纤维复合材料 2003年12月 FIBER COMPOSITES Dec,. 20(B 性能研究 Kevlar、PBO有机纤维及其复合材料的性能 周晏云 宋六九 (哈尔滨玻璃钢研究院,150036)(山东铝业股份有限公司,255052 摘要简述 Kevlar纤维和PO纤维的合成、结构、优异性能及应用前景。实验表明:在同等强度下,PB纤维/环 氧复合材料在高性能纤维复合材料中减重效果最好 关键词PBO纤维,合成PBO纤维复合材料减重 Study on Properties of High Perfomance Organic Fiber and Their Composites Liu jiu Harbin FRP Inst itute. 150036) (Shandong Aluminium Co.. Ltd 255052) ABSTRACT In this paper, the structures and pioperties of Kelar fiber and PBO fiber were studied. The test indicated that PBO fibler composites have the lightest weight among high perfomance fiber composites KEYWORDS PBO fiber properties, PBO fiber composites weight among 1前言 PBO分子结构式: 高性能纤维,一般是指强度大于17.6cN/dtex 模量大于440N/dex的纤维,这类纤维也称为超纤 维( Super Fibers)。目前高性能纤维中有代表性的是 有机刚性链的对位芳纶、有机柔性链的高强聚乙烯 纤维和近年研制开发的PBO纤维。PBO纤维是目2.2纤维的合成 前高科技纤维中强度和模量最高的纤维,被认为是 Kevlar的合成反应:和通常的聚酰胺一样 21世纪超级纤维,也是继 Kevlar纤维开发成功以 Kevlar用缩聚方法合成。由于熔融温度高于聚合物 来纤维技术领域的又一次突破 的分解温度,故不能用熔融缩聚方法,只能用界面缩 本文介绍了两种高性能有机纤维——KeⅥar纤聚、溶液缩聚和乳液聚合方法,作为硏究还有固相缩 维及HM(高模)PBO纤维的结构、合成及其复合材聚和气相聚合方法。工业生产上常用低温溶液缩聚 料的性能 和界面缩聚方法,由芳香族二胺与芳香二酰氯在酰 胺型溶剂体系中反应制备聚合物。其反应式如下所 2纤维的结构及性能 2.1结构式 xc〈 Kevlar纤维和PBO纤维都是芳香族聚合物纤 维,分子结构如下所示 Kevlar分子结构式 PBO的合成反应:PBO纤维(聚对苯撑苯并双 唑)的合成有许多种方法方法之一:可由26 21942014chim1 Academic Journal Electronic publishi慧间苯酚盐酸盐与对苯甲酰氯在甲磺酸
性能研究 Kevlar 、PBO 有机纤维及其复合材料的性能 周晏云 宋六九 (哈尔滨玻璃钢研究院, 150036) (山东铝业股份有限公司, 255052) 摘 要 简述Kevlar 纤维和 PBO 纤维的合成、结构、优异性能及应用前景。 实验表明:在同等强度下, PBO 纤维/ 环 氧复合材料在高性能纤维复合材料中减重效果最好。 关键词 PBO 纤维, 合成, PBO 纤维复合材料, 减重 Study on Properties of High Performance Organic Fiber and Their Composites Zhou Yanyun Shong Liujiu (Harbin FRP Institute , 150036) (Shandong Aluminium Co., Ltd, 255052) ABSTRACT In this paper, the structures and properties of Kelar fiber and PBO fiber were studied .The test indicated that PBO fibler composites have the lightest weight among high performance fiber composites . KEYWORDS PBO fiber, properties, PBO fiber composites, weight among 1 前 言 高性能纤维, 一般是指强度大于 17 .6cN/dtex 、 模量大于 440 cN/dtex 的纤维 ,这类纤维也称为超纤 维(Super Fibers)。目前高性能纤维中有代表性的是 有机刚性链的对位芳纶、有机柔性链的高强聚乙烯 纤维和近年研制开发的 PBO 纤维 。 PBO 纤维是目 前高科技纤维中强度和模量最高的纤维, 被认为是 21 世纪超级纤维, 也是继 Kevlar 纤维开发成功以 来,纤维技术领域的又一次突破。 本文介绍了两种高性能有机纤维———Kevlar 纤 维及 HM(高模)PBO 纤维的结构 、合成及其复合材 料的性能 。 2 纤维的结构及性能 2 .1 结构式 Kevlar 纤维和 PBO 纤维都是芳香族聚合物纤 维,分子结构如下所示。 Kevlar 分子结构式: PBO 分子结构式: 2 .2 纤维的合成 Kevlar 的合 成反应 :和 通常的 聚酰胺 一样, Kevlar 用缩聚方法合成 。由于熔融温度高于聚合物 的分解温度 ,故不能用熔融缩聚方法 ,只能用界面缩 聚 、溶液缩聚和乳液聚合方法,作为研究还有固相缩 聚和气相聚合方法 。工业生产上常用低温溶液缩聚 和界面缩聚方法, 由芳香族二胺与芳香二酰氯, 在酰 胺型溶剂体系中反应制备聚合物 。其反应式如下所 示 : PBO 的合成反应 :PBO 纤维(聚对苯撑苯并双 口恶唑)的合成有许多种方法, 方法之一 :可由 2 , 6 - 二氨基间苯二酚盐酸盐与对苯二甲酰氯在甲磺酸 第 4期 18 纤 维 复 合 材 料 No .4 2003年 12月 FIBER COMPOSITES Dec., 2003
周晏云等 Kevlar、PBO有机纤维及其复合材料的性能 (Ms4)溶剂和P205(质量分数为40%-50%)中加不同的高模型PBO纤维PBO纤维分别标记为PBOl 热反应制得。这种方法反应时间短、收率高.缩聚反(线密度162.3)、PB02(线密度54.2),基体用环氧树 应如下式所示: 脂 3.2成型工艺 OH a 采用湿法纤维缠绕成型工艺制备 Kevlar纤维和 PBO纤维复合材料实验件。 3.3性能 MSA/P2O5 3.3.1束纱性能 按GB362-82标准测试 Kelar和PBO纤维束纱 2.3纤维的性能比较 力学性能,结果见表2。 与无机和金属材料相比,高性能有机纤维具有 表2束纱性能 质量轻、强度高、耐腐蚀等优点。各种纤维的性能比 纤维种类线密度(Te)强度(MPa)模量(GPa)延伸率(%) 较见表1: 表1各种纤维的性能比较 l6.35408.2276.5 维种类 商品名 仲长模量密度熔点 PHO2 54.2 5907.0281.5 2.21 (GPa) )()(gm-3)(t Kefar 144%0d 3.3.2 Kevlar和PBO纤维复合材料压力容器性能 间位芳 0.5-0.83-506.7-9.8 复合材料压力容器实验结果表明:相同爆破压 芳香族聚酯 2.83.7 力下, Kevlar纤维、PBol纤维、PBO2纤维缠绕成型 芳芳芳 4214201so的压力容器减重效果排列顺序为: 1.5960d PBO2纤维>PBO1纤维> Kevlar纤维 高强聚乙烯 016009810 4结论 高强聚乙烯 与m市a 高强聚乙烯醇Kuan#7912.1 1)PBO纤维具有优异的力学性能,其中PBO2 245d 高强聚丙烯睛 31.1820KdD 纤维(线密度54.2)比PB01纤维(线密度162.3)的 性能更为优异 Taaa3-715-24200-30 2)PBO纤维复合材料制品比Kvar纤维复合 材料制品的减重效果好。 Gewr2-3.52.0-3.570-902.585 3)PBO纤维具有高的比强度和比模量,其在新 2.8207.81600 型高速交通工具以及宇宙空间器材和深层海洋的开 1.21伍4.5 发上有着广泛的应用前景 由表1可看出Kear、PBO纤维的密度都较低, 参考文献 比强度和比模量很高,尤其是PDO纤维,用它作为1吴国梅21世纪超高性能之PBO高分子纤维材料高科技纤维与 结构材料,轻量化特性特别显著,这对宇航器材节省 应用202(3):27 燃料、小型化、高速化带来很多有利条件。 2汪多仁.改性PBO的应用及其合成工艺.高科技纤维与应用, 2001(6226 3 Kevlar、PBO纤维复合材料的性能 3张树均等编著.改性纤维与特种纤维.中国石化出版社.1993 4贾丽霞等.PBO纤维及其复合材料性能研究。纤维复合材料, 3.1材料 200B30(3):15 本研究中纤维采用一种 Kevlar纤维和两种密度 21994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
(MSA)溶剂和 P2O5(质量分数为 40 %～ 50 %)中加 热反应制得。这种方法反应时间短 、收率高, 缩聚反 应如下式所示: 2 .3 纤维的性能比较 与无机和金属材料相比 , 高性能有机纤维具有 质量轻、强度高 、耐腐蚀等优点 。各种纤维的性能比 较见表1 : 表 1 各种纤维的性能比较 纤维种类 商品名 强度 (GPa) 伸长 (%) 模量 (GPa) 密度 (g·cm -3) 熔点 (℃) 对位芳香族聚酰胺 Kevlar 2 .8 2 .4 132 1 .44 560(d) 间位芳香族聚酰胺 Metamax 0 .5 ～ 0 .8 35 ～ 50 6 .7～ 9 .8 1 .38 430(d) 芳香族聚酯 Ekonol 4 .1 3 .1 134 1 .40 380 芳香族聚酯 Vectran 2 .8 3 .7 69 1 .40 270 芳杂环类纤维 PBZT 4 .2 1 .4 250 1 .58 600(d) 芳杂环类纤维 PBO 5 .5 2 .5 280 1 .59 650(d) 芳杂环类纤维 PBI 0.38 25 ～ 30 5 .7 1 .43 450(d) 高强聚乙烯 Dyneema 3 .4 2 .0 160 0 .98 140 高强聚乙烯 Spectya 3 .5 2 .5 156 0 .97 140 高强聚乙烯醇 Kuraion#7901 2 .1 4 .9 46 1 .32 245(d) 高强聚丙烯腈 2 .4 7 .8 28 1 .18 230(d) 碳纤维 Pyrofil 1 .9 ～ 3 .5 0 .4 ～ 1 .2 300～ 500 1 .80 碳纤维 Torayca 3 ～ 7 1 .5 ～ 2 .4 200～ 300 1 .80 氧化铝纤维 1 .5 ～ 2 .9 1 .5 250 4 .0 玻璃纤维 Gevetex 2～ 3 .5 2 .0 ～ 3 .5 70～ 90 2 .5 825 钢纤维 2 .8 200 7 .8 1600 钛合金纤维 1 .2 106 4 .5 铝合金纤维 0 .6 71 2 .7 注 :d 为分解温度 由表 1 可看出 Kevlar 、PBO 纤维的密度都较低 , 比强度和比模量很高 , 尤其是 PBO 纤维 ,用它作为 结构材料 ,轻量化特性特别显著,这对宇航器材节省 燃料 、小型化、高速化带来很多有利条件 。 3 Kevlar 、PBO 纤维复合材料的性能 3 .1 材料 本研究中纤维采用一种Kevlar 纤维和两种密度 不同的高模型 PBO 纤维, PBO 纤维分别标记为 PB01 (线密度 162 .3)、PB02(线密度 54 .2),基体用环氧树 脂 。 3 .2 成型工艺 采用湿法纤维缠绕成型工艺制备 Kevlar 纤维和 PBO 纤维复合材料实验件。 3 .3 性能 3 .3 .1 束纱性能 按GB3362-82 标准测试Kevlar 和 PBO 纤维束纱 力学性能,结果见表2 。 表 2 束纱性能 纤维种类 线密度(Tex)强度(MPa)模量(GPa)延伸率(%) Kevlar 101.7 4419.0 146.07 3.17 PB01 162.3 5408.2 276.5 2.29 PB02 54.2 5907.0 281.5 2.21 3 .3 .2 Kevlar 和PBO 纤维复合材料压力容器性能 复合材料压力容器实验结果表明:相同爆破压 力下 , Kevlar 纤维 、PB01 纤维、PB02 纤维缠绕成型 的压力容器减重效果排列顺序为 : PB02 纤维 >PB01 纤维>Kevlar 纤维 4 结 论 1)PBO 纤维具有优异的力学性能, 其中 PB02 纤维(线密度 54 .2)比 PB01 纤维(线密度 162 .3)的 性能更为优异。 2)PBO 纤维复合材料制品比 Kevlar 纤维复合 材料制品的减重效果好 。 3)PBO 纤维具有高的比强度和比模量, 其在新 型高速交通工具以及宇宙空间器材和深层海洋的开 发上有着广泛的应用前景。 参 考 文 献 1 吴国梅.21 世纪超高性能之 PBO 高分子纤维材料.高科技纤维与 应用, 2002(3):27 2 汪多仁.改性 PBO 的应用及其合成工艺.高科技纤维与应用, 2001(6):26 3 张树均等编著.改性纤维与特种纤维.中国石化出版社,1993 4 贾丽霞等.PBO 纤维及其复合材料性能研究.纤维复合材料, 2003 , 20(3):15 4 期 周晏云等:Kevlar 、PBO 有机纤维及其复合材料的性能 19