高分子材料科学与工程 2003年 111芳纶纤维的力学性能!芳纶纤维具性能、基体性能及它们的界面结合状况,因而影 有拉伸强度高(30GPa~55GPa)、弹性模量响这三者的因素即为影响复合材料的因素。此 大(80GPa160GPa)、断裂伸长率小(在3%处仅就影响纤维的因素作一些论述。 左右)的特点,而且耐冲击性能特别好,若与炭121不同纤维结构对芳纶纤维的影 纤维混杂用于复合材料,还能大大提高复合材响6”11:芳纶纤维按其结构可分为对位芳纶 料的耐冲击性能。芳纶纤维还具有质轻的特点,纤维和间位芳纶纤维,间位芳纶纤维如Ker 相对密度仅为144145。因此,芳纶纤维具有 mel Nom ex,对位芳纶纤维如 Kevlar techno- 高的比强度和高的比模量,可应用于要求高强ra、SVM、Amos等。由于这两种结构在空间排 高模量的场合(作为增强材料)和要求高耐冲击列上的不同,造成了纤维微结构的差异,从而影 的场合(如防弹衣材料),以及低延展的场合(如响其宏观性能,如间位芳纶纤维在耐热性上表 某些特殊的绳索) 现得更为突出。郯志清等研究芳纶纤维结晶度 112芳纶纤维的化学性能,对中性化和晶粒对其力学性能的关系后发现,随着纤维 学药品的抵抗能力一般是很强的,但易受各种结晶度的增加和晶粒的增大,即纤维晶格完整 酸碱的侵蚀,尤其对强酸抵抗力较弱。由于芳纶性的改善,其强度和模量均增大。纤维的初始模 分子结构中存在极性基团酰胺基,致使纤维耐量取决于高聚物的化学结构以及分子间相互作 水性较差。 用力的大小。另外,结晶层的厚度对纤维也会 113芳纶纤维的耐热性”芳纶纤维具有产生影响。 良好的热稳定性,耐火而不熔,低可燃氧指数,122成纤条件对芳纶纤维的影响316mn.制 LO在27%~43%之间,能长期在180℃下使备芳纶纤维时,无论是传统的两步法还是一步 用。另外,在低温-60℃不发生脆化,亦不降直接成纤法,在成纤前都需要先制成聚合物溶 解。芳纶纤维的热膨胀系数很小,具有各向异性液(如PPTA聚合物溶液),溶液中高聚物的浓 的特点纵向热膨胀系数在-2×106~C~-4度是决定后续成纤及纤维性能的一个重要因 ×106/C之间,横向热膨胀系数为59×素。为促进反应的进行,提高聚合物的分子量 10ˆ°/℃C。芳纶纤维的热膨胀系数为负值,若能常在缩聚溶液中加入一些助溶剂(如LCD、酸 和其他具有正值热膨胀系数的材料复合,可制吸收剂(如NH3,吡啶),这些助剂的加入量对 成热膨胀系数为零的复合材料,这种材料可很PPTA的性能也有影响13。对于干喷湿纺法成 好地用于模具的制造。 纤的工艺,卷丝力、纺丝速度、喷丝板形式及纤 114芳纶纤维的摩擦性能1芳纶纤维维固化液种类对纤维性能均具有很大影响, 具有优良的耐磨性能,尤其是用于增强热塑性对于沉淀成纤工艺,搅拌速度、沉淀剂的种类和 基体时,其润滑性能最佳。在摩擦过程中芳纶纤用量是决定纤维性能的重要因素16 维起到提高摩擦系数稳定性、降低磨损的作用,123工作环境氛围对芳纶纤维的影响:芳纶 表现为复合材料制品的磨损速率随复合材料中纤维所处环境氛围,如环境温度、环境压力、水 芳纶纤维含量的增加而显著下降,同时还可降分或有机溶剂氛围等,对其性能影响很大 低摩擦对应面材料的磨损。利用芳纶纤维的优 (1)环境温度WUCM.等1研究了 良耐磨性能,可把它应用于汽车轮胎、刹车片等 Kevlar纤维的力学行为,发现在一定拉伸速率 耐磨品的制造。 下,提高环境温度会降低纤维的初始模量和断 芳纶纤维除具有以上优良性能外,还具有裂张力 很好的电绝缘性。另外,芳纶纤维也存在一些不 2)环境水或水蒸气:芳纶纤维耐水性较 足町3,如溶解性、耐疲劳性及韧性不够好,耐光差,在湿环境中,会吸收一些水分(吸湿率可达 性较差,横向压缩模量较低。随着对芳纶纤维研7%),水分的存在使纤维结构变得松散3。环 究的深入,这些不足之处逐渐被克服。 境中的水通常是从复合材料外表面经界面通道 12影响芳纶纤维及其复合材料性能的因素侵入材料,所以界面相在吸湿行为中起着很大 决定纤维复合材料性能的因素不外乎纤维的作用,在湿环境中极大地影响材料的性 o1994-2010ChinaAcademicJOurmalElectronicpUblishingHouseAllrightsreservedhttp://www.enki.net1. 1. 1 芳纶纤维的力学性能[1, 6 ] : 芳纶纤维具 有拉伸强度高(3. 0 GPa～ 5. 5 GPa)、弹性模量 大 (80 GPa～ 160 GPa)、断裂伸长率小(在 3% 左右) 的特点, 而且耐冲击性能特别好, 若与炭 纤维混杂用于复合材料, 还能大大提高复合材 料的耐冲击性能。芳纶纤维还具有质轻的特点, 相对密度仅为1. 44～ 1. 45。因此, 芳纶纤维具有 高的比强度和高的比模量, 可应用于要求高强 高模量的场合(作为增强材料) 和要求高耐冲击 的场合(如防弹衣材料) , 以及低延展的场合(如 某些特殊的绳索)。 1. 1. 2 芳纶纤维的化学性能[1, 7, 8 ] : 对中性化 学药品的抵抗能力一般是很强的, 但易受各种 酸碱的侵蚀, 尤其对强酸抵抗力较弱。由于芳纶 分子结构中存在极性基团酰胺基, 致使纤维耐 水性较差。 1. 1. 3 芳纶纤维的耐热性[1, 9 ] : 芳纶纤维具有 良好的热稳定性, 耐火而不熔, 低可燃氧指数, L O I 在 27%～ 43% 之间, 能长期在 180 ℃下使 用。 另外, 在低温- 60 ℃不发生脆化, 亦不降 解。芳纶纤维的热膨胀系数很小, 具有各向异性 的特点: 纵向热膨胀系数在- 2×10 - 6ö℃～ - 4 × 10 - 6ö℃之 间; 横 向 热 膨 胀 系 数 为 59 × 10 - 6ö℃。芳纶纤维的热膨胀系数为负值, 若能 和其他具有正值热膨胀系数的材料复合, 可制 成热膨胀系数为零的复合材料, 这种材料可很 好地用于模具的制造。 1. 1. 4 芳纶纤维的摩擦性能[10～ 12 ] : 芳纶纤维 具有优良的耐磨性能, 尤其是用于增强热塑性 基体时, 其润滑性能最佳。在摩擦过程中芳纶纤 维起到提高摩擦系数稳定性、降低磨损的作用, 表现为复合材料制品的磨损速率随复合材料中 芳纶纤维含量的增加而显著下降, 同时还可降 低摩擦对应面材料的磨损。利用芳纶纤维的优 良耐磨性能, 可把它应用于汽车轮胎、刹车片等 耐磨品的制造。 芳纶纤维除具有以上优良性能外, 还具有 很好的电绝缘性。另外, 芳纶纤维也存在一些不 足[13 ] , 如溶解性、耐疲劳性及韧性不够好, 耐光 性较差, 横向压缩模量较低。随着对芳纶纤维研 究的深入, 这些不足之处逐渐被克服。 1. 2 影响芳纶纤维及其复合材料性能的因素 决定纤维复合材料性能的因素不外乎纤维 性能、基体性能及它们的界面结合状况, 因而影 响这三者的因素即为影响复合材料的因素。此 处仅就影响纤维的因素作一些论述。 1. 2. 1 不 同 纤 维 结 构 对 芳 纶 纤 维 的 影 响[6, 9, 14, 15 ] : 芳纶纤维按其结构可分为对位芳纶 纤维和间位芳纶纤维, 间位芳纶纤维如 Ker2 m el、N om ex; 对位芳纶纤维如 Kevlar Techno2 ra、SVM、A rmo s 等。由于这两种结构在空间排 列上的不同, 造成了纤维微结构的差异, 从而影 响其宏观性能, 如间位芳纶纤维在耐热性上表 现得更为突出。郯志清等研究芳纶纤维结晶度 和晶粒对其力学性能的关系后发现, 随着纤维 结晶度的增加和晶粒的增大, 即纤维晶格完整 性的改善, 其强度和模量均增大。纤维的初始模 量取决于高聚物的化学结构以及分子间相互作 用力的大小[9 ]。另外, 结晶层的厚度对纤维也会 产生影响。 1. 2. 2 成纤条件对芳纶纤维的影响[13, 16, 17 ] : 制 备芳纶纤维时, 无论是传统的两步法还是一步 直接成纤法, 在成纤前都需要先制成聚合物溶 液(如 PPTA 聚合物溶液) , 溶液中高聚物的浓 度是决定后续成纤及纤维性能的一个重要因 素。为促进反应的进行, 提高聚合物的分子量, 常在缩聚溶液中加入一些助溶剂(如L iCl)、酸 吸收剂 (如N H 3, 吡啶) , 这些助剂的加入量对 PPTA 的性能也有影响[13 ]。对于干喷湿纺法成 纤的工艺, 卷丝力、纺丝速度、喷丝板形式及纤 维固化液种类对纤维性能均具有很大影响[17 ] ; 对于沉淀成纤工艺, 搅拌速度、沉淀剂的种类和 用量是决定纤维性能的重要因素[16 ]。 1. 2. 3 工作环境氛围对芳纶纤维的影响: 芳纶 纤维所处环境氛围, 如环境温度、环境压力、水 分或有机溶剂氛围等, 对其性能影响很大。 (1) 环 境 温 度: WU C. M. 等[14 ] 研 究 了 Kevlar 纤维的力学行为, 发现在一定拉伸速率 下, 提高环境温度会降低纤维的初始模量和断 裂张力。 ( 2) 环境水或水蒸气: 芳纶纤维耐水性较 差, 在湿环境中, 会吸收一些水分(吸湿率可达 7% ) , 水分的存在使纤维结构变得松散[23 ]。环 境中的水通常是从复合材料外表面经界面通道 侵入材料, 所以界面相在吸湿行为中起着很大 的作用, 在湿环境中极大地影响材料的性 6 高分子材料科学与工程 2003 年