聚合物基复合材料 7芳纶纤维.ppt

2.3 芳纶纤维 聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）的结晶结构为单斜晶系，每个单胞内含有两个大分子链，链间由氢键交联形成晶片，只有很少量的非晶区，纤维中的分子在纵向平行于纤维轴的取向，在横向是平行于氢键的片层取向。 并且PPTA纤维还具有微纤结构等超分子结构这些更高层次的有序结构有利于纤维承受更大的载荷。 碳纤维和石墨纤维 碳纤维是指有机纤维在惰性气氛中加热至1500摄氏度，形成的纤维状的碳材料，其含碳量为90%以上，纤维结构为延轴向排列的不完全的石磨结晶。 如果将碳纤维在2500摄氏度下进一步碳化，其含碳量大于99%，碳纤维由乱层结构向三维有序的石墨结构转化，称之为石墨纤维。 根据原料不同，碳纤维的分类 聚丙烯氰碳纤维 沥青基碳纤维 纤维素基碳纤维 酚醛基碳材料 其他有机纤维基碳纤维 聚丙烯氰原丝的生产 （1）聚丙烯氰原丝的生产影响因素 原丝生产过程中影响质量的因素 杂质灰尘 聚合物的相对分子量 聚合物的结晶度、分子取向度对纤维的影响 （2）提高原丝质量的方法 单体纯度、纺丝液脱气、环境干净无灰尘、结晶度取向度 聚丙烯氰原丝的预氧化 预氧化的目的：发生交联、环化等化学反应，放出H2O、HCN等分解产物，形成耐热的梯形结构，承受更高的碳化温度，提高碳化收率、改善力学性能 影响聚丙烯氰原丝预氧化的主要因素：温度、处理时间、气氛介质、牵引力 预氧化程度的控制 （1）含氧量-适量，脱氢的必要，过量发生C的氧化 （2）芳构化指数-随着氧化的增加，X线衍射峰变化 （3）残存氰基浓度-红外光谱 （4）吸湿率-前后两种材料的吸湿性能的区别 热处理的温度和时间 在不同温度下，达到最佳预氧化的碳纤维的性质不同，温度的选择非常重要 连续升温或者梯度升温-大大缩短了预氧化的时间 要求在较低温度下进行-避免剧烈放热及热积累导致的局部过热、纤维间相互融结，适当提高温度可以提高生产效率 预氧化时间：lgt=5900/T-10.6+lg(d/1.85) 温度和Tex对预氧化时间的影响 P24页一级反应-温度对反应速度影响很大 First order reaction 凡是反应速度只与反应物浓度的一次方成正比的反应。 反应速度方程应遵守下式： r = -dc/dt = kc 式中，K为反应速度常数。阿仑尼乌斯(Arrhenius)方程 k=Ae-E/RT A-频率因子；E-为活化能；R-为气体常数 预氧丝的碳化 碳化是在高纯惰性气体的保护下和一定的张力下将预氧丝加热到1000-1200摄氏度，除去其中的非碳原子。碳化过程中发生：交联、环化、缩聚、芳构化等反应。 预处理和反应气氛 去除水分，水分高温下会与碳纤维反应，使之强度降低 在氮气气氛下进行，高纯氩气有利于丙烯氰脱氮，但是成本太高 升温速度，早期认为升温速率不能太快。后来研究证明，快速碳化也能得到高质量的碳纤维，梯度升温 碳纤维的石墨化处理 碳纤维-1000摄氏度-1500摄氏度下，石墨纤维指2000-3000，石墨纤维并不是完全的石墨结构，仅是处理温度的不同，两者统称碳纤维 结晶增大、结晶态碳的比例增加，沿纤维轴取向也增加-模量增加、强度下降、断裂伸长变小=脆性材料 石墨化要求在高温，短时间内完成（原因是碳纤维本身结构已经比较规整），增加压力有利于得到高质量的纤维（增加压力，减少碳蒸汽的挥发），常温纤维表面粗糙，有较多的空隙和缺陷 气氛要求为氩气，因为2000以上，氮气与石墨反应生成氰基，氩气要经过特殊处理，防止氧气的带入 ⑵．气相法 —— 生产短纤维高温分解小分子有机物，气相沉积纤维结晶。 基板法 气相流动法 2.5 聚苯并双噁唑（PBO）纤维 * 芳纶纤维是芳香族聚酰胺的总称，包括全芳香族聚酰胺和杂环芳香族聚酰胺。历史很短，发展很快。 应用最广泛的是聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。由杜邦公司 1968年研制成功。现有品牌Kevlar(杜邦）、Terlon(俄罗斯） 我国1972年开始芳纶纤维的研制，1981年和1985年研制出芳纶14（ Kevlar-29）和芳纶1414（ Kevlar-49）. Kevlar 纤维（PPTA）结构 制 备 低温溶液缩聚或直接缩聚 聚合物溶于浓硫酸，织成各向异性液晶纺丝液 挤压喷丝 洗涤 干燥 N2保护下550oC热处理 kevlar 49纤维 结构 i）分子对称性高，定向程度及结晶度高 Ii） 力学性能各向异性（轴向是化学键，横向是氢键） Iii） 刚性分子链难以旋转，不能折叠，呈棒状结构，纤维模量 高 iv）强度高。（线型结构使分子堆砌密度大；分子链方向结合 较强，单位体积承担的外力大 v) 尺寸稳定性好