯环结构由于环内电子的共轭作用，使纤维具有化学稳定性，不发生高温分解。又由于维具有化学稳定性，不发生高温分解。又由于苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的本质，苯环结构的刚性，使高聚物具有晶体的本质，使纤维具有高温尺寸的稳定性。使纤维具有高温尺寸的稳定性。芳纶纤维的特点是芳纶纤维的特点是初始模量很初始模量很高，而延伸率较低。高，而延伸率较低。 单丝强度可达单丝强度可达3773MPa，大，大约为铝的约为铝的5倍，玻璃纤维的倍，玻璃纤维的1.5倍，与碳纤维相当倍，与碳纤维相当或略高。拉伸模量仅次于碳纤维和硼纤

39、维。或略高。拉伸模量仅次于碳纤维和硼纤维。芳纶纤维的芳纶纤维的，大约为石墨纤维的，大约为石墨纤维的6倍，为硼纤维的倍，为硼纤维的3倍，为玻璃纤维倍，为玻璃纤维0.8倍。倍。的的在在3左右，接近玻璃左右，接近玻璃纤维，高于其他纤维。纤维，高于其他纤维。有有，在在180的温度下，仍能很好的保持其性能，当的温度下，仍能很好的保持其性能，当温度达温度达487 时尚时尚，但开始，但开始。由于芳纶不熔融也不助燃，短时间内暴露在由于芳纶不熔融也不助燃，短时间内暴露在300以上，对于强度几乎没有影响。在以上，对于强度几乎没有影响。在-170的低温下也不会变脆，仍能保持其性能。的低温下也不会变脆，仍能保持其性能

40、。具有良好的具有良好的性能，对中性化性能，对中性化学药品的学药品的一般是很强的，但易受各种一般是很强的，但易受各种，尤其是，尤其是。芳纶的湿强度几乎与干强度相等。对饱和芳纶的湿强度几乎与干强度相等。对饱和水蒸气的稳定性比其它有机纤维好。水蒸气的稳定性比其它有机纤维好。芳纶对紫芳纶对紫外线是比较敏感的外线是比较敏感的。若长期裸露在阳光下，其。若长期裸露在阳光下，其强度损失很大，因此应加能阻挡紫外光的保护强度损失很大，因此应加能阻挡紫外光的保护层。层。KevIar纤维表面缺少化学活性基团，用等纤维表面缺少化学活性基团，用等离子体空气或氯气处理纤维表面，可使离子体空气或氯气处理纤维表面，可使Kevl

41、ar纤维表面形成一些含氧或含氮的官能团，提高纤维表面形成一些含氧或含氮的官能团，提高表面活性及表面能，显著地改善对树脂的浸润表面活性及表面能，显著地改善对树脂的浸润性和反应性，增加界面粘结强度。性和反应性，增加界面粘结强度。芳纶在各种化学药品中的稳定性芳纶在各种化学药品中的稳定性化学试剂化学试剂浓度浓度(%)温度温度()时间时间(h)强度损失强度损失(%)Kevlar-29Kevlar-49醋酸醋酸99.721240盐酸盐酸37211007263盐酸盐酸372110008881氢氟酸氢氟酸1021100106硝酸硝酸10211007977硫酸硫酸1021100912硫酸硫酸1021100059

42、31氢氧化钠氢氧化钠102110007453氢氧化钠氢氧化钠2821100097化学试剂化学试剂 浓度浓度(%)温度温度()时间时间(h)强度损失强度损失(%)Kevlar-29Kevlar-49丙酮丙酮10021100031乙醇乙醇10021100010三氯乙烯三氯乙烯10021241.5甲乙酮甲乙酮10021240变压油变压油100605004.60煤油煤油100605009.90自来水自来水10010010002海水海水100一年一年1.51.5过热水过热水100138409.3饱和蒸汽饱和蒸汽1001504828氟利昂氟利昂221006050003.6四、芳纶纤维的制造四、芳纶纤维的制

43、造液晶纺丝工艺液晶纺丝工艺液晶从宏观性能上看属于液体，但从微观角度或光学液晶从宏观性能上看属于液体，但从微观角度或光学角度来研究，又有晶体的性质。液晶是介于固体和液体之角度来研究，又有晶体的性质。液晶是介于固体和液体之间的中间相物质。间的中间相物质。对于纺丝来说，应用对于纺丝来说，应用向列态液晶向列态液晶。此种液晶分子溶液。此种液晶分子溶液在流动取向相中相互穿越，且其粘度比各向同性液体低。在流动取向相中相互穿越，且其粘度比各向同性液体低。聚合物聚合物PPTAPPTA在溶液中呈一定取向状态，为一维有序紧在溶液中呈一定取向状态，为一维有序紧密排列，也就是纤维中所希望得到的分子排列。密排列，也就是纤

44、维中所希望得到的分子排列。在外界作用下，分子很容易沿作用力方向取向，在外界作用下，分子很容易沿作用力方向取向，这就是具有液晶性质的大分子有利于成纤的这就是具有液晶性质的大分子有利于成纤的原因。原因。PPTA溶液具有高浓度低粘度的特点溶液具有高浓度低粘度的特点 浓度增加，溶液粘浓度增加，溶液粘度增大，达到极大值，度增大，达到极大值，超过此极值，浓度再增超过此极值，浓度再增加，粘度降低，且溶液加，粘度降低，且溶液从各向同性向各向异性从各向同性向各向异性转变转变(临界浓度临界浓度)；达到；达到液晶最大浓度后，浓度液晶最大浓度后，浓度再增加，溶液的粘度重再增加，溶液的粘度重又上升。又上升。PPTA浓硫

45、酸溶液粘度浓硫酸溶液粘度-浓度示意图浓度示意图聚对苯撑对苯二甲酰胺聚对苯撑对苯二甲酰胺(PPTA)溶于溶于100%的硫酸中，显示的硫酸中，显示液晶特性液晶特性干喷湿纺工艺干喷湿纺工艺 高浓度、高温度的高浓度、高温度的PPTA液晶溶液在较高的喷液晶溶液在较高的喷丝速度下喷丝，喷丝进入温丝速度下喷丝，喷丝进入温度低的凝固液浴，在凝固液度低的凝固液浴，在凝固液浴中，经过一个纺丝管，在浴中，经过一个纺丝管，在凝固液的作用下形成丝束，凝固液的作用下形成丝束，绕到绕丝辊上，再经洗涤，绕到绕丝辊上，再经洗涤，在张力下热辊上干燥。最后在张力下热辊上干燥。最后在惰性气体中于较高的温度在惰性气体中于较高的温度下进

46、行热处理。下进行热处理。两种干喷混纺装置示意图两种干喷混纺装置示意图五、芳纶纤维及其复合材料的应用五、芳纶纤维及其复合材料的应用芳纶纤维已有芳纶纤维已有30年的工业化历史。目前，主要生年的工业化历史。目前，主要生产国为美国、日本、荷兰、韩国、俄罗斯。芳纶纤维产国为美国、日本、荷兰、韩国、俄罗斯。芳纶纤维的总产量的总产量43用于用于（芳纶（芳纶-29），），31用于用于，17.5用于用于和和，8.5用于用于。 以以作为作为，作为作为所形成的所形成的，简称，简称KFRP，它在航空航天方面的应用，它在航空航天方面的应用，仅次于仅次于，成为必不可少的材料。目前世界市场，成为必不可少的材料。目前世界市场

47、供不应求。供不应求。先进复合材料先进复合材料航空航天领域、舰船、汽车工业；航空航天领域、舰船、汽车工业；防弹制品：防弹制品：硬质防弹装甲板、软质硬质防弹装甲板、软质防弹背心防弹背心。缆绳缆绳基础设施和建材：基础设施和建材：芳纶增强混凝土、芳纶增强木材。芳纶增强混凝土、芳纶增强木材。传送带传送带特种防护服装特种防护服装体育运动器材体育运动器材电子设备电子设备第四节第四节 超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维超高分子量（分子量超高分子量（分子量150-600万）聚乙烯纤维万）聚乙烯纤维（Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，简称，简称UH

48、MW-PE纤维）是采用纤维）是采用冻胶纺丝冻胶纺丝-超倍超倍热拉伸技术热拉伸技术（Gel Spinning-Ultra Drawing Technology）制得的。）制得的。由于该纤维由于该纤维密度低（密度低（0. 97）、比强度、比模量高）、比强度、比模量高等众多优异特性，它正在许多高性能纤维市场上，包等众多优异特性，它正在许多高性能纤维市场上，包括从括从海上油田海上油田的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均的系泊绳到高性能轻质复合材料方面均显示出极大的优势，在现代化战争和显示出极大的优势，在现代化战争和宇航、航空、航宇航、航空、航天、海域防御天、海域防御装备等领域发挥着举足轻重的作用。装备等

49、领域发挥着举足轻重的作用。除此之外，该纤维在除此之外，该纤维在汽车制造、船舶制造、医疗汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材器械、体育运动器材等领域亦有广阔的应用前景。等领域亦有广阔的应用前景。一、制备方法一、制备方法1. 纤维状结晶生长法纤维状结晶生长法纤维状结晶装置及串晶结构示意图纤维状结晶装置及串晶结构示意图2. 单晶片单晶片-超拉伸法超拉伸法该方法在研究折叠链拉伸变形机理方面很早该方法在研究折叠链拉伸变形机理方面很早就为人们采用，使就为人们采用，使UHMW-PE稀溶液（稀溶液（0.05%0.2%）缓慢冷却或等温结晶得到）缓慢冷却或等温结晶得到PE单晶，将单单晶，将单晶聚集并压制成片

50、状物进行晶聚集并压制成片状物进行200倍以上超拉伸，倍以上超拉伸，最后拉伸物的强度和模量可达最后拉伸物的强度和模量可达45cN/dtex和和2100cN/dtex。该方法主要用于。该方法主要用于实验室规模的基实验室规模的基础研究础研究。3. 凝胶挤压凝胶挤压-超拉伸法超拉伸法将将UHMW-PE溶液缓慢冷却制成凝胶状球晶，溶液缓慢冷却制成凝胶状球晶，通过模口挤压成形并进行总拉伸倍数通过模口挤压成形并进行总拉伸倍数150200的的超拉伸，可制成直径为毫米级的高强度超拉伸，可制成直径为毫米级的高强度PE纤维，纤维，其工艺过程比较复杂，一般只在其工艺过程比较复杂，一般只在纺制粗纤度纺制粗纤度PE纤纤维