《产业用纺织品》PPT课件.ppt
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1、新兴的学科第二章第二章产业用纤维材料产业用纤维材料第二节第二节产业用产业用高性能纤维高性能纤维分类分类 优点优点极极高高的的机机械械性性能能。高高强强度度,高高弹弹性性模模量量。纤纤维维材材料料的的进进步步使使得得制制造造先先进进复复合合材材料成为了可能。料成为了可能。高高性性能能纤纤维维具具有有耐耐高高温温性性,具具有有高高温温下下尺尺寸寸稳稳定定性性,热热收收缩缩率率很很低低,因因此此在在耐耐热防护材料上有特殊用途。热防护材料上有特殊用途。高高性性能能纤纤维维的的另另一一优优点点是是密密度度低低。有有利于制品的轻量化。利于制品的轻量化。有机高性能纤维有机高性能纤维加工简便加工简便,容易成型
2、。,容易成型。有机和无机高性能纤维有机和无机高性能纤维耐腐蚀耐腐蚀。不足:不足:不不耐耐太太空空环环境境中中温温度度的的急急剧剧变化;变化;真空下耐发射性辐照较差;真空下耐发射性辐照较差;耐超低温性较差。耐超低温性较差。目目前前,高高性性能能纤纤维维的的商商品品种种类类很很多多,性性能能差差异异很很大大,价价格格差差异异也也很很大大,有有些些纤纤维维购购买买渠渠道道还还不畅通等。不畅通等。表表各种高性能纤维的基本性能各种高性能纤维的基本性能纤维种类纤维种类 商品名商品名 强度(强度(GPaGPa)伸伸 长(长(%)模模 量(量(GPaGPa)密密 度(度(g/cmg/cm3 3)熔点(熔点()
3、对位芳香族聚酰胺对位芳香族聚酰胺Kevlar 2.8 2.4 132 1.44 560Kevlar 2.8 2.4 132 1.44 560(d d)间位芳香族聚酰胺间位芳香族聚酰胺Metamax0.50.8 3550 6.79.8 1.38 430Metamax0.50.8 3550 6.79.8 1.38 430(d d)芳香族聚酯芳香族聚酯 Ekonol 4.1 3.1 134 1.40 380Ekonol 4.1 3.1 134 1.40 380 Vectran 2.8 3.7 69 1.40 270 Vectran 2.8 3.7 69 1.40 270芳香杂环类纤维芳香杂环类纤维P
4、BZT 4.2 1.4 250 1.58 600PBZT 4.2 1.4 250 1.58 600(d d)PBO 5.5 2.5 280 1.59 650 PBO 5.5 2.5 280 1.59 650(d d)PBI 0.38 2530 5.7 1.43 450 PBI 0.38 2530 5.7 1.43 450(d d)高强聚乙烯高强聚乙烯 Dyneema 3.4 2.0 160 0.98 140Dyneema 3.4 2.0 160 0.98 140 Spectra 3.5 Spectra 3.5,2.5 156 0.97 140 2.5 156 0.97 140高强聚乙烯醇高强聚
5、乙烯醇Kuraion#7901 2.1 4.9 46 1.32 245Kuraion#7901 2.1 4.9 46 1.32 245(d d)高强聚丙烯腈高强聚丙烯腈 2.4 7.8 28 1.18 230 2.4 7.8 28 1.18 230(d d)碳纤维碳纤维 Pyrofil 1.93.5 0.41.2 300500 1.80Pyrofil 1.93.5 0.41.2 300500 1.80 Torayca 37 1.52.4 200300 1.80 Torayca 37 1.52.4 200300 1.80氧化铝纤维氧化铝纤维 1.52.9 1.5 250 4.0 1.52.9 1
6、.5 250 4.0玻璃纤维玻璃纤维 Gevetex 23.5 2.03.5 7090 2.5 825Gevetex 23.5 2.03.5 7090 2.5 825钢纤维钢纤维 2.8 200 7.8 1600 2.8 200 7.8 1600钛合金纤维钛合金纤维 1.2 106 4.5 1.2 106 4.5铝合金纤维铝合金纤维 0.6 71 2.7 0.6 71 2.7 一、一、芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维芳纶纤维的应用领域示意图 1 1、定义、定义芳香族聚酰胺纤维即芳纶芳香族聚酰胺纤维即芳纶19601960年年由由美美国国杜杜邦邦公公司司研研制制出出的的一一种种新新型型化化学学纤纤
7、维维NomexNomex(HT-1HT-1)。NomexNomex即即芳芳纶纶13131313在在19671967年年上市。上市。19721972年年,杜杜邦邦公公司司又又推推出出KevlarKevlar纤纤维维,即即芳芳纶纶14141414。为为了了与与三三大大合合成成纤纤维维的的脂脂肪肪聚聚酰酰胺胺即即尼尼龙龙相相区区别别,美美国国联联邦邦通通商商委委员员会会于于19741974年年把把全全芳芳香香族族聚聚酰胺命名为芳香族聚酰胺纤维酰胺命名为芳香族聚酰胺纤维(AramidAramid)。ISO20761977ISO20761977(E E)对对芳芳香香族族聚聚酰酰胺胺定定义义为为:“由由酰
8、酰胺胺键键连连接接的的由由芳芳香香族族基基团团组组成成的的合合成成线线型型高高分分子子,其其酰酰胺胺键键的的85%85%以以上上与与两两个个芳芳香香族族基基直直接接结结合合者者,亦亦包包括括酰酰胺胺键键的的50%50%以以下下被被酰酰亚亚胺胺键键置置换换者者。”2 2、发展、发展19511951年年,美美国国杜杜邦邦公公司司FloryFlory发发明明低低温温溶溶液液聚聚合合法法,无无意意制制造造出出NomexNomex。19671967年年帝帝人人的的ConexConex上上市市。此此后后,世世界界各各发发达达国国家家竟竟相相研研制制生生产产芳芳香香族族聚聚酰酰胺胺纤纤维维,使使世世界界对对
9、位位芳芳香香族族聚聚酰酰胺胺纤纤维维的的年年产产量量达达到到3 3万万吨吨,间间位位芳芳香香族族聚聚酰酰胺胺纤纤维维的的年年产产量量达达到到1 1万万吨吨。其其生生产产能能力力最最大大的的是是杜杜邦邦公公司司于于19931993年年在在西西班班牙牙建建的的厂厂。近近年年来来,芳芳香香族族聚聚酰酰胺纤维的需求量在迅速增长。胺纤维的需求量在迅速增长。芳纶纤维的发展简史芳纶纤维的发展简史年代年代 公司公司 发展简史发展简史1951 1951 杜邦杜邦FloryFlory发明低温溶液聚合法发明低温溶液聚合法1953 1953 杜邦杜邦MorganMorgan开发全芳香族聚酰胺系低温溶液聚合法开发全芳香
10、族聚酰胺系低温溶液聚合法1960 1960 杜邦杜邦开始开发间位全芳香族聚酰胺纤维开始开发间位全芳香族聚酰胺纤维Nonex(HT-1)Nonex(HT-1)1965 1965 杜邦杜邦KwolekKwolek发明液晶纺丝法,开始研究对位系发明液晶纺丝法,开始研究对位系全芳香族聚全芳香族聚酰胺纤维(酰胺纤维(PBAPBA)1967 1967 杜邦杜邦NomexNomex上市,用于纤维和造纸上市,用于纤维和造纸1968 1968 杜邦杜邦开始研究对位系全芳香族聚酰胺纤维(开始研究对位系全芳香族聚酰胺纤维(PPTAPPTA)1969 1969 杜邦杜邦对位系全芳香族聚酰胺对位系全芳香族聚酰胺“纤维纤
11、维B B(PBAPBA)”公布公布1970 1970 杜邦杜邦发明干式纺丝法发明干式纺丝法1971 1971 帝人帝人间位系全芳香族聚酰胺纤维(间位系全芳香族聚酰胺纤维(ConexConex)上市上市1972 1972 杜邦杜邦对位系全芳香族聚酰胺纤维对位系全芳香族聚酰胺纤维“KevlarKevlar(PPTAPPTA)”上市上市1974 1974 FTC FTC 全芳香族聚酰胺纤维正式命名为全芳香族聚酰胺纤维正式命名为“Aramid”Aramid”1974 1974 帝人帝人对位系全芳香族聚酰胺纤维(对位系全芳香族聚酰胺纤维(HM-50HM-50)申请专利申请专利1979 1979 恩卡恩卡
12、对位系全芳香族聚酰胺纤维工业化对位系全芳香族聚酰胺纤维工业化(Arenka)Arenka),后改称后改称“Twalon”Twalon”1982 1982 杜邦杜邦建成建成Kevlar2000Kevlar2000吨吨/年生产线年生产线1984 1984 东丽东丽与杜邦合作,在日本开始销售与杜邦合作,在日本开始销售1985 1985 帝人帝人HM50HM50工业化工业化3 3、结构特征、结构特征芳芳纶纶是是一一种种新新型型的的合合成成纤纤维维,它它和和聚聚酰酰胺胺纤纤维维一一样样,在在构构成成纤纤维维的的高高聚聚物物长长链链分分子子中中含含有有酰酰胺基胺基 CONHCONH,因此其属于聚酰胺纤维。
13、因此其属于聚酰胺纤维。但但其其又又不不同同于于普普通通的的聚聚酰酰胺胺纤纤维维,其其构构成成纤纤维维的的大大分分子子长长链链中中,连连接接酰酰胺胺基基间间的的是是芳芳香香环环或或其其衍衍生生物物,所所以以把把这这类类纤纤维维统统称称为为芳芳香香族族聚聚酰酰胺胺纤维,简称芳纶。纤维,简称芳纶。芳芳纶纶在在化化学学结结构构上上与与锦锦纶纶类类相相似似,都都含含酰酰胺胺基团,它们的区别在于分隔基团的不同。基团,它们的区别在于分隔基团的不同。4 4、性能特征、性能特征 结结构构的的不不同同使使芳芳纶纶具具有有极极高高的的拉拉伸伸强强度度(仅仅次次于于玻玻璃璃纤纤维维、石石墨墨纤纤维维和和FBIFBI纤
14、纤维维)和和耐耐热热性性,具具有有固固有有的的阻阻燃燃性性以以及及优优异异的的耐耐干干热热性性和和良良好好的的韧韧性性,芳芳纶纶纤纤维维的的相相对对密密度度大大于于锦锦纶纶但但小小于于棉棉纤纤维维,其其开开发发的的初初衷衷是是用用于于航航天天,但但现现在在已已广广泛泛用用于于消消费费纺纺织品和产业用纺织品。织品和产业用纺织品。芳纶芳纶13131313耐高温纤维耐高温纤维机机械械性性质质:强强度度较较高高。在在通通常常情情况况下下,强度为强度为48.448.4cN/texcN/tex,断裂伸长率为断裂伸长率为17%17%。纤维密度:纤维密度:为为1.381.38g/cmg/cm3 3。热热学学性
15、性质质:芳芳纶纶13131313具具有有良良好好的的耐耐热热性性,其其耐耐腐腐蚀蚀性性和和防防燃燃性性。如如在在260260的的高高温温下下连连续续使使用用10001000h h,其其强强度度仍仍能能保保持持原原强强度度的的65%65%;在在300300的的高高温温下下连连续续使使用用一一周周,仍可保持原强度的仍可保持原强度的50%50%。化化学学性性能能:具具有有良良好好的的耐耐碱碱性性,耐耐酸酸性性好好于于锦锦纶纶,具具有有良良好好的的耐耐有有机机溶溶剂剂、漂漂白剂以及抗虫蛀和霉变。白剂以及抗虫蛀和霉变。芳纶芳纶14141414高强度纤维高强度纤维 机机械械性性质质:芳芳纶纶1414141
16、4是是目目前前使使用用的的有有机机纤纤维维中中强强度度最最高高的的,其其强强度度可可达达193.6193.6cN/texcN/tex,断断裂裂伸伸长长率率为为4%4%。初初始始模模量量远远高高于于其其它它纤纤维维,其其初初始始模模量量为为4400 4400 CN/texCN/tex,为为聚聚酰酰胺胺纤纤维维的的1111倍倍,为为涤纶六倍左右。涤纶六倍左右。纤维密度:纤维密度:为为1.431.441.431.44g/cmg/cm3 3。热热学学性性质质:纤纤维维的的热热稳稳定定性性远远高高于于其其它它纤纤维维,在在150150下下纤纤维维的的收收缩缩率率为为0 0,在在较较高高的的温温度度下下仍
17、仍能能保保持持很很高高的的强强度度。熔熔点点为为600600,最最高高使使用用温温度为度为232232。化化学学性性能能:具具有有良良好好的的耐耐碱碱性性,耐耐酸酸性性好好于于锦锦纶纶,具具有有良良好好的的耐耐有有机机溶溶剂剂、漂漂白白剂剂以以及及抗抗虫虫蛀和霉变。对橡胶具有良好的粘附性。蛀和霉变。对橡胶具有良好的粘附性。表表 间位芳香族聚酰胺纤维的一般物理性能间位芳香族聚酰胺纤维的一般物理性能物性物性 Nomex ConexNomex Conex密度(密度(g/cmg/cm)1.38 1.38 1.38 1.38单丝纤度单丝纤度(tex)0.22 0.22tex)0.22 0.22拉伸强度拉
18、伸强度(cN/tex)35.347.661.7断裂伸长率断裂伸长率(%)3137拉伸弹性模量拉伸弹性模量(cN/tex)617.4661.5含水率含水率(%)55300300热收缩率热收缩率(%)3.53.7热分解温度热分解温度()400430250250强度保持率强度保持率(%)60干热暴露强度保持率干热暴露强度保持率(25025010001000H H)(%)60湿热暴露强度保持率湿热暴露强度保持率(12012010001000H H)(%)60LOI LOI 3032表表对位芳香族聚酰胺纤维的一般物理性能对位芳香族聚酰胺纤维的一般物理性能纤纤维维种种类类 密密度度(g/cmg/cm3 3
19、)强强度度(cN/tex)伸伸度度(%)弹弹性性模模量量(cN/tex )含含水水率率(%)PPTA Kevlar29 PPTA Kevlar29 1.43 202.9 3.6 4851 7.01.43 202.9 3.6 4851 7.0 Kevlar49 Kevlar49 1.45 195.8 2.4 7497 4.51.45 195.8 2.4 7497 4.5 Kevlar119 Kevlar119 1.44 211.7 4.4 3793 7.01.44 211.7 4.4 3793 7.0 Kevlar129 Kevlar129 1.44 233.7 3.3 6703 6.51.44
20、 233.7 3.3 6703 6.5 Kevlar149 Kevlar149 1.47 158.8 1.5 9790 1.51.47 158.8 1.5 9790 1.5Technora 1.39 247 4.6 5203 2.0Technora 1.39 247 4.6 5203 2.0E E玻璃玻璃 2.54 84.7 4.0 2646 2.54 84.7 4.0 2646 钢钢7.8301.724695 5、芳纶的用途、芳纶的用途芳纶芳纶14141414主主要要用用于于高高速速行行驶驶或或重重载载汽汽车车和和飞飞机机的的轮轮胎胎帘帘子子线线。由由于于其其强强度度高高,密密度度小小,因因
21、此此用用它它制制成成的的轮轮胎胎重重量量大大大大减减轻轻,轮轮胎胎层薄,热容易散发,轮胎的使用寿命将延长。层薄,热容易散发,轮胎的使用寿命将延长。此此外外,还还可可用用作作:皮皮带带、软软胶胶管管;绳绳索索、绳绳缆缆;防防护护、防防弹弹材料;摩擦材料;复合材料的增强材料。材料;摩擦材料;复合材料的增强材料。芳纶芳纶13131313由由于于该该纤纤维维性性能能优优良良,其其产产品品主主要要用用于于航航空空飞飞行行服服、宇宇宙宙航航行服、原子能工业的防护服以及绝缘服、消防服等。行服、原子能工业的防护服以及绝缘服、消防服等。另另外外,它它也也用用于于制制作作防防火火帘帘、防防燃燃手手套套、高高温温下
22、下化化工工过过滤滤布布和和气气体体滤滤袋袋、高高温温运运输输带带、机机电电高高温温绝绝缘缘材材料料以以及及民民航航飞飞机机中的装饰织物等。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。此外,还可以作室内织物、产业材料、蜂窝状结构材料。二、芳香族聚酯纤维二、芳香族聚酯纤维 芳芳香香族族聚聚酯酯纤纤维维(Polyarylate Polyarylate Fiber)Fiber)是是继继全全芳芳香香族族聚聚酰酰胺胺纤纤维维(Aramid Aramid Fiber)Fiber)开开发发成成功功之之后后,又又一一个个通通过过高高分分子子液液晶晶纺纺丝丝而而制制得得的的高性能纤维。高性能
23、纤维。1、化学结构、化学结构芳芳香香族族聚聚酯酯最最简简单单的的结结构构是是聚聚对对羟羟基基苯苯甲甲酸酸(PHBA)PHBA)和和聚聚对对苯苯撑撑对对苯苯二二甲甲酸酸酯酯,其其化化学学结结构构式式分分别别如下:如下:目目前前,在在对对芳芳香香族族聚聚酯酯研研究究的的基基础础上上,已已形形成成了了几几种种实实现现工工业业化化生生产产的的产产品品。如如美美国国金金刚刚砂砂公公司司生生产产的的商商品品名名为为EkonolEkonol纤纤维维,它它是是对对乙乙酰酰氧氧基基苯苯甲甲酸酸(ABAABA)、p,p-p,p-二二乙乙酰酰氧氧基基联联苯苯(ABPABP)、对对苯苯二二甲甲酸酸(TATA)和和间间
24、苯苯二二甲甲酸酸(IAIA)的的四四元元共共聚聚物物;美美国国塞塞拉拉尼尼斯斯公公司司用用ABAABA与与2-2-乙乙酰酰氧氧基基-6-6-萘萘甲甲酸酸(ANAANA)共共聚聚反反应应,得得到到的的共共聚聚物物其其商商品品名名称称为为VectranVectran纤纤维维;美美国国杜杜邦邦公公司司采采用用苯苯基基对对二二乙乙酰酰氧氧基基苯苯(PHQDPHQD),与与对对苯苯二二甲甲酸酸(TATA)共共聚聚反反应应,生生成成带带有有侧侧基基的的共聚物(共聚物(PHQTPHQT)纤维。纤维。2、纤维性能、纤维性能表表芳香族聚酯纤维的性能芳香族聚酯纤维的性能 Ekonol Vectran PHQT E
25、konol Vectran PHQT强度强度(GPa)4.1 2.9 2.9GPa)4.1 2.9 2.9模量模量(GPa)134 69 82GPa)134 69 82伸长(伸长(%)3.1 3.7 4.3 3.1 3.7 4.3密度密度(g/cmg/cm3 3)1.40 1.41 1.23)1.40 1.41 1.23熔点(熔点()380 270 342 380 270 342吸水率(吸水率(%)0 0.05 0 0 0.05 0芳芳香香族族聚聚酯酯纤纤维维具具有有高高强强度度、高高模模量量、耐耐蠕蠕变变、尺尺寸寸稳稳定定性性好好,此此外外,具具有有极极低低的的吸吸湿湿率率和和耐耐化化学学腐
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