芳纶纤维复合材料.docx
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芳纶纤维复合材料
绵阳职业技术学院
资料系
先进复合资料成型工艺
芳纶纤维加强的先进复合资料制品
1
芳纶纤维加强的先进复合资料的应用......................................
1
概略.............................................................
1
芳纶品种及性能...................................................
1
芳纶纤维产品形态及复合资料的成型方法.............................
4
芳纶纤维复合资料的应用...........................................
4
2
原资料................................................................
7
聚氨酯树脂.......................................................
7
芳纶纤维........................................................
10
3
制作工艺.............................................................
11
成形方法的选择..................................................
12
芳纶1313.......................................................
13
4
修理及性能检测.......................................................
14
4.1缺点............................................................14
4.2芳纶表面改性....................................................
14
5参照文件16
先进复合资料成型工艺
芳纶纤维加强的先进复合资料制品
1芳纶纤维加强的先进复合资料的应用
概略
当前,先进复合资料的加强资料主假如S高强玻璃纤维非碳纤维和芳纶纤维。
前二者介绍文章许多,本文主要针对芳纶复合资料及应用状况作归纳介绍。
芳纶纤维是芬芳族聚酰胺类纤维的通称。
它是一种强度高、模量高、低密度、耐
折、耐磨性好的人工合成的有机纤维。
据认识,此刻美国、荷兰、日本、德国、法国和
俄罗斯等国都在开发芳纶纤维。
我国也进行了这方面研制并获得了必定成绩。
美国杜邦企业开发的芳纷纤维,商品名“凯芙拉”（Kvelar）有多种规格销售,年产量已达2t。
荷兰阿克苏（AKZO）企业研制的芳纶纤维,商品名“特瓦纶”（Twaron）,年产量在5000t以上。
日本帝人企业开发的共聚芳纶纤维,商品名“太库诺拉”,年产量为500t以上。
德国赫斯特企业（HOECHST）生产芳纶纤维年产量为150t。
我国1981年研制成功芳纶I,1985年研制成功芳纶Ⅱ,1994年北京燕山石化企业研究院研制成功溶致液晶全芬芳族聚酰胺（PPTA）,经过专家判定,为此后中石、工业化生产开拓了门路。
在世界范围内,芳纶纤维正以年增添率20%左右的速度发展,并从单调军用向民用转移。
芳纶纤维用于汽车及防备用品方面占68%,用于造船业达21%,其余为航空、航天及军用。
芳纶品种及性能
芳纶纤维,因选择原料的不一样及合成工艺不一样,又可分为间位芬芳族聚酰胺纤维,商品名为“欧梅克斯”（Nomex）对位芬芳族聚酰胺纤维,商品名“凯芙拉”（Kevlar）和芬芳族聚酰胺共聚纤维,商品名“太库诺拉”等。
表1将拥有代表性的“凯芙拉”纤维和我国研制的芳纶I、芳纶Ⅱ主要性能列出,同时与S高强玻璃纤维及碳纤维进行比较。
从表1中能够发现芳纶纤维密度最小,拉伸强度与S2玻璃纤维和碳纤维靠近,拉伸
模量居中。
别的,芳纶纤维的热稳固性好,可在180℃下长久使用,短期可耐300℃,对强度无大的影响。
在-170℃下也不会变脆,仍保持其性能。
芳纶纤维的力学性能在有机纤维中是特别突出的，与无机纤维比也不逊色，芳纶纤维除强酸、强碱外,几乎不受有机溶剂、油类影响。
但芳纶纤维对紫外线敏感,若长久裸露在阳光下，其强度会有很大的损失，所以,在使用中应加保护层。
表1芳纶纤维主要品种与S高强玻纤、碳纤维性能比较
纤维名称密度（g/cm3）拉伸强度（MPa）拉伸模量（MPa）延长率（%）
Nomex
6471
17052
22
Kevlar
2940
71736
Kevlar-29
2940
71736
Kevlar-49
2842
108780
Kevlar-119
3038
54586
Kevlar-129
3332
96530
Kevlar-149
2352
144060
Kevlar-100
2744
60368
芳纶Ⅰ
2744
88200
芳纶Ⅱ
2548
147000
S高强玻纤
2940
81340
-
2
碳纤维T300
2744
225400
表2芳纶纤维、碳纤维、E玻纤树脂浸渍纱带性能
测试项目密度（g/cm3）拉伸强度（MPa）拉伸模量（MPa）延长率（%）
Kevlar-29
3616
82320
Kevlar-49
3616
124460
碳纤维T300
3097
220500
E玻纤
2411
68600
表3芳纶纤维、碳纤维、E玻纤单向纤维板性能
测试项目
密度（g/cm3）
拉伸强度0。
（MPa）
。
90（MPa）
压缩强度0。
（MPa）
。
90（MPa）
层间剪切强度（MPa）
Kevlar-49碳纤维T300E玻纤
138212351098
2741098588
137137137
备注：
单向纤维板树脂为环氧Vf=60%，0。
为纤维方向
芳纶纤维作为复合资料的加强资料性能优秀。
表2列出芳纶纤维、碳纤维和E玻
璃纤维的树脂浸渍纱带性能,表3列出单向纤维板性能。
国内已有对芳纶加强丁腈橡胶、环氧树脂的研究报导。
若有研究做出的芳纶/环
氧复合资料与惯例资料力学性能的比较[1-2]。
表4芳纶/环氧复合资料与惯例资料力学性能的比较
资料密度拉伸强比强度拉伸模比模量
度（GPa）（1x107mm）量（GPa）（1x109mm）
（g/cm3）
芳纶/环氧
220
钢
210
铝合金
77
钛合金
110
尼龙6
3
芳纶纤维产品形态及复合资料的成型方法
芳纶纤维和玻璃纤维同样,产品形态有有捻纱、无捻粗纱,各样规格布、带、毡及短切原丝等。
常与芳纶纤维般配的树脂有环氧、酚醛、不饱和聚脂、乙烯基脂、聚酰
亚胺等,近来几年来还与尼龙、PBT等复合使用。
成型方法也和玻璃钢等成型方法同样,有环绕法、手糊法、预浸渍法、真空袋法、加压法以及注射法等,可依据需要选择。
芳纶纤维复合资料的应用
在航空、航天、军需方面的应用
芳纶纤维可制作大型飞机的二次构造资料,如机舱门、窗、整流罩体表面、机翼有
关零件。
也可制机内天花板、隔板、舱壁、行李架、座椅等。
采纳芳纶纤维复合资料
能够减少飞机自重30%左右。
如L一1011三星式客机总的芳纶纤维复合资料用量达
1135kg,使机重减少365kg;波音757、767使用芳纶纤维复合资料,减少机重454kg；
DHC-7短程飞机减少机重91kg。
S-76商用直升机的外蒙皮使用芳纶复合资料已达
50%；
喷气式教练机T-4也采纳芳纶纤维复合资料。
芳纶纤维复合资料可制造火箭发动机壳
体、压力容器、宇宙飞船驾驶舱等。
芳纶纤维复合资料还可制造坦克、装甲车、飞机、
潜艇的防弹板和头盔及防弹衣等。
在造船方面的应用
芳纶纤维复合资料可制造快艇、风帆、赛艇、渔船、独木舟等。
采纳芳纶纤维复
合资料造船,船自重比玻璃钢和铝都好,船体可减少3O%左右,节俭燃料30%以上,可相
应增添航程。
因为芳纶纤维复合资料拥有汲取振动及蒙受连续冲击的能力,船航行稳，令人感觉寂静、舒坦。
在体育器材方面的应用
芳纶复合资料可用来制造高尔夫球棒、网球拍、滑雪橇、雪车、垂钓杆、弓、标
枪等。
在汽车方面的应用
芳纶纤维可代替石棉,因此可降低对环境和人体健康的危害,它可制造刹车片、离
合器、整流器、引擎垫片、汽车车身。
特别赛车可减少车重,提升强度,增添车速。
在建筑方面的应用
芳纶纤维复合资料在建筑领域愈来愈遇到重视。
芳纶纤维可代替石棉用来加强水
泥,可供给轻构造、高强度构件,并防备水泥制品开裂。
加拿大蒙特楼市奥运体育馆采
2
用芳纶纤维复合资料制成的可伸缩性屋顶,面积达5600m,拥有抗强风及蒙受大雪负荷的强度。
近来几年来,外国正在开发芳纶纤维加强胶粘层压木梁的技术,这类加强资料称作FiRptm。
它的出现意味着用初级木材可代替高级、名贵木材,并且安全、经济。
这类加强胶粘层压梁比钢筋水泥构件还经济。
当前,美国、德国、日本、澳大利亚、加拿大等国都在研究采纳,有广阔的发展远景。
1.4.6芳纶在信息技术家产上的应用
因为IT技术的发展[3]，光纤铺设量猛增，全世界光纤总长度2001年为1.6亿km，
到2003年增至2.0亿km。
对位芳纶可用作光缆中的“张力构件（Fensionmember）"（或
称芯扞），有了这类拥有高模量性能的张力构件，可保护渺小而柔弱的光纤在遇到拉力时不致伸长，进而不使光传输性能遇到伤害。
当前用于此张力构件的对位芳纶约
3000-4000t，据业者展望，其实质欠缺量约4000-5000t。
[4]
其余方面的应用
芳纶是用于加强子午线轮胎及机械用橡胶制品，如软管、输送带及动力传递皮带
而特意设计制造的品种。
芳纶纤维还可作加强橡胶的资料,可制轮胎、传动带、胶管、绳子等。
[5]
中国芳纶纤维研制始于20世纪70年月末，80年月中期达成小试和中试判定。
芳
纶1414靠近Kevlar-49的水平。
因为芳纶纤维价钱颇高，当前国内还只有航空、航天、船舶及体育器材等系统使用，且依据最后产品用途不一样，成型工艺和加工方法亦不完
全一致，其应用领域跟着中国高新技术的发展会拥有广阔的应用远景。
2原资料
聚氨酯树脂
聚氨酯化学和物理性质
聚氨酯（PU）树脂是由异氰酸酯与多元醇反响制成的一种拥有氨基甲酸酯链段重复
构造单元的聚合物。
有机异氰酸酯化合物含有高度不饱和键的异氰酸醋基团（NCO，构造式（-N=C=O），因此化学性质特别开朗。
因为氮和氧原子上的电子云密度较大，其电负性较大，NCO基团的氧原子电负性最大，是亲核中心，可吸引含活性氢化物分子上的氢原子而生成轻基，但不饱和碳原
子的轻基不稳固，重排成为氨基甲酸酯（若反响物为醇）或脲（若反响物为胺）。
碳原子电子云密度最低，呈较强的正电性，为亲电中心，易遇到亲核试剂的攻击。
异氰酸酯
与开朗氢化合物的反响，就是因为开朗氢化合物分子中的亲核中心攻击NCO基的碳原
子而惹起的[6]。
反响机理以下:
异氰酸酯是生产聚氨酯的主要原料之一，主要有MDI,TDI,HDI,NDI,IPDI,HMDI
等，此中以MDI和TDI最为常用。
纯MDI在室温下为白色晶体，在使用前需先加热熔融，在室温下长久储存会产生自聚反响生成二聚体和脲类不熔解合物，使产品色彩加
深，融化后液体浑浊，出现不溶性细微颗粒影响产质量量。
甲苯二异氰酸酯（TDI）有两
种异构体:
聚氨酯是由长链原料和短链原料聚合而成的，是一种嵌段聚合物。
一般长链二元醇构成软段，而硬段则是由多异氰酸酯和扩链剂构成。
软段和硬段的种类影响着资料的软硬程度、强度等性能。
影响各样聚氨酯制品性能的要素好多，一般影响性能的基本要素为:
基团的内聚能、氢键、结晶性、交联度、分子量、温度。
软段在聚氨酯中占大多数，软段的分子
量对聚氨酯的力学性能有影响，一般来说，假设聚氨酯分子量同样，其软段若为聚酯，则聚氨醋的强度跟着聚酯二醇分子量的增添而提升，软段的结晶性的提升对聚氨酯制品的性能是有益的。
异氰酸酯的构造影响聚氨酯的刚性。
聚氨酯资料是一类性能较为全面的资料，拥有优秀的物理机械性能、优秀的耐候
性、弹性及软硬度随温度变化不太大等长处，在涂料、胶粘剂及油墨等很多领域都获取了宽泛的应用。
聚氨酯弹性体是一种介于橡胶与塑料之间的高分子资料，它在拥有必定弹性的同时，还有很好的耐磨、耐平和抗扯破性能，如将聚氨酯与无机非金属硬质填料联合制成复合资料磨机衬板，既能够增添资料的耐磨性，又可缓解研磨体对衬板的冲击力，进而提升衬板的使用寿命。
同时，跟着硬质填料的加入，还可大大降低衬板的成本，提升衬板的市场竞争能力。
聚氨酯树脂（PolyurethaneResin）作为一种拥有高强度、抗扯破、耐磨等特征的高分子资料,在平时生活、工农业生产、医学等领域宽泛应用。
聚氨酯制品品种众多、形态万千，它宽泛用于机电、船舶、航空、车辆、土木建筑、轻工以及纺织等部门。
聚氨酯弹性体用作滚筒、传递带、软管、汽车零件、鞋底、合成皮革、电线电缆
和医用人工脏器等；软质泡沫体用于车辆、居室、服饰的衬垫，硬质泡沫体用作隔热、吸音、包装、绝缘以及低发泡合成木材，涂料用于高级车辆、家具、木和金属防备，水池水坝和建筑防渗漏资料，以及织物涂层等。
胶粘剂对金属、玻璃、陶瓷、皮革、纤维等都有优秀的粘着力。
别的聚氨酯还可制成乳液、磁性资料等。
全世界聚氨酯发显现状与发展趋向
聚氨酯（PU）是世界六大发展的合成资料之一，其工业发展较快，过去五年一直保
持6%的年均增添率。
就其应用广度而言，已跃居诸种合成资料的首位。
能够料想，跟着科技的进步及新应用领域的拓展，聚氨酯工业的发展将为人们带来更加便利和舒坦的生活。
而中国这一拥有巨大潜力的市场，在汲取了世界水平的技术和规模装置后，
势必成为世界聚氨酯工业发展的动力源。
据陶氏化学企业宣布的数据，在
20世纪70
年月，全世界聚氨酯年产量总计只有110万吨，而进人21世纪已超出了900万吨，增添
了约9倍。
在我国，近10年的增添速度也大大高于公民生产总值的增添。
2000年我
国各样聚氨醋产品年产量已近100万吨，比1997年的60多万吨增添了约50%。
表5世界各地聚氨酯的销量
1980年1985年1990年1999年
耗费比率耗费量比率耗费量比率耗费量比率
量
北美洲
107
170
220
254
欧洲
99
133
180
246
亚太地40
57
73177
区
拉丁美21
29
43
46
洲
非洲等
35
48
71
46
共计
302
100
437
100
587
100
769
100
注:
1:
1999年所列数据为拜耳企业统计
2:
该数据包含东欧国家
3:
非洲指非洲、中东及东欧等地域，但该项1999年数据不包含东欧等国家
从表5[7]中趋向能够看出，进入20世纪90年月以来，亚太地域聚氨酯工业有了较
快的发展，特别是日本，发展更快。
我国的聚氨酯工业发源于20世纪50年月末期，
到现在已有40多年的发展历史。
我国聚氨酯工业分基来源料、助剂、制品和加工机械等
部分。
基来源料分异氰酸酯（TDI,MDI等）、多元醇（聚醚和聚酯多元醇）等，制品主
要分软泡、硬泡、弹性体（包含革、鞋树脂制品和纤维）、涂料及胶粘剂。
1998年到2005
年我国聚氨酯总产量将由77万吨增添到140万吨左右，均匀年增添率约
10%，按此预
测到2015年我国聚氨酯总产量将达到260万吨[8-9]。
外国聚氨酯工业总的发展趋向归纳以下:
（l）基来源料生产的特大规模化。
（2）聚氨酯技术向适应环境保护、安全卫生、资源回收等方向发展，主要包含代替损坏臭氧层
的CFC发泡剂技术、降低VOC（挥发性有机化合物）发散技术、降低游离TDI等有害物质的技术等。
（3）聚氨酯CASE（涂料、胶粘剂、密封剂、弹性体、灌封料）发展显然快于泡沫产品，是另一趋向。
近来几年来外国聚氨酯CASE产品的产量以6%-10%的速度增添，是泡沫增添速度的2倍以上，且向高性能、功能化和进一步扩大应用领域方向发展。
在CASE产品方面，国内的发展水平与外国差距较大，此中很多重要制品、中间体（预聚体、树脂等）多数是靠进口。
芳纶纤维
芳纶纤维化学和物理性质
芳纶纤维是由聚对苯二甲酰对苯二胺（PPDA）的液晶溶液经干喷湿纺工艺成型而制
得，按分子构造称为“芬芳聚酰胺纤维”，美国商品名为Kevlar纤维。
早在1968年美国杜邦企业就开始了芬芳聚酰胺树脂的合成及成纤工艺研究，于1972年杜邦企业实现了聚对苯二甲酰对苯二胺纤维的工业化生产，称为B纤维，规模为2000吨/年，1973年更名为Kevlar纤维。
聚合物制备:
以上合成时用的酰胺溶剂包含:
六甲基磷酰二胺，N-甲基毗咯烷酮和二甲替乙酰胺
（DMA）[10]。
从芳纶的分子链构造来看，它是由苯环和酰胺基按必定规律摆列而成。
分子链具
有相当的规整性，以致芳纶纤维拥有较高结晶性。
酰胺键可在分子链之间形成氢键。
芳纶分子链中的苯环及分子间的氢键构造使得分子链难之内旋转，分子链不可以折叠，
呈伸展的刚性棒构造，分子链之间可摆列得十分密切，进而使纤维拥有很高的模量和
强度。
这类刚性分子构造还给予芳纶纤维高温下的尺寸稳固性能。
芳纶分子沿纤维方
向是较强的共价键，而纤维横向是较弱的氢键。
所以芳纶纤维在力学性能上是各向异
性的，芳纶纤维拉伸断裂时纵向开裂而劈成很多更细的单丝，横向受压时受压部位会出现必定数目的纵向层。
芳纶是一种由高度取向结晶微区构成的资料，拥有一些缺点和缝隙，但没有无定形区。
因为分子链段中宏大苯环的位阻作用，酰胺基团较难与其余原子或基团发生反响，拥有化学惰性，因此芳纶纤维同基体的粘合性很差，一定进行必定的工艺办理使
纤维表面取向降低或增添必定数目的活性基团，如-COOH，-OH,=CO和-NH2等，这些基团可与基体间形成反响性共价键联合，进而提升复合资料的界面剪切强度和剥离强度。
芳纶拥有优秀的力学性能，抗张强度为
2
2
280kg/mm，模量为6480kg/mm（kevlar29）
2
），断裂伸长率为
2
和13300kg/mm（kevlar49
2.3-4.0%，比重轻（d=1.44g/cm）并且耐
高温（可在250。
C以下使用）。
芳纶纤维拥有密度小、模量高、强度高、伸长率低等特色。
芳纶的这类性质主要由其高结晶、高取向的大分子构造所决定的。
它是一种高强度、高模量、低密度的有机纤维，它的强度比碳纤维高，质量比玻璃纤维、碳纤维都轻，热膨胀系数低，抗疲惫性好，拥有必定的竞争能力。
因为芳纶纤维拥有各异性，且压缩强度、剪切强度与
其断裂强度对比要低得多;而纤维的曲折是由曲折、压缩及拉伸三方面性能决定的，所以芳纶的曲折强度比拉伸强度要差得多。
因为芳纶纤维分子取向度高，横向联系弱，进而使其剪切强度弱、扭转疲惫性差。
3制作工艺
芳纶短纤维加强聚氨醋复合资料成形工艺研究
高分子基复合资料的成形方法有很大的灵巧性。
依据加强体和基体资料的种类的不一样，需要应用不一样的制造工艺和方法。
高分子基复合资料的主要制造方法按基体资料的不一样分为两类。
一类是热固性复合资料的制造方法，此中主要有手工成形法，喷
涂成形法，压缩成形法（模压成形方法），注射成形法，SMC压缩成形法，RTM成形法（注塑成形法），真空热压成形法，连续环绕成形法，连续拉挤成形法。
另一类是热塑性复合资料的制造方法，近似于热固性复合资料的制造方法，此中主要有压缩成形法，注
射成形法，RTM成形法，真空热压成形法，连续环绕成形法等[11]。
各样成形法有各自
的特色，采纳时需依据产品的质量、成本、纤维和树脂的种类来选择适合的成形法。
3.1成形方法的选择
短纤维加强树脂基复合资料的常用的成形方法有:
手工成形法、喷涂成形法、注
射成形法、压缩成形法和SMC压缩成形法（CompressionmoldingofSMCs）。
手工成形法是高分子基复合资料的制造的最主要的方法。
多用于玻璃纤维/聚醋树脂复合资料的产品制造。
比如，浴缸、船艇、房子设施等。
手工成形法主要以玻璃
纤维布或片材和聚酯树脂为原资料。
在依据产品的形状制造的底模上，先涂
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