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1、第二章3 凯夫拉纤维,授课教师：刘君妹,一、凯夫拉纤维的发展,也称Kevlar或芳纶，即芳香族聚酰胺纤维 1）1960年，美国杜邦研制出Nomex聚间苯二甲酰间苯二胺纤维，即芳纶1313，耐热纤维 2）1965年，杜邦研制出Kevlar聚对苯二甲酰对苯二胺纤维，即芳纶1414，高强高模量纤维 3）1974年，美国联邦通商委员会把全芳香族聚酰胺命名为Aramid。,一、凯夫拉纤维的发展,聚对苯二甲酰对苯二胺商业名称： 美国Kevlar、日本帝人Technora、荷兰阿克苏Twaron、中国芳纶1414 聚间苯二甲酰间苯二胺 美国Nomex、日本帝人Conex、荷兰阿克苏Twaron 中国芳纶13
2、13,一、凯夫拉纤维的发展,凯夫拉(Kevlar)纤维国内发展 起步阶段：技术水平、产品档次及生产能力都与国外发达国家存在着一定的差距。 产品种类： 轮胎帘子线 光缆补强件 艰难的原因 生产的技术瓶颈难以突破 大部分原料需要进口,Kevlar纤维或产品,Kevlar纤维或产品,Kevlar纤维或产品,Kevlar纤维或产品,Kevlar纤维或产品,二、Kevlar纤维的制造,芳香族聚酰胺是由酰胺键与两个芳环连接而成的线性聚合物。芳香族聚酰胺中最具代表性的首称聚对苯二甲酰对苯二胺(Polypphenylene terephthalamide)，简称PPTA。 芳纶根据纤维大分子链节中酰胺键与亚胺
3、键的位置，有不同的名称，例如Kevlar29、Kevlar 49等。,二、Kevlar纤维的制造,1.聚合物的准备： 简称PPTA (固态),二、Kevlar纤维的制造,高聚物溶液的特性： 1）高聚物溶液不溶于一般的溶剂，仅溶于强酸，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点。体积分数20%,高取向的液晶,各向异性 3）聚合物体积分数18-22%，温度90处于可纺性良好的低粘度区,高聚物溶液的特点,二、Kevlar纤维的制造,2. 纺丝：采用干喷湿法纺丝工艺,二、Kevlar纤维的制造,工艺过程： 各向异性的PPTA溶液通过喷丝孔抽伸时，靠近细孔壁时产生剪切，当成形丝凝
4、结时，将保持高取向分子结构，形成较高的洁净度和较高的取向结构。,二、Kevlar纤维的制造,凝固浴的温度为0 -5 中间空气层间隙可使高温纺丝喷丝头和低温凝固浴保持温差，同时在空气层中进行适宜的喷头拉伸，增加取向度 纺丝速度可达2000m/min,三、Kevlar纤维及其产品,1）Kevlar长丝纱 美国杜邦：Kevlar、kevlar29、49、68、100、119、129、149 荷兰阿克苏：Twaron1000、1010、1111、1055、1056 日本帝人：Technora200、210、240,三、Kevlar纤维及其产品,Kevlar-帘子线、kevlar29-各种用途的纱、49
5、-高模量纱、68-中模量纱、100-各种色纱、119-高伸长纱、129-高强度纱、149-超高模量纱 Twaron1000-标准模量、1010-标准模量、1111-中等模量、1055-高模量、1056-高模量 Technora200-高强（增强基）、210-高强（绳索）、240-高强（机织、针织物）,三、Kevlar纤维及其产品,2. Kevlar色纤维 4种基本颜色：灰绿色、品蓝、黑色、黄色 品种：长丝和短纤维 用途：制作防护服，如消防服、运动员手套等 性能：与Kevlar29类似,三、Kevlar纤维及其产品,3. Kevlar短纤维： 类型：卷曲和无卷曲，长度6.35-63.5mm 用途
6、：增强材料、替代石棉作离合器衬片、缝纫线 4. Kevlar织物：长丝可织成机织物 织物密度：轻薄、中厚 织物组织：平纹、缎纹、方平 用途：复合材料、装甲车、防弹服等,三、Kevlar纤维及其产品,5. 芳纶的浆粕化： 近十多年来开发的对位芳纶差别化产品，是高分散性的原纤化芳纶产品 制造：长丝切断，在水中分散进行机械叩解和研磨，纤维被撕裂而原纤化 用途：石棉的替代品,四、凯夫拉纤维的性能,纤维的大分子刚性极佳，链缠结少,取向度、结晶度高，分子链几乎处于完全伸直状态，这种结构使纤维表现出良好的强度、模量及热稳定性 。 纤维密度小，只有钢丝的15。 可耐240高温。 拉伸强度高，耐屈折、耐疲劳、耐
7、腐蚀，膨胀系数小。 是一种性能优异的纤维。,四、凯夫拉纤维的性能,1. 物理性能： (1)有光，黄色，Kevlar49为深黄色 (2)线密度：大部分13.7tex，直径0.012mm (3)密度：大部分1.43-1.44g/cm3 锦纶1.14，聚酯1.38，碳纤维1.8 玻璃纤维2.25，钢丝7.8,四、凯夫拉纤维的性能,2.机械性能： 1）强伸性能：比强度、比模量高,对温度不敏感 单丝强度：22.9-26.5cN/dtex 捻系数对强度的影响：开始随捻度增加，强度增加，并达到以最高值后，随后下降。最佳捻系数1.1。 自由长度：指纤维由于自身重量而断裂的长度，它等于强度/密度。是钢丝空气中的
8、7倍，海水中的26倍,捻系数与拉伸强度的关系,温度与拉伸强度的关系,凯夫拉纤维与钢丝自由长度的关系,610 457 305 150 0,空气中 海水中,凯夫拉49,凯夫拉49,几种工业长丝纱性能比较,几种纤维主要性能的比较,四、凯夫拉纤维的性能,2）压缩性能：径向和轴向具有较低的压缩性能，是由它的高结晶度和高取向度决定 3）剪切性能：较低，因为它具有各向异性 拉伸强度/压缩强度/剪切强度/=5/17，拉伸模量/切变模量=70 4）耐磨性能：较低，纤维之间或纤维与金属表面摩擦，纤维易原纤化 5）疲劳性能：品种不同，耐疲劳性有区别,Kevlar49拉伸、压缩和剪切性能,各种纤维的扭转切变模量,Ke
9、vlar纤维疲劳性能,四、凯夫拉纤维的性能,3. 热性能 具有良好的散热和绝热性能 在相同重量下，Kevlar纤维比玻璃纤维和石棉织物具有较好的热绝缘性 具有极好的热稳定性，500以上降解 抗燃性能好，不产生后燃烧，不帮助燃烧，427 炭化 尺寸稳定性好，具有非常低的热收缩,四、凯夫拉纤维的性能,4. 化学性能： 氧化稳定性好，有极好的稳定性和很低的强度损失，在有氧环境下，长时间使用的最高温度为150度 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，对橡胶有良好的粘附性，但耐日晒和抗紫外线能力差,Kevlar49纤维比热容,Kevlar29、玻纤和石棉织物的导热
10、系数,有机纤维燃烧时放出的气体,五、Kevlar纤维的应用,由于芳纶纤维的独特性能，使它在工业及军事上的应用十分广泛。在工业上可制作轮胎帘子线、高强度索具、耐压容器等。在军事方面如制作防弹衣、头盔、装甲板等。芳纶纤维可用做飞机的机身、机翼；内装修材料和火箭发动机外壳。用以制作体育器材，从根本上改变了器材的性能，如高尔夫球杆、冰球杆、网球拍、滑雪板、赛艇、赛车等 。,五、Kevlar纤维的应用,1. 产业用纺织品： 缆绳类：升降机吊索、快艇绳索 编织线绳类：耐热缝线、发热线 编织带类：耐热带、安全带、运输带 织物：篷布、耐热帆布、降落伞用布 非织造布：耐热毡 土工布：增强格栅材料,五、Kevlar纤维的应用,2.防护服： 防弹衣：防弹背心、防弹头盔 切割防护：安全手套、运动衣等 防腐蚀：工作防护服,五、Kevlar纤维的应用,3. 增强材料： 轮胎 运力带 胶管 复合材料,五、Kevlar纤维的应用,3.石棉替代品 摩擦材料：刹车垫片、离合器衬垫 密封材料：密封垫片、气缸垫 工业用纸：耐热绝缘纸、工业特种用纸,五、Kevlar纤维的应用,4.水泥补强 建筑材料：地基屋顶材料 补强材料：钢筋替代材料,
