第六章 高性能纤维.ppt

第六章高性能纤维高性能纤维为力学性能同时具有强度为18cN dtex 20g D 初始模量为441cN dtex 500g D 的特种纤维 第一节对位芳纶纤维 凡是由酰胺键互相连接的芳基所构成的合成线型大分子 其中至少有85 的酰胺键直接连接在两个芳基环上 而有50 以下的酰胺键可被亚胺键所取代者都称之为芳族聚酰胺 由芳族酰胺键长链大分子制成的纤维叫芳族聚酰胺纤维 我国简称芳纶 象锦纶这样的脂肪族聚酰胺纤维具有某些缺点 如模量低 尺寸稳定性较差 在温度较高时的化学稳定性差以及耐高温性差等 芳族聚酰胺纤维中 由于在大分子长链中用芳基取代了一般聚酰胺中的脂肪基 分子链的柔性减小 闭性增大 使所得纤维的玻璃化温度 耐热性能以及模量等都显著提高 一凯夫拉纤维的发展 凯夫拉 Kevlar 纤维由美国杜邦公司于1972年开始工业化生产 是芳香族聚酰胺 Aramid 纤维的一个品种 我国于20世纪80年代初研制的两种纤维与凯夫拉纤维结构一致 命名为芳纶1414和芳纶14 总称为芳纶纤维 用湿法纺出纤维 其纤维强伸模量达353cN dtex以上 比玻璃纤维高二倍半 在相同质量下 比玻璃纤维更刚硬 1970年杜邦公司着手芳香族聚酰胺纤维工业化 1971年建立了一个工厂 以B纤维命名发表了专利并提供产品 之后商业命名为凯夫拉 生产能力分别在1978年为6810t 1982年2X104t以上 目前凯夫拉纤维在美国和英国生产 日本帝人1974年工业化生产Technora 二对位芳香族聚酞胺纤维及其产品 美国杜邦 凯夫拉帘子线凯夫拉29各种用途的纱凯夫拉49高模量纱凯夫拉68中等模量纱凯夫拉100各种色纱凯夫拉119高伸长纱凯夫拉129高强度纱凯夫拉149超高模量纱 荷兰阿克苏 Twaron1000标准模量 SM 用于织造 编织Twaron1010标准模量can 增强复合材料 缠绕成形 Twaron1111中等模量 IM 增强复合材料 缠绕成形 拉制成形 织造 编织Twaron1055高模量 HM 用于织造 编织Twaron1056高模量 HM 增强复合材料 缠绕成形 拉制成形 日本帝人 Technora200高强 橡胶基增强材料Technora210高强 绳索Technora240高强 机织 针织物 三凯夫拉纤维化学与物理性质 1 强度高 质量轻大部分短纤维产品其密度为1 43 1 44g cm3 而凯夫拉49为1 44 1 45g cm3 凯夫拉149为1 47g cm3 与常规合纤相比 锦纶为1 14g cm3 聚酯为1 38g cm3 碳纤维为1 8g cm3 玻璃纤维为2 25g cm3 钢丝为7 9 cm3 因此凯夫拉纤维密度比锦纶 聚酯大 而比碳纤维 玻璃纤维和钢丝小 在基本相同强度下 凯夫拉具有较轻的特点 2 强伸性能凯夫拉纤维具有较高的强度和模量 另外 它的强伸性能对于温度是不敏感的 一直到玻璃化温度以上 凯夫拉纤维其单丝强度为22 9 26 5cN dtex 凯夫拉纱最佳捻系数为1 1 凯夫拉长丝有一较宽的强伸范围 强度15 9 23 8cN dtex 断裂伸长1 5 4 4 模量379 5 970 9cN dtex 凯夫拉纤维的高结晶和各向异性使得其具有非常低的蠕变 但在较高的应力下 产生蠕变 一般来讲 蠕变随着应力和温度的增加而增加 3 压缩性能在轴向和径向具有较低的压缩性能 这主要由于它的高结晶和高取向 4 剪切性能凯夫拉纤维具有较低的剪切性能 因为它具有较高的各向异性 5 耐磨性能由于凯夫拉纤维较弱的横向结合力 因此具有较低的耐磨性能 当纤维之间摩擦或与金属表面摩擦 易原纤化 这种情况在纤维表面区域 易纤维劈裂或原纤化 以致形成断裂 为了保护其表面 大部分凯夫拉纤维制品上油剂 增加耐磨性 6 抗燃性能凯夫拉纤维在4270C时炭化 它的氧指数为28 5 29 与诺梅克斯 Nomex 基本相同 7 降解温度凯夫拉纤维具有极好的热稳定性 这是芳香族聚酞胺固有的特性 在500 以上产生急剧的降解 四纺丝方法 五应用 用于轮胎工业 高压水龙带 三角皮带 运输带中的增强纤维 生产电缆 如深海电缆 腰带和防弹背心等 第二节碳纤维 一碳纤维的品种分类聚丙烯睛 PAN 基碳纤维 粘胶基碳纤维 沥青基碳纤维 木质素纤维基碳纤维 其他有机纤维基 各种天然纤维 再生纤维 缩合多环芳香族等合成纤维 碳纤维 根据碳纤维的性能分类如下 高性能碳纤维 有高强度碳纤维 高模量碳纤维 中模量碳纤维等 低性能碳纤维 耐火纤维 碳质纤维 石墨纤维等 根据碳纤维的用途 碳纤维品种规格分为通用型GP和高性能型HP 高性能型又分高强型HT和高模型HM 根据复合材料工程需要又开发了超高强型UHT和超高模型UTM 二碳纤维性能 1 碳纤维的应力 应变曲线是一条直线 纤维在断裂前是弹性体 断裂是瞬间开始和完成的 高模量碳纤维的最大延伸率是0 35 高强度碳纤维为1 据报道已有延伸率为1 5 的碳纤维商品 碳纤维的弹性回复为100 缺陷在碳纤维内是随机分布的 纤维长度增长 不仅包含裂纹数目增多 而且包含大裂纹 大空穴的几率也增大 并导致强度下降 同理碳纤维直径越粗 由于缺陷的存在 不仅承载的有效面积减小 而且易造成应力集中 导致强度下降 强度随试样长度和直径的变化称之为 体积效应 或 尺寸效应 2 碳纤维的物理性能碳纤维的密度在1 5 2 0g cm3之间 这除与原丝结构有关外 主要决定于炭化处理的温度 一般经过高温 3000 石墨化处理 密度可达2 0g cm3 碳纤维的热膨胀系数与其他类型纤维不同 它有各向异性的特点 平行纤维方向是负值 而垂直于纤维方向是正值 碳纤维的热导率随温度升高而下降 碳纤维的比电阻与纤维的类型有关 具有很好的耐热性和耐高温性 3 碳纤维的化学性能碳纤维的化学性能与碳很相似 它除能被氧化剂氧化外 对一般酸碱是惰性的 在空气中 温度高于4000C时则出现明显的氧化 生成CO和CO2 在不接触空气或氧化气氛时 碳纤维具有突出的耐热性 与其他材料比较 碳纤维温度要高于1500 时强度才开始下降 碳纤维还有良好的耐低温性能 如在液氮温度下 也不脆化 它还有耐油 抗放射 抗辐射 吸收有毒气体和减速中子等特性 三碳纤维的结构 碳纤维是由许多微晶体堆砌而成的 微晶体的厚度为4 10nm 长度为10 25nm 它由约12 30个层面组成 四碳纤维的应用 1 土木建筑2 航空 汽车复合材料的应用3 工业上的应用4 医疗卫生 体育用具 第三节超高分子量聚乙烯纤维 超高分子量聚乙烯纤维由超高分子量聚乙烯 UHMW PE 制备 具有高强度 高模量纤维强度 265cN tex 模量 9354 8cN tex以上 模量及耐冲击性均高于芳纶 它密度小 耐化学试剂及紫外线性能优良 聚乙烯有三个品级 低密度聚乙烯 LDPE 中密度聚乙烯 MDPE 和高密度聚乙烯 HDPE 超高分子量聚乙烯的结构与高密度聚乙烯相似 但相对分子质量高达5x105一5x106 一超高分子量聚乙烯纤维的制造 冻胶纺丝 超拉伸法 该方法先把超高分子量聚乙烯溶解在萘烷或液体石蜡等溶剂中 制成稀溶液 0 5 10 脱泡后经喷丝头挤出 骤冷成冻胶丝 然后加热到结晶温度 90 150 以上 进行超倍拉伸 使分子链重排 形成伸直链结晶 得到高强度和高模量纤维 二超高分子量聚乙烯纤维的性质 1 强度和模量 2 耐冲击性和比能量吸收能力高 3 电性能 适合于在高频电波下使用 4 可加工性5 热性能6 其它性质 三超高分子量聚乙烯纤维的用途 滤材 降落伞 装甲板 防弹背心和服装 子弹防护罩 增强复合材料 高模量织物 船用绳索 电缆 帆船篷布 医用材料及防身服装等 第四节其它高性能纤维 一高性能聚丙烯腈纤维 PAN 高性能聚丙烯腈纤维 PAN 对日光和其他大气条件的耐受力极高 同时也有极高的耐酸碱和某些有机溶剂的能力 以及较高的热稳定性 应用 替代石棉 制作防水篷帆布 篷帆 遮盖布 防护遮盖布 帐篷 以及绳索 渔网和风帆布 过滤材料等 二聚苯硫醚纤维 PPS 聚苯硫醚纤维具有独特的阻燃性 很好的抗化学性和热稳定性 在工业烟道气过滤 特殊的熟介质过滤 造纸工业中干燥带 电缆包胶层和防火织物等方面获得应用 三聚醚醚酮 PEEK 是一种综合性能优良的热塑性工程塑料 1 PEEK的性能 1 耐热性 其熔点为335 可在245 250 连续使用 2 耐热水性 耐热水性是其最大特点之一 在80 的水中漫泡800h 拉伸强度和断裂伸长率基本没有变化 3 耐疲劳性和耐磨性 在高交变应力下具有很好的耐疲劳性 并有长期的耐负荷性 4 化学稳定性 除可溶于浓硫酸和浓硝酸中变黄外 对其他溶剂均很稳定 5 耐燃性 PEEK本身具有耐燃性 氧指数为35 使燃烧时 它的挥发物量也很少 腐蚀性气体少 6 PEEK具有根高的机械强度 7 良好的耐辐射性 8 PEEK的耐热氧老化性能好 2 应用 在波音机上 PEEK取代铝 熔融纺丝法制造PEEK纤维 织造耐腐蚀性传送带和滤布 PEEK的应用中最引人注目的是用碳纤维和PEEK基材制成的碳纤维增强复合材料 特别值得注意的是PEEK正在开发中的用途 如粘合剂 涂料和纺成高强度的纤维在某些特殊环境中的应用 四几种常见耐高温纤维 聚四氟乙烯纤维聚间苯二甲酰间苯二胺纤维聚酰胺 酰亚胺纤维酚醛纤维 耐高温纤维 耐高温纤维是指温度在200 以上具有足够抗热性能的纤维 它可以连续使用而不会分解 而且保留着主要物理性能 应具有以下条件 1 在高温下保持常温时的力学性能 2 长时间暴露在高温中 不发生热裂解 3 应具有一般纤维材料的加工性能 一 聚四氟乙烯纤维 1 聚四氟乙烯纤维的性能 1 具有较宽的使用温度范围 120 250 在310 开始强力失效 瞬时可耐1000 以上的高温火焰 2 最难以燃烧 限氧指数LOI高达95 3 优良的化学稳定性 对酸 碱及其它几乎所有的化学药品都有很好的抵抗能力 4 具有十分良好的耐气候性 是现有化学纤维中耐气候性最好的一种 5 其它 如还有极好的电绝缘性 良好的非粘着性 吸湿率为零 2 聚四氟乙烯纤维的应用 常用作外层保护服 如字宙压力服 人工操作火箭燃料和其它有害化学品的防护服 高侵蚀液体和气体在升温情况下的过滤材料 医学上的人造血管和心脏隔膜 二 聚间苯二甲酰间苯二胺纤维 1 纤维性能 1 都具有较好的阻燃能力 Nomex的限氧指数为29 30 Connex和Tenilon也都难燃 2 长期在高温下使用 不损伤其性能 Nomex在220 温度下长期使用可达10年之久 3 均具有较好的耐辐射性 4 均具优良的耐化学药品性能 2 应用 首要用途是制作易燃 易爆环境中的工作服 已广泛应用于铁矿 金属 化学 石油及石油化工诸领域中 也用作赛车服 宇宙服和消防服 其次 是公共建筑室内和交通运输工具中的内装饰用品 第三类是工业滤材填料及高温输送带 三 聚酰胺 酰亚胺纤维 1 纤维性能 1 Kermel具有特殊的耐高温性能 可耐260 暴露在高温和火焰下不收缩 其分解温度为380 400 2 Kermel既不熔融也难燃 仅发生少量收缩 3 Kermel染色性与芳香聚酰胺纤维相仿 4 Kermel可耐一般的