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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1
2、313一、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(Polyp phenylene terephthalamide)，简称PPTA。 芳纶根据纤维大分子链节中酰胺键与亚胺键的
3、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 结时，将
4、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 -高
5、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：增强材
6、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、耐腐蚀，膨 胀
7、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7倍，海水中的26
8、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钢丝钢丝6104573051500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项目Kevlar49锦纶728聚酯68玻璃纤维 E-HTS不锈钢断裂强度 cN/dtex19.28.68.19.52.2模量 cN/dtex861.948.4100.0270.4254.4断裂伸长 %2.518.314.53.52.0密度 g/cm31.441.141.382.557.86几种纤维主要性能的比较项目单位Kevlar29Kevlar49CarbonEGlass密度 抗张强度 弹性模量 断裂伸长g/cm3 MPa GPa
9、 %1.44 2.76 62 3.81.45 2.76 131 2.41.80 3.65 235 1.32.54 1.52 69 4.0fiber modulus (Gpa)fiber strain (%)1234124E-glass (350 ksi)Aramid (500 ksi) Carbon (600 ksi)fiber modulus (Gpa)fiber strain (%)1234124E-glass (350 ksi)Aramid (500 ksi) Carbon (600 ksi)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
10、 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、压缩和剪切性能拉伸压缩剪切断裂强度cN/dtex 断裂应变或屈服应变% 模量cN/dtex24.1 2.50 898.64.6 0.50 896.61.2 10.0 12.4各种纤维的扭转切变模量纤维 切变模量 GPa拉伸模 量/切变 模量纤维切变模量 GPa拉伸模 量/切变 模量 玻纤 钢 锦纶 丙纶 聚酯0.33-0.48 0.75 0.852.0 2.8
11、5.8粘胶 羊毛 腈纶 Kevlar 490.84-1.2 1.30 1.0-1.6 1.808.2 3.270.0Kevlar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
12、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纤维比热容温度/K比热kj/(kgK) 温度/K比热kj/(kgK)273 323 373 4231220 1600 1990 2360473 523 5732620 2740 2840Kevlar29、玻纤和石棉织物的 导热系数织物面密度 g/m2厚度 mmKJ/(m2s )温速 (/25s) Kevlar29 Kevlar29 （3股） Kevlar29 （毡） 玻纤 玻纤8股 石棉333 998917285 2282 13860.76 2.162.670.30 2.16 2.2913.5 6.83.525.0 4.4
13、7.060 3016111 19 31有机纤维燃烧时放出的气体CO2COC2H2C2H4CH4N2OHCNANNH3HClK49 腈纶 改性 锦纶 锦66 羊毛 聚酯1850 1300 11001200 1100 100050 170 110250 120 3005 1050 7 61 2 15 1 517 1825 10 1010 45 1720 3014 40 5030 1750 803.5 3 520五、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
14、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
