产业用纺织品0572110.ppt

新兴的学科 重点 高性能纤维性能难点 分类 定义 第二章产业用纤维材料 第二节产业用高性能纤维 分类 优点 极高的机械性能 高强度 高弹性模量 纤维材料的进步使得制造先进复合材料成为了可能 高性能纤维具有耐高温性 具有高温下尺寸稳定性 热收缩率很低 因此在耐热防护材料上有特殊用途 高性能纤维的另一优点是密度低 有利于制品的轻量化 有机高性能纤维加工简便 容易成型 有机和无机高性能纤维耐腐蚀 不足 不耐太空环境中温度的急剧变化 真空下耐发射性辐照较差 耐超低温性较差 目前 高性能纤维的商品种类很多 性能差异很大 价格差异也很大 有些纤维购买渠道还不畅通等 表各种高性能纤维的基本性能纤维种类商品名强度 GPa 伸长 模量 GPa 密度 g cm3 熔点 对位芳香族聚酰胺Kevlar2 82 41321 44560 d 间位芳香族聚酰胺Metamax0 5 0 835 506 7 9 81 38430 d 芳香族聚酯Ekonol4 13 11341 40380Vectran2 83 7691 40270芳香杂环类纤维PBZT4 21 42501 58600 d PBO5 52 52801 59650 d PBI0 3825 305 71 43450 d 高强聚乙烯Dyneema3 42 01600 98140Spectra3 5 2 51560 97140高强聚乙烯醇Kuraion 79012 14 9461 32245 d 高强聚丙烯腈2 47 8281 18230 d 碳纤维Pyrofil1 9 3 50 4 1 2300 5001 80Torayca3 71 5 2 4200 3001 80氧化铝纤维1 5 2 91 52504 0玻璃纤维Gevetex2 3 52 0 3 570 902 5825钢纤维2 82007 81600钛合金纤维1 21064 5铝合金纤维0 6712 7 一 芳香族聚酰胺纤维 芳纶纤维的应用领域示意图 1 定义 芳香族聚酰胺纤维即芳纶 1960年由美国杜邦公司研制出的一种新型化学纤维 Nomex HT 1 Nomex即芳纶1313在1967年上市 1972年 杜邦公司又推出Kevlar纤维 即芳纶1414 为了与三大合成纤维的脂肪聚酰胺即尼龙相区别 美国联邦通商委员会于1974年把全芳香族聚酰胺命名为芳香族聚酰胺纤维 Aramid ISO2076 1977 E 对芳香族聚酰胺定义为 由酰胺键连接的由芳香族基团组成的合成线型高分子 其酰胺键的85 以上与两个芳香族基直接结合者 亦包括酰胺键的50 以下被酰亚胺键置换者 2 发展 1951年 美国杜邦公司Flory发明低温溶液聚合法 无意制造出Nomex 1967年帝人的Conex上市 此后 世界各发达国家竟相研制生产芳香族聚酰胺纤维 使世界对位芳香族聚酰胺纤维的年产量达到3万吨 间位芳香族聚酰胺纤维的年产量达到1万吨 其生产能力最大的是杜邦公司于1993年在西班牙建的厂 近年来 芳香族聚酰胺纤维的需求量在迅速增长 芳纶纤维的发展简史年代公司发展简史1951杜邦Flory发明低温溶液聚合法1953杜邦Morgan开发全芳香族聚酰胺系低温溶液聚合法1960杜邦开始开发间位全芳香族聚酰胺纤维Nonex HT 1 1965杜邦Kwolek发明液晶纺丝法 开始研究对位系全芳香族聚酰胺纤维 PBA 1967杜邦Nomex上市 用于纤维和造纸1968杜邦开始研究对位系全芳香族聚酰胺纤维 PPTA 1969杜邦对位系全芳香族聚酰胺 纤维 B PBA 公布1970杜邦发明干式纺丝法1971帝人间位系全芳香族聚酰胺纤维 Conex 上市1972杜邦对位系全芳香族聚酰胺纤维 Kevlar PPTA 上市1974FTC全芳香族聚酰胺纤维正式命名为 Aramid 1974帝人对位系全芳香族聚酰胺纤维 HM 50 申请专利1979恩卡对位系全芳香族聚酰胺纤维工业化 Arenka 后改称 Twalon 1982杜邦建成Kevlar2000吨 年生产线1984东丽与杜邦合作 在日本开始销售1985帝人HM 50工业化 3 结构特征 芳纶是一种新型的合成纤维 它和聚酰胺纤维一样 在构成纤维的高聚物长链分子中含有酰胺基 CO NH 因此其属于聚酰胺纤维 但其又不同于普通的聚酰胺纤维 其构成纤维的大分子长链中 连接酰胺基间的是芳香环或其衍生物 所以把这类纤维统称为芳香族聚酰胺纤维 简称芳纶 芳纶在化学结构上与锦纶类相似 都含酰胺基团 它们的区别在于分隔基团的不同 4 性能特征结构的不同使芳纶具有极高的拉伸强度 仅次于玻璃纤维 石墨纤维和FBI纤维 和耐热性 具有固有的阻燃性以及优异的耐干热性和良好的韧性 芳纶纤维的相对密度大于锦纶但小于棉纤维 其开发的初衷是用于航天 但现在已广泛用于消费纺织品和产业用纺织品 芳纶1313 耐高温纤维 机械性质 强度较高 在通常情况下 强度为48 4cN tex 断裂伸长率为17 纤维密度 为1 38g cm3 热学性质 芳纶1313具有良好的耐热性 其耐腐蚀性和防燃性 如在260 的高温下连续使用1000h 其强度仍能保持原强度的65 在300 的高温下连续使用一周 仍可保持原强度的50 化学性能 具有良好的耐碱性 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 芳纶1414 高强度纤维 机械性质 芳纶1414是目前使用的有机纤维中强度最高的 其强度可达193 6cN tex 断裂伸长率为4 初始模量远高于其它纤维 其初始模量为4400CN tex 为聚酰胺纤维的11倍 为涤纶六倍左右 纤维密度 为1 43 1 44g cm3 热学性质 纤维的热稳定性远高于其它纤维 在150 下纤维的收缩率为0 在较高的温度下仍能保持很高的强度 熔点为600 最高使用温度为232 化学性能 具有良好的耐碱性 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 对橡胶具有良好的粘附性 表间位芳香族聚酰胺纤维的一般物理性能物性NomexConex密度 g cm 1 381 38单丝纤度 tex 0 220 22拉伸强度 cN tex 35 347 6 61 7断裂伸长率 3137拉伸弹性模量 cN tex 617 4661 5含水率 55300 热收缩率 3 53 7热分解温度 400 430250 强度保持率 60干热暴露强度保持率 250 1000H 60湿热暴露强度保持率 120 1000H 60LOI 30 32 表对位芳香族聚酰胺纤维的一般物理性能纤维种类密度 g cm3 强度 cN tex 伸度 弹性模量 cN tex 含水率 PPTAKevlar291 43202 93 648517 0Kevlar491 45195 82 474974 5Kevlar1191 44211 74 437937 0Kevlar1291 44233 73 367036 5Kevlar1491 47158 81 597901 5Technora1 392474 652032 0E玻璃2 5484 74 02646 钢7 8301 72469 5 芳纶的用途 芳纶1414主要用于高速行驶或重载汽车和飞机的轮胎帘子线 由于其强度高 密度小 因此用它制成的轮胎重量大大减轻 轮胎层薄 热容易散发 轮胎的使用寿命将延长 此外 还可用作 皮带 软胶管 绳索 绳缆 防护 防弹材料 摩擦材料 复合材料的增强材料 芳纶1313由于该纤维性能优良 其产品主要用于航空飞行服 宇宙航行服 原子能工业的防护服以及绝缘服 消防服等 另外 它也用于制作防火帘 防燃手套 高温下化工过滤布和气体滤袋 高温运输带 机电高温绝缘材料以及民航飞机中的装饰织物等 此外 还可以作室内织物 产业材料 蜂窝状结构材料 二 芳香族聚酯纤维芳香族聚酯纤维 PolyarylateFiber 是继全芳香族聚酰胺纤维 AramidFiber 开发成功之后 又一个通过高分子液晶纺丝而制得的高性能纤维 1 化学结构芳香族聚酯最简单的结构是聚对羟基苯甲酸 PHBA 和聚对苯撑对苯二甲酸酯 其化学结构式分别如下 目前 在对芳香族聚酯研究的基础上 已形成了几种实现工业化生产的产品 如美国金刚砂公司生产的商品名为Ekonol纤维 它是对乙酰氧基苯甲酸 ABA p p 二乙酰氧基联苯 ABP 对苯二甲酸 TA 和间苯二甲酸 IA 的四元共聚物 美国塞拉尼斯公司用ABA与2 乙酰氧基 6 萘甲酸 ANA 共聚反应 得到的共聚物其商品名称为Vectran纤维 美国杜邦公司采用苯基对二乙酰氧基苯 PHQD 与对苯二甲酸 TA 共聚反应 生成带有侧基的共聚物 PHQT 纤维 2 纤维性能表芳香族聚酯纤维的性能EkonolVectranPHQT强度 GPa 4 12 92 9模量 GPa 1346982伸长 3 13 74 3密度 g cm3 1 401 411 23熔点 380270342吸水率 00 050芳香族聚酯纤维具有高强度 高模量 耐蠕变 尺寸稳定性好 此外 具有极低的吸湿率和耐化学腐蚀性 在200 干热和100 的湿热条件下收缩率为0 3 用途 芳香族聚酯纤维有长丝 短纤维及湿法非织造布等形式 主要用作产业用纺织品领域 作为增强纤维材料 在光缆 特种电线中起支撑保护作用 可与橡胶复合制造耐高压软管 传送带 耐磨密封件及汽车用橡胶部件 可与树脂复合作为超薄型印刷电路的基板 由芳香族聚酯纤维制成的织物耐切割性好 是防护服 手套等安全用品的好材料 也是优秀的耐高温 耐腐蚀工业用过滤布 芳香族聚酯纤维特别适合编织渔网 养殖业围网 船用绳索 具有强度大 不怕潮湿 使用寿命长 轻量化特点 在体育用领域 芳香族聚酯纤维在网球板 头盔 雪橇等器材中起增强材料作用 三 芳香族杂环类纤维芳纶 PPTA纤维 作为高强度 高模量纤维首先开发成功 在产业用纺织品上开发了多种用途 同时也促进了高性能纤维的发展 然而PPTA类纤维虽然有高的比强度和比模量 但单位面积的力学性能比钢丝差 耐热性也还不够高 因此从上世纪60年代开始 美国空军材料试验室考虑从分子结构上引入杂环基团 限制分子的伸张自由度 增加主链上的共价键结合能 就可能大幅度提高纤维的模量 强度和耐热性 上世纪80年代初 它们和塞拉尼斯纤维公司成功的得到了聚苯并咪唑纤维 PBI 以后 又成功的开发了一系列的杂环聚合物 一 聚对苯撑并双咪唑纤维 PBO 1 化学结构聚对苯撑并双咪唑纤维 PBO 的结构式如下所示 2 PBO纤维性能表PBO纤维的性能PBO ASPBO HM单丝线密度 tex 0 170 17密度 g cm3 1 541 56强度 N tex 3 73 7 GPa 5 85 8模量 N tex 114 4176 0 GPa 180280伸长 3 52 5吸湿 2 00 6热分解温度 650650LOI6868介电常数100kHz3介电损耗0 001 目前 PBO纤维它的强度 模量 耐热性和难燃性都比有机纤维的性能好许多 其强度和模量更超过了碳纤维和钢纤维 其耐热性比PBI要高许多 它在火焰中不燃烧 不收缩而且仍然非常柔软 3 应用 PBO纤维主要用于耐热的产业用纺织品和纤维增强材料这两个领域 在耐热难燃材料方面 PBO可用作衬垫 用于铝型材 铝合金及玻璃制品等的成形过程 PBO是优秀的消防服材料 在纤维复合材料方面 它可以替代碳纤维 用于新型交通工具 宇宙空间器 深海海洋开发等 其具体用途 PBO纤维 二 聚苯并咪唑纤维 PBI 标准 GA10 2002NFPA1976EN469EN471AS4967 2002 此款消防战斗服装抗热性能极好 防水透气性能优良 轻巧舒适 士当今高档的布质消防战斗服之一 衣服的主体由多层特殊材料构成 包括德国PBI的防火布 阻燃隔热棉 Tetratex隔水膜和阻燃里布 采用Nomex阻燃线缝制 主要线缝用双针埋加以确保牢固 前襟用拉链和魔术贴封闭 衣服前襟内侧里层有一口袋 下摆有两个口袋 带袋盖并用魔术贴封闭 衣服还装有对讲机袋 领子为可以翻换直立式加攀搭 袖口内装有内袖罗纹并加魔术贴调节大小 裤腿装风琴工具袋 银黄色阻燃反光带 确保消防员的可见度和工作安全 用途 用于消防救火 道路事故抢险场合 颜色 金黄 藏青重量 不大于3公斤 1 结构聚苯并咪唑纤维 PBI 的结构式 2 性能表PBI纤维的物理性能PBIPBI 温度化处理 强度 cN tex 32 620 2 24 1伸长 3025 30模量 cN tex 698 5349 2密度 g cm3 1 391 43回潮率 13 015 0LOI4141烟雾散发性微微收缩性 700 2s 506 PBI纤维具有一系列的特殊性能 如耐高温性 阻燃性 尺寸稳定性和耐化学腐蚀性 PBI纤维可耐850 的高温 PBI在恶劣环境中耐化学腐蚀性很好 在酸及碱溶液中浸泡100h以上 其强度保持率达90 在150 左右的蒸汽下 经过70h 纤维强度保持率为96 对各种有机溶剂 几乎不受影响 其化学稳定性优于芳纶纤维 3 应用 由于PBI纤维的最大特点是耐高温性 因此从其诞生起 就应用于特殊的纺织品 如宇航服 飞行服等防护服装 可用于太空飞船中的密封垫 救生衣 可以防止身体被烧伤 近年来 由于石棉纤维的禁用 需要石棉纤维的替代品 而PBI纤维则是一种极好的石棉替代纤维 可应用于金属铸造工序 玻璃行业等隔热防护材料制品 如手套 工作服 输送带等 用PBI纤维制成的制品 其使用寿命比石棉制品长100倍 PBI纤维还可用于过滤材料制品 由于PBI纤维在高温下还具有石墨化的倾向 因此可用于制造石墨纤维 上世纪70年代以来 超过22 6cN dtex这一类超高强纤维的研制突飞猛进 在线性聚合物中 首先获得成功的是刚性链高强高模量纤维 例如聚对苯二甲酰对苯二胺纤维 此后的20多年 各国科学家从理论和实践两个方面进行了大量的研究工作 终于促使超高强聚乙烯纤维 超高强聚乙烯醇纤维 超高强聚丙烯腈纤维等相继诞生并开始了工业化生产 特别是超高强高模聚乙烯纤维的发展尤为迅速 四 高强高模聚乙烯纤维1989年 美国的Celanese公司和意大利的Snia公司分别推出了注册商标为Certran 梭穿 和Tenfor 推福 的高强高模聚乙烯纤维 此后 美国 日本 荷兰等国家的一些公司也开发了多种此类产品 1 结构特点高强高模聚乙烯纤维与常规纤维的不同点在于 尽可能提高聚合体的大分子的相对质量 尽可能提高非晶区缚结分子的含量 尽可能减少晶区折叠链的含量 尽可能将非晶区均匀分散到连续的结晶基质中去 2 纺丝工艺一般采用稀溶液或半稀溶液作为分散原液的方法 所以原料是超高相对分子质量的聚合体 对初生纤维进行超倍拉伸 采用凝胶纺丝方法 凝胶纺丝的基本工艺分两部分 第一部分是把超高强相对分子质量的聚合体溶解成半稀溶液 使它依次经过脱泡 过滤 计量 纺丝及凝固浴的冷凝 形成含有大量溶液的凝胶丝条 第二部分是使凝胶丝条经受超倍热拉伸 同时去除溶剂 拉伸之后 残留在纤维中的溶剂可以用萃取的方法除去 也可以在超倍热拉伸之前 先进行萃取 去除溶剂后进行整个凝胶纺丝 3 性能 1 高强高模聚乙烯纤维具有良好的力学性能 其强度在27 2 43 5cN dtex 2 2 3 5GPa 范围内 它的断裂伸长率为3 6 由于具有较高的断裂伸长率 因此材料的断裂比功是大的 其断裂比功大于碳纤维 玻璃纤维和芳纶纤维等 高强高模聚乙烯纤维的密度为0 97g cm3 相对于其它材料如碳纤维 玻璃纤维 芳纶 硼纤维 钢纤维 尼龙等 其比强度和比模量明显的高许多 高强高模聚乙烯纤维还具有很高的勾结和结节强度 由于其具有较好的柔曲性能 具有良好的耐疲劳性和耐摩擦性 因此 其适应于现行的纺织加工工艺 如加捻 机织 针织等 表各种纤维的勾结强度和结节强度勾结强度 cN dtex 结节强度 cN dtex 高强聚乙烯15 24 2513 07 20 67聚酰胺10 89 18 507 62 9 80碳纤维0 110聚酯纤维7 62 8 714 90 5 99尼龙67 62 8 715 99 7 62聚丙烯7 62 8 714 90 5 99 高强高模聚乙烯纤维具有良好的耐冲击性能 它的耐冲击性能高于聚酯纤维和芳纶 远高于碳纤维 仅低于聚酰胺纤维 但其受高速冲击时吸收的能量是芳纶和尼龙的2倍左右 因此 这种性能完全符合作防弹材料 2 高强高模聚乙烯纤维具有优良的耐光性 相对于其它纤维 高强高模聚乙烯纤维的耐光性是最好的一种 如经过1500小时光照后 芳纶 聚酯和尼龙纤维的强度保持率都在50 以下 而高强高模聚乙烯纤维的强度保持率还有60 左右 3 高强高模聚乙烯纤维具有优良的耐化学腐蚀性 在强酸 强碱中长时间浸渍 2000小时 后 芳纶的强度下降得十分厉害 几乎只有原强度的20 左右 相反 高强高模聚乙烯纤维不管在什么介质中 其强度都能保持在90 以上 4 高强高模聚乙烯纤维的热性能 普通聚乙烯纤维的熔点为134 而高强聚乙烯纤维由于大分子高度取向 其熔点上升了10 20 测定时 如加在纤维上的张力大 其熔点就高 若不加张力 则熔点就只有144 其耐热性较差 如在80 时 其强度和模量大约损失30 高强高模聚乙烯纤维可短时间接近熔点附近 在130 条件下保持3小时 其强度大部分还可以保持 这种情况已经基本满足加工复合材料时工艺温度的需要 5 高强高模聚乙烯纤维蠕变性能 高强高模聚乙烯纤维有相当的蠕变行为 其中凝胶纺丝时所用的溶剂对纤维的蠕变影响差异很大 若采用易挥发性溶剂 则纤维中溶剂的残留量很小 相应的蠕变就小 6 高强高模聚乙烯纤维的其它性能 高强高模聚乙烯纤维与普通聚乙烯纤维一样 几乎不吸湿 因此 其具有良好的耐水性能和耐湿性能 高强高模聚乙烯纤维介电常数较低 导电差 具有良好的电绝缘性能 4 高强高模聚乙烯纤维的用途 1 绳索类 由于聚乙烯强度高 模量高 密度小 耐腐蚀性好 因此特别适合于作海洋航行用绳索 它的绳索的断裂长度达336km 是芳纶2倍 无论是降落伞用绳或海底层矿产开发 均以高强聚乙烯为首选 2 防弹材料 由于高强高模聚乙烯纤维具有优良的吸收冲击的本领 纤维的可加工性好及特别小的密度使它在作防弹或防切割衣服方面具有其他纤维无法比拟的优点 3 用作复合材料的增强材料 优良的力学性能赋予它成为增强材料的可能性 只需设法进一步改进与各种树脂的粘结性能即可 其作为复合材料的应用领域十分广泛 如军用及民用头盔 比赛用帆船 赛艇等 五高强高模聚乙烯醇纤维 1 高强高模聚乙烯醇纤维的制造方法 在高强