《合成纤维》教学课件

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1、第三章,高性能合成纤维,2,概念辨析,是指材料对于来自外部的应力、热、光、电等物理作用或化学药品的化学作用的抵抗能力。避免材料遭到破坏失去使用价值的能力。,是指材料 受到外部作用时，使这些作用发生质的转变或量的变化，使纤维产生导电、传递、储存、光电及生物相溶性等方面能力。,性能,功能,3,分类,刚性链 柔性链,有机纤维,无机纤维,全芳香族聚酰胺纤维 全芳香族聚脂纤维 芳杂环类纤维等,高强高模聚乙烯纤维 高强聚乙烯醇纤维 高强聚丙烯纤维等,碳纤维 氧化铝 碳化硅 高强度玻璃纤维等,金属纤维,4,高性能合成纤维的特点,与金属纤维比较，具有密度低、易加工、容易成型且不易锈蚀等优点 与传统纤维比较，具

2、有高强度、高模量和耐高温的特点 高温下的尺寸稳定性高，热收缩率很低,5,从1931年，Carothers发明PA66开始，直至60年代，出现了很多PA品种，其中最重的发现是DuPont公司1962年发现的聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（Nomex），到1966年又发现聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（Kevlar） 。,3.1 芳香族聚酰胺纤维,Kevlar纤维的问世，代表着合成纤维向高强度、高楷量和耐高温的高性能化方向达到一个新的里程碑。,发 展 史,（1）芳纶纤维概述,6,（1）芳纶纤维概述,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85%的酰胺基直接键合在芳香环上，每个重复单元的酰胺基中的氮

3、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物称为芳香族聚酰胺纤维，我国定名为芳纶纤维。,定 义,7,（1）芳纶纤维概述,聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA纤维） 聚间苯二甲酰对苯二胺（Nomex纤维) 对/间芳纶（tverlana纤维) 芳砜纶（PSA纤维）,主要品种,组合了间位芳纶的经济性、 阻燃性和对位芳纶的耐热性,我国自主 研发并产业化,耐热性、耐化学性和阻燃性,芳纶1313芳纶1414,8,1,4,1,3,3.1 芳香族聚酰胺纤维,芳纶1313白短切纤维,芳纶纱,芳纶1313耐高温性好，不会熔融； 芳纶1414 强度高、模量高又耐高温高温下的尺寸稳定性高，热收缩率

4、很低,（2）品种介绍,Why?,9,结构与性能的差异,芳纶1313,分子结构中酰胺键与苯环间位连接,间位苯环 的共价键内旋转位能低，可旋转角度大,大分子是柔性链结构，在力学性能上接近普通的柔性链纤维,芳纶1414,对位连接的苯酰胺，酰胺键与苯环形成共轭结构,内旋位能相当高，呈线性刚性伸直链结构，分子排列规整，结晶和取向极高,溶致液晶聚合物，纤维的强度和模量相当高,3.1 芳香族聚酰胺纤维,10,PPTA成纤聚合物采用低温溶液聚合 相对分子质量:2000025000 采用液晶纺丝 结构: 沿径向的梯度的皮芯结构,（2）品种介绍,芳纶1414,Kevlar29 Kevlar49 Kevlar149

5、,分子间氢 键密度,高韧性,高模量,超高模量,11,液晶纺丝,具有向列型液晶结构的纺丝原液通过喷丝孔时，在剪切力和伸长流动下，全体向列型液晶微区沿纤维轴向取向 在空气层中进一步伸长取向 随后在低温凝固裕中冷冻凝固成形、分子取向结构被保留下来这样得到高强度高模量的纤维.,3.1 芳香族聚酰胺纤维,其熔点高于热分解温度，而且在常规有机溶剂中很难溶解，因此用普通的纺丝方法无法制得纤维；,溶解在浓硫酸中，达到临界浓度时，形成高分子液晶溶液,1966年杜邦公司,8%9%,干喷湿纺,12,PPTA纤维的优点,高拉伸强度、高拉伸模量、低密度、优良吸能性和减震、耐磨、耐冲击、抗疲劳、尺寸稳定等优异的力学和动态

6、性能； 良好的耐化学腐蚀性； 高耐热、低膨胀、低导热、不燃、不熔等突出的热性能； 优良的介电性能。,3.1 芳香族聚酰胺纤维,13,PPTA纤维的应用,航空、航天领域：发动机壳体及零部件； 防弹领域：头盔、背心、运钞车、防穿甲弹坦克等； 建筑领域：替代钢筋纤维（芳纶辫绳的强度通常是钢筋的5倍，而密度只有它的1/5）； 轮胎帘子线：与常规轮胎相比，采用芳纶帘子线的轮胎质量可减轻3kg，而价格只高10%； 各种高压气罐； 高速列车的天花板和内部隔板。,3.1 芳香族聚酰胺纤维,高性能有机纤维,增强体,14,PPTA纤维的应用,3.1 芳香族聚酰胺纤维,15,采用间苯二甲酰氯和间苯二胺为原料在二甲基

7、乙酰溶剂中进行低温聚合 溶液纺丝 应用,（2）品种介绍,芳纶1313,大分子为扭曲结构 不能形成液晶态,绝缘纸 蜂窝结构材料 毡,16,3.2芳香族聚酯纤维,聚对羟基苯甲酸 聚对苯撑对苯二甲酸酯,PPTA纤维具有高强度、高模量、高耐热性，但其液晶纺丝技术复杂、价格太高,采用酯基取代酰胺基，制备芳香族聚酯结构，采用熔体纺丝取代液晶纺丝？,最简单结构,但化学结构刚性太强，不仅熔融温度比分解温度高， 而且也不溶解于强酸之类溶剂中，只能烧结成形。,17,降低刚性 用共聚方法导入不规整分子基团或柔性基团？,DuPont公司提出PET与对羟基苯甲酸共聚，得到X-7G纤维(1976) ，熔点显著降低，但其强

8、度和模量不太高,进一步改性,合成原料：芳香族二元酚、二元酸、羟基酸,3.2芳香族聚酯纤维,熔融纺丝,18,例如美国金刚砂和日本住友化学公司开发的Ekonol，分子中引入联苯结构，纤维强度为4.1GPa，模量134GPa。,现已实现工业化产品： 美国塞拉尼斯和日本可乐丽公司合作开发的Vectran纤维。,3.2芳香族聚酯纤维,存在问题：产业化产品不多 纺丝采用熔融液晶成形，初生丝力学性能较低，要经过长时间的热处理，纤维性能才能上升，因此能耗大，生产效率低。,19,3.3 芳杂环纤维,聚苯并咪唑纤维 聚亚苯基苯并二恶唑纤维 聚亚苯基苯并二噻唑纤维和含单甲基和四甲基侧基的聚亚苯基苯并二噻唑纤维 聚酰

9、亚胺纤维 M5纤维,(PBI),(PBO),20,3.3 芳杂环纤维,聚苯并咪唑纤维(PBI)是美国塞拉尼斯公司研制开发并且工业化的耐高温、耐化学腐蚀、纺织加工性优良的一种高科技纤维。,（1）聚苯并咪唑纤维,聚苯聚苯并咪唑是间苯二甲酸二苯酯和四氨联苯的缩聚物 以二甲基乙酰胺为溶剂在氮气下进行干纺制得纤维 后加工经酸处理可提高纤维尺寸稳定性,21,特殊纺织制品：如宇航服、飞行服，太空飞船中密封垫、救生衣； 金属铸造、玻璃行业：隔热防护材料，如手套，工作服，输送带。,（1）聚苯并咪唑纤维,性能与应用,优 点,耐高温性、阻燃性、尺寸稳定性和耐化学腐蚀性，还有穿着舒适性等。,缺 点,力学性能不太高,2

10、2,（2）聚亚苯基苯并二恶唑纤维,含苯环和苯杂环，为刚性棒状分子链 含有许多毛细管状的细孔，取向度因子高 溶致液晶，干喷温纺 高强、高模、耐高温，耐水和化学稳定 压缩性能差 防弹、阻燃材料,Stanford研究所拥有此单体和聚合物技术专利，Dow化学公司授权对其进行开发，1995年开始小批量生产,结构、性能与应用,0.95,纵向截面,热分解温度达到650，它在火焰中不燃烧不收缩且仍然非常柔软，因此是十分优异的耐热纺织面料。,强度超过炭纤维,23,3.4 超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）,设想： 既然柔性聚酯、聚酰胺能够开发成高强高模纤维，那么聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚烯烃等常规纤维也能否开发成

11、高强高模纤维？ 近40多年来，各国科学家从理论和实践两个方面进行了大量、深入细致的研究工作，终于促使超高强聚乙烯纤维、超高强聚乙烯醇纤维、超高强聚丙烯脂纤维相继诞生，并开始了工业化生产。其中、超高强高模聚乙烯纤维的发展尤为迅速。,24,3.4 超高分子量聚乙烯,70年代初期，英国Leeds大学Ward教授首先用熔融纺丝法得到了中强PE纤维； 1989年，美国Ce1anese及意大利的Snia两个公司利用分别推出了超高分子量聚乙烯纤维； 荷兰DSM矿业公司发表凝胶纺丝法纺制超高强高模聚乙烯纤维的专利；荷兰DSM公司、日本三井石油对其进行了产业化。,（1）发展史：,25,（2） 凝胶纺丝-超延伸技

12、术,第二步：将凝胶丝条经受超倍热拉伸（20倍），同时除去溶剂。,3.4 超高分子量聚乙烯,第一步：把超高相对分子质量的聚合物溶解成半稀溶液， 让它依次经过脱泡、过滤、计量、纺丝从凝固浴的冷凝， 形成含有大量溶剂的凝胶丝条。,2%10%,折叠链 伸直链,凝胶点,26,性能特点,在低温和常温的领域内有着极其广阔的应用前景。,3.4 超高分子量聚乙烯,芳纶1414:2.152.58GPa,强度高达到2.23.5GPa， 具有很好的耐疲劳性和耐磨擦性； 耐冲击性能强于芳纶、碳纤维、聚酯，仅小于尼龙 在高强纤维中，它是最高的 耐光性是所有纤维中最好的； 优良的耐化学腐蚀性：经强酸、强碱2000h浸泡，高

13、强 PE的强度能保持在90%以上，而芳纶只有原来的20%； 热性能：熔点144,100130,27,应用,绳索类：由于聚乙烯强度高、模量高、密度小、耐腐蚀性好，因此特别适合用作海洋航行用绳索。降落伞用绳，高强聚乙烯纤维也是首选对象； 防弹材料：高强聚乙烯纤维优良的吸收冲击能量的本领、纤维的可加工性及特别小的密度都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。 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特性，只要设法进一步改进与各种树脂的粘结性能，其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。,3.4 超高分子量聚乙烯,28,3.5 碳纤维,碳纤维是

14、由有机纤维或低分子烃气体原料加热至1500所形成的纤维状碳材料，其碳含量在90%以上。 碳纤维是由有机纤维如黏胶纤维、聚丙烯腈纤维或沥青纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90一99的纤维。,（）概述,定 义,制 备,29,碳纤维的性能特点,低密度 高强度 高模量 耐高温 抗化学腐蚀 低电阻 高热导 低热膨胀 耐化学辐射,此外，还具有纤维的柔曲性和可编性，比强度和比模量优于其它纤维增强体。,（）概述,30,碳纤维的分类,(1)按先驱体纤维原料类型分类： 聚丙烯腈基碳纤维 沥青基碳纤维 黏胶基碳纤维 气相生长碳纤维,（）概述,31,碳纤维的分类,(2)按碳纤维的制造方法不同分类可分为： 碳纤维(

15、800一l600) 石墨纤维(2000一3000) 氧化纤维(预氧化丝200300) 活性碳纤维 气相生长碳纤维,功能纤维,（）概述,32,碳纤维的分类,(3)按纤维力学性能分类可分为： 通用级碳纤维(GP) 高性能碳纤维(HP),其中高性能碳纤维包括中强型(MT)、高强型(HT)、超高强型门（UHT)、中模型(IM)、高模型(HM)、超高模型(UHM),（）概述,断裂强度GPa 模量 400700 GPa,33,碳纤维的分类,(4)按碳纤维的应用领域分类：,商品级碳纤维 宇航级碳纤维,(5)按碳纤维的功能分类：,受力结构用碳纤维 耐焰(火)碳纤维 活性碳纤维(吸附活性),导电用碳纤维 润滑用

16、碳纤维 耐磨用碳纤维 耐腐蚀用碳纤维,（）概述,34,（）碳纤维的制法,碳纤维的制造是以含C量高的有机纤维作为先驱纤维，在N2、Ar气氛保护和施加张力牵伸下，通过加热(碳化)去除大部分非碳元素，得到碳的石墨晶体结构为主体的纤维材料.,先驱有机纤维的要求,碳化过程不熔融，能保持纤维形态； 碳化收率较高；碳化收率即制备出的碳 纤维与原丝的质量比; 碳纤维强度、模量等性能符合要求； 能获得稳定连续长丝。,(1)黏胶纤维(再生纤维素),(2)沥青纤维(C、H),(3)PAN纤维,含炭量低 挥发物多、易产物气孔 炭化收率低、能耗大,35,（）碳纤维的制备方法,PAN-CF的工艺过程为：,PAN纤维预氧化 碳化石墨化 表面处理,PAN碳纤维的生产流程示意图,共聚组分作用：促进原丝的预氧化和环化交联,需张力,色泽变化