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Kevlar 29 (K29) DuPont 杜邦
- 价格： ￥13.7/克
- 发布日期： 2024-08-14
- 更新日期： 2024-09-18
产品详请
凯夫拉
Kevlar(对位芳纶)是一种强韧、耐热的合成纤维,与其他芳纶(如Nomex和Technora)有关。1965年,杜邦公司的斯蒂芬妮·克沃莱克(Stephanie Kwolek)开发,这种高强度材料于1970年代初 用于商业用途,作为赛车轮胎中钢的替代品。它通常被纺成绳索或织物片,可以用作绳索或织物片,或用作复合材料成分的成分。
凯夫拉尔有许多应用,从自行车轮胎和赛车帆到防弹背心,所有这些都是由于其高抗拉强度重量比;按照这个标准,它的强度是钢的五倍。[2]它还用于制作承受高冲击的现代行进鼓头;以及系泊缆绳和其他水下应用。
阿克苏在1970年代开发了一种名为Twaron的类似纤维,具有相同的化学结构;Twaron于1986年开始商业生产,由帝人生产。
历史
聚对苯二酰胺 (K29) – 品牌为 Kevlar – 由美国化学家 Stephanie Kwolek 在杜邦公司工作时发明,当时预计会出现汽油短缺。1964 年,她的团队开始寻找一种新的轻质强力纤维,用于制造轻质但坚固的轮胎。[7]她一直在研究的聚合物,聚对苯二甲酸对苯二甲酸酯和聚苯甲酰胺[8],在溶液中形成液晶,这在当时的聚合物中是 的。
溶液是“浑浊的,搅拌时呈乳白色,粘度低”,通常被扔掉。然而,Kwolek 说服了运行喷丝头的技术人员 Charles Smullen 测试她的解决方案,并惊讶地发现纤维不会破裂,这与尼龙不同。她的主管和实验室主任明白了她的发现的重要性,高分子化学这一新领域迅速出现。到 1971 年,引入了现代凯夫拉尔。[7]然而,Kwolek 并没有积极参与开发 Kevlar 的应用程序。
1971年,时任美国国家执法与刑事司法研究所(National Institute for Law Enforcement and Criminal Justice)科学技术主任的莱斯特·舒宾(Lester Shubin)[10]建议用凯夫拉纤维代替防弹背心中的尼龙。[11]在凯夫拉尔(Kevlar)推出之前,由尼龙制成的防弹夹克为用户提供的保护要有限得多。舒宾后来回忆起这个想法是如何形成的:“我们把它折叠了几次,然后对着它射击。子弹没有穿过。在测试中,他们将凯夫拉尔绑在麻醉的山羊身上,并射击它们的心脏,脊髓,肝脏和肺部。他们监测山羊的心率和血气水平,以检查肺部损伤。24小时后,一只山羊死亡,其他山羊的伤口没有生命危险。[12][13][需要验证]舒宾获得了500万美元的资助,用于研究防弹背心中使用这种面料。
凯夫拉149是由杜邦的雅各布·拉希贾尼(Jacob Lahijani)在1980年代发明的
生产
凯夫拉尔是由单体 1,4-亚苯基二胺(对苯二胺)和对苯二甲酰氯在缩合反应中的溶液中合成的,产生盐酸作为副产物。结果具有液晶行为,机械拉伸使聚合物链沿纤维的方向定向。六甲基磷酰胺 (HMPA) 是最初用于聚合的溶剂,但出于安全考虑,杜邦将其替换为 N-甲基吡咯烷酮和氯化钙的溶液。由于阿克苏(Akzo)在生产Twaron时已获得该工艺的专利(见上文),因此随之而来的是一场专利战。[15]
凯夫拉纤维的生产成本高昂,因为使用浓硫酸会产生困难,而浓硫酸是在合成和纺丝过程中将水不溶性聚合物保持在溶液中的必要条件。[16]
有几种等级的凯夫拉纤维可供选择:
Kevlar K-29 – 在工业应用中,例如电缆、石棉替代品、轮胎和刹车片。
Kevlar K49 – 用于电缆和绳索产品的高模量。
凯夫拉 K100 – 凯夫拉的彩色版本
Kevlar K119 – 更高的伸长率、柔韧性和更抗疲劳性
Kevlar K129 – 更高的韧性,适用于防弹应用
Kevlar K149 – 用于弹道、装甲和航空航天应用的 韧性[17][18]
Kevlar AP – 抗拉强度比 K-29 高 15%[19]
Kevlar XP – 重量更轻的树脂和 KM2 加纤维组合[20]
Kevlar KM2 – 增强了装甲应用的防弹性能[21]
阳光中的紫外线成分会降解和分解凯夫拉纤维,这是一个被称为紫外线降解的问题,因此在没有阳光保护的情况下,它很少在户外使用。[22]
结构与性能
当凯夫拉纺丝时,所得纤维的拉伸强度约为 3,620 MPa (525,000 psi),[23] 相对密度为 1.44 (0.052 lb/in3)。聚合物的高强度归功于许多链间键。这些分子间氢键在羰基和 NH 中心之间形成。额外的强度来自相邻链之间的芳香族堆积相互作用。这些相互作用对凯夫拉尔的影响大于范德华相互作用和链长,范德华相互作用和链长通常会影响其他合成聚合物和纤维(如超高分子量聚乙烯)的性能。盐和某些其他杂质(尤其是钙)的存在可能会干扰链相互作用,因此应注意避免在其生产中夹杂。凯夫拉尔的结构由相对坚硬的分子组成,这些分子往往形成大部分平面片状结构,更像丝蛋白。[24]
热性能
凯夫拉纤维在低温(-196°C(-320.8°F))下仍能保持其强度和弹性:事实上,它在低温下略强。在较高的温度下,抗拉强度立即降低约 10-20%,几个小时后,强度逐渐进一步降低。例如:忍受160°C(320°F)500小时,其强度降低约10%;并承受 260 °C (500 °F) 70 小时,其强度降低约 50%。[25]
应用
科学
凯夫拉尔(Kevlar)通常用于低温领域,因为它的导热系数低,相对于其他用于悬浮目的的材料具有高强度。它最常用于将顺磁性盐外壳悬挂在超导磁芯轴上,以 程度地减少顺磁性材料的任何热量泄漏。它也被用作热支架或结构支撑,用于需要低热量泄漏的地方。
欧洲核子研究中心(CERN)的NA48实验使用了一个薄的凯夫拉窗,在接近大气压的容器中分离真空容器和容器,两者的直径均为192厘米(76英寸)。该窗口提供了真空密封性,并结合了相当少量的材料(仅为辐射长度的0.3%至0.4%)。[需要引证]
保护
凯夫拉是个人盔甲的众所周知的组成部分,例如战斗头盔、防弹面罩和防弹背心。美国 使用的 PASGT 头盔和背心使用凯夫拉尔作为其结构的关键部件。其他军事用途包括防弹面罩和用于保护装甲战车乘员的防剥落衬垫。尼米兹级航空母舰在重要区域使用凯夫拉加固。民用应用包括:消防员所穿的高耐热制服、警察、保安和特警等警察战术队所穿的防弹衣。[26]
凯夫拉尔用于制造手套、袖子、夹克、夹克和其他衣物[27],旨在保护用户免受割伤、擦伤和高温。基于凯夫拉尔的防护装备通常比由更传统材料制成的等效装备更轻、更薄。
它用于摩托车安全服,尤其是在肩膀和肘部等具有衬垫的区域。在击剑运动中,它用于防护夹克、马裤、塑料衫和面罩的围兜。它越来越多地被用于 peto,这是一种带衬垫的覆盖物,可以保护斗牛场中 picadors 的马匹。速滑运动员还经常穿着凯夫拉织物的底层,以防止在跌倒或碰撞时溜冰鞋可能受伤。
运动
在弓道或日本射箭中,它可能用于弓弦,作为更昂贵的[28]大麻的替代品。它是滑翔伞悬挂线使用的主要材料之一。[29]它被用作一些自行车轮胎的内衬,以防止刺穿。在乒乓球比赛中,凯夫拉尔的层数被添加到定制的层状叶片或桨中,以增加弹跳并减轻重量。网球拍有时用凯夫拉尔纤维串起来。它用于高性能赛艇的帆。
2013 年,随着技术的进步,耐克 在鞋子中使用了 Kevlar。它推出了Elite II系列[30],通过在前部和鞋带中使用Kevlar,对其早期版本的篮球鞋进行了改进。与传统使用的尼龙相比,这样做是为了降低鞋尖的弹性,因为凯夫拉纤维膨胀了约 1%,而尼龙膨胀了约 30%。该系列的鞋子包括 LeBron、HyperDunk 和 Zoom Kobe VII。然而,这些鞋子的价格范围远高于篮球鞋的平均成本。它还被用于阿迪达斯 F50 adiZero Prime 足球鞋的鞋带。
包括 Continental AG 在内的几家公司生产带有 Kevlar 的自行车轮胎,以防止穿刺。[31]
1984年,汤姆·里奇(Tom Ritchey)在自行车运动中引入折叠胎圈自行车轮胎,[32][循环参考]使用凯夫拉(Kevlar)作为胎圈代替钢,以减轻重量和增强强度。折叠胎圈的一个副作用是减少了在零售环境中展示自行车轮胎所需的架子和地板空间,因为它们被折叠并放置在小盒子中。
音乐
Kevlar 还被发现对扬声器锥体具有有用的声学特性,特别是对于低音和中音驱动单元。[33]此外,凯夫拉纤维还被用作光纤电缆的加强件,例如用于音频数据传输的电缆。[34]
凯夫拉纤维可用作弦乐器弓上的声学芯。[注35]凯夫拉尔的物理特性为弓的使用者提供了力量、柔韧性和稳定性。迄今为止,这种弓的 制造商是 CodaBow。[36]
凯夫拉纤维目前也被用作尾绳(又名尾件调节器)的材料,尾绳将尾件连接到弓弦乐器的端销。[注37]
凯夫拉尔有时被用作行进军鼓的材料。它允许极高的张力,从而产生更清晰的声音。通常将树脂倒入凯夫拉尔纤维上,使头部气密,并采用尼龙顶层以提供平坦的打击表面。这是行进军鼓头的主要类型之一。Remo 的 Falam Slam 贴片由 Kevlar 制成,用于加固打手敲击的低音鼓头。[注38]
Kevlar 用于 Fibracell 的木管乐器芦苇。这些芦苇的材料是航空航天材料的复合材料,旨在复制大自然建造甘蔗芦苇的方式。非常坚硬但吸音的凯夫拉纤维悬浮在轻质树脂配方中。[注39]
汽车
凯夫拉尔有时用于汽车的结构部件,尤其是法拉利 F40 等高价值性能汽车。
短切纤维已被用作刹车片中石棉的替代品。[41]芳纶(如凯夫拉尔)释放的空气纤维比石棉制动器少,并且不具有与石棉相关的致癌特性。
其他用途
用于火舞道具的灯芯由复合材料制成,其中含有凯夫拉纤维。凯夫拉尔本身不能很好地吸收燃料,因此它与玻璃纤维或棉花等其他材料混合。凯夫拉尔的高耐热性使灯芯可以多次重复使用。
凯夫拉尔有时在一些不粘煎锅中用作特氟龙的替代品。[44]
凯夫拉纤维用于绳索和电缆,其中纤维在聚乙烯套管内保持平行。这些电缆已被用于悬索桥,例如苏格兰阿伯费尔迪的桥梁。它们还被用于稳定开裂的混凝土冷却塔,通过周向应用,然后张紧以封闭裂缝。凯夫拉尔被广泛用作光纤电缆的保护外护套, 因为它的强度可以保护电缆免受损坏和扭结.当在此应用程序中使用时,它通常以商标名称 Parafil 而闻名。[注45]
凯夫拉尔被佐治亚理工学院的科学家用作发电服装实验的基础纺织品。这是通过将氧化锌纳米线编织到织物中来完成的。如果成功,新织物每平方米将产生约80毫瓦。[46]
超过 60,000 平方英尺(5,600 m2)的凯夫拉可伸缩屋顶是 1976 年夏季 会蒙特利尔奥林匹克体育场设计的关键部分。它非常不成功,因为它晚了 10 年完工,并在 10 年后的 1998 年 5 月在一系列问题后被替换。[47][48]
凯夫拉尔纤维可以作为橡胶波纹管、膨胀节和橡胶软管中的增强层,用于高温应用,并具有高强度。它也被发现作为编织层用于软管组件的外部,以增加对尖锐物体的保护。[49][50][51]
一些手机(包括摩托罗拉 RAZR 系列、摩托罗拉 Droid Maxx、OnePlus 2 和 Pocophone F1)具有凯夫拉背板,由于其弹性和不受信号传输干扰,因此选择它而不是碳纤维等其他材料。[52]
凯夫拉纤维/环氧树脂基复合材料与其他纤维相比具有高比强度和轻质,可用于海流涡轮机 (MCT) 或风力涡轮机。[53]
复合材料
芳纶纤维广泛用于增强复合材料,常与碳纤维和玻璃纤维结合使用。高性能复合材料的基体通常是环氧树脂。典型应用包括一级方程式赛车的硬壳式车身、直升机旋翼叶片、网球、乒乓球、羽毛球和壁球拍、皮划艇、板球棒以及曲棍球、冰球和棍网球棒。[54][55][56][57]
凯夫拉尔 149 是最坚固的纤维,结构最结晶,是飞机制造某些部分的替代品。[注59]机翼前缘是一种应用,凯夫拉纤维比碳纤维或玻璃纤维更不容易在鸟类碰撞中断裂。
重量轻,性能高 — Kevlar Fiber
凯夫拉纤维用途广泛且坚固,不仅仅是一系列线。杜 邦®™凯夫拉纤维用于各种服装、配饰和设备,以帮助使它们更安全、更耐用。在同等重量的基础上,它的强度是钢的五倍,是防护服和配饰的 纤维。
凯夫拉纤维和长丝有多种类型,每种纤维都有自己独特的性能和性能特征,可满足不同的保护需求。
什麼是KEVLAR
杜邦™KEVLAR 是芳香族聚酰胺家族中的一種有機纖維。
全芳聚酰胺(芳綸)的獨特的性質及其獨特化學成分使它們 —
尤其是KEVLAR — 與其它商業化的人造纖維區分開來。
KEVLAR 具有獨特的高強度、高模量、高韌性,以及熱穩
定性。它的開發是針對要求日益嚴苛的工業和高科技應用。
如今,許多種KEVLAR產品已經廣泛應用在眾多行業。
本指南所涵蓋的內容主要包括KEVLAR 工業用紗的技術
信息,以及關於KEVLAR 短纖維的一些基本信息。如果您
需要瞭解其它任何信息,包括關於KEVLAR 的諸多應用
以及特定構成的信息,請您與您的杜邦銷售代表取得聯繫
KEVLAR® 的開發以及分子結構
在20世紀60年代中期,尼龍和聚酯代表了合成纖維的先進
水平。但是為達到最大韌性(斷裂強度)及初始模量,聚合物
分子必須呈伸展鏈結構,並且有幾乎完整的結晶堆砌。柔性
分子鏈的聚合物如尼龍和聚酯,只能在熔融紡絲之後通過
機械拉伸的方法才能夠達到此效果。由於這需要分子鏈在
固相解纏並進行取向,所以韌性和模量水平遠達不到理論上
的可能數值。
1965年,杜邦的科學家們發明了一種新的生產方法,照此方
法生產出的聚合物鏈幾乎具有完整的伸展性。他們發現由於
聚對苯甲酰胺分子主鏈具有簡單的重複性而能夠形成液晶
溶液。主鏈的結構要求主要是苯環的對位而形成棒狀的分子
結構。這些開發成果引導我們發展成為目前的KEVLAR®。
為了對液晶態的聚合物與柔性的可熔融聚合物之間的區別
進行闡述,我們可以設想當棒狀的聚合物分子溶解時將會
發生何種情況,而具有柔性鏈的分子溶解時又將發生何種
情況。對於具有柔性鏈的聚合物來說,在溶液中呈無規捲曲
的構型,即使提高此種聚合物的濃度,也不會提高有序性。
相反,對於剛性聚合物來說,當濃度增加時,棒狀結構將會
開始並排形成平行的排列結構。然後,內部聚合物分子鏈高
度有序排列的相疇出現,而相疇與相疇之間是無規排列的。
液晶聚合物溶液受剪切時呈現出獨特的特征。這種特性為
纖維的生產和加工開闢了新的天地。當該溶液流經噴絲頭
(噴嘴)時,在剪切力的作用下,那些無規取向的相疇將完全
沿着剪切的方向取向,並且呈現出幾乎完美的分子取向。
KEVLAR® 的由剪切引起的取向的鬆弛極其緩慢,因此這種
超分子結構在初生絲結構中幾乎完全保留下來。此過程是一
種新穎的、低能耗的形成高取向性聚合物分子的方法,可以
生產出非常強的纖維。
杜邦利用此技術開發出一種聚對苯二甲酰對苯二胺纖維,
此種纖維在1971年以KEVLAR® 命名商品化。
KEVLAR® 在FDA中的應用
食品及藥物管理局(FDA)針對KEVLAR® 的使用對食品添加劑
規範作出了補正。這些規範指出如今許多種類型的KEVLAR®
產品可以安全地使用,它們可以做為與食品反復接觸的器
具,或器具中的成分。為確定FDA規範中所包含的是哪些特
定的KEVLAR® 產品,請與您的杜邦銷售代表聯系。
水和pH值對KEVLAR® 的影響
水解及pH穩定性
當KEVLAR® 接觸強酸和強碱時將會發生降解。在中性pH
值(pH值為7)下,纖維在149?F(65?C)溫度中暴露超過200
天時,其強力幾乎保持不變。pH值越是偏離pH7,強力的
損失就越大。偏離中性同等數值的pH值水平下,酸性條件比
碱性條件所造成的降解更為嚴重。
在不同pH值水平的飽和水蒸氣中也能觀察到類似的情況。
在309?F(154?C)溫度中暴露16個小時所得的結果表明,在pH6
到pH7時強度保持最大,而酸側的下降更為迅速(圖2.1)。
KEVLAR® 在飽和蒸汽中的抗水解性通過一個密封的試管
(“氣罐”)試驗測得。將一束KEVLAR® 紗線(1500旦尼爾)
保持在280?F(138?C)的pH7的飽和水蒸汽中放置不同長度的
時間。通過與室溫下測得的強度值比較來計算強度的損失
(圖2.2)。
回潮率
回潮率是指在某個給定的溫度和濕度水平下,大多數纖維
吸收周圍空氣中的水分或向周圍空間散發水分,直至達到
某個平衡含濕率時為止的特性。相對濕度(RH)對KEVLAR®
吸收水分的速度以及所達到的平衡水平有明顯的影響。相對
濕度越高,KEVLAR® 最初回潮吸收水分就越快,最終的
平衡水平也越高。
經過干燥處理的KEVLAR® 紗線,其所達到的平衡含濕量水平
比沒有經過干燥的來得要低。從圖2.3種可以看出KEVLAR®
29的這種變化。圖2.4說明了相對濕度對KEVLAR® 49的紗線
干燥紗線平衡含濕率的影響。此種關係在整個濕度範圍內呈
直線變化。
含濕率對KEVLAR® 的強伸性能基本沒有影響。
KEVLAR® 的熱性能
分解溫度
KEVLAR® 不會熔化;升溫速度為10?C/分鐘時,在空氣中的
分解溫度約427?C至482?C,而在氮氣下大約在538?C分解。
分解溫度隨不同的升溫速率和暴露時間而不同。
圖2.5和2.6分別給出了KEVLAR® 49在空氣中和在氮氣中的熱
失重分析曲線(TGA)。TGA曲線由一台測量重量損失的儀器
測定,重量損失作為單位時間溫度升高的一個函數。此種
分析也可以在空氣或其它不同氣體中進行。
對於KEVLAR® 而言,當溫度升高時,重量將會立即下降,
這是由於水揮發的原因。然後此曲線將保持相對平坦,直至
發生分解時觀察到有明顯的重量損失。
高溫對強伸性能的影響
升高溫度將降低KEVLAR® 纖維以及其它有機纖維的模量、
抗張強度以及斷裂伸長率。當在300?F - 350?F(149?C至
177?C)或更高溫度下長期使用KEVLAR® 時,應將此因素
考慮在內。
圖2.7和2.8分別比較了高溫對KEVLAR® 和其它纖維的抗張
高溫對尺寸穩定性的影響
當暴露在熱氣或熱水中時,KEVLAR ® 不像其它有機纖維
那樣將發生收縮。大多數其它纖維將會發生不可逆的收縮。
KEVLAR® 的纖維軸向方向的熱膨脹係數(CTE)非常小,且為
負值。KEVLAR® 的CTE值取決於測量技術、樣品的制備
以及測試方法(表II-4)。
燃燒熱值
KEVLAR® 的燃燒熱值通過愛默生氧彈式量熱計進行測量。
表II-5對KEVLAR® 的燃燒熱值與其它聚酰胺的燃燒熱值,以及
製備剛性複合材料的一種環氧樹脂的燃燒熱值進行了比較。
比熱
KEVLAR® 的比熱明顯受到溫度的影響。從圖2.9可以看出,
當溫度從32?F(0?C)上升到392?F(200?C)時,其比熱的增加
超過兩倍。溫度再上升時則趨向於緩和。
低溫條件的影響
暴露在極冷條件下時(-50?F[-46?C]),KEVLAR® 的強伸性能
不會受負面影響(表II-6)。在如此低的溫度下,模量增加以及
斷裂伸長率輕微下降是因為分子剛性稍有增加所致。
極冷條件的影響
KEVLAR® 在溫度低至-320?F(-196?C)時也不會發生脆化或
降解。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產生廢氣的特征
KEVLAR® 具有固有的難燃性,但是能夠點燃(極限氧指數
為29)。當火源撤走之後,通常情況下將停止燃燒;但若是
漿粕或其飛塵被點燃,則可能繼續陰燃。在實驗室測試中,
(表II-7),在接觸火源12秒之後撤走火源時,KEVLAR® 織物
將不會繼續燃燒。當織物厚度增加,余輝時間隨之延長,
但燃燒長度不會增加。不會產生任何“滴落物”,此類“滴落
物”將會使火焰傳播,這是其它有機纖維的一個常見問題。
KEVLAR® 不可用作燃料,任何情況下都不可以有意將其
燃燒。表II-8所給出的實驗室數據僅提供KEVLAR® 發生意外
燃燒時的重要信息。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產生廢氣的特征
KEVLAR® 燃燒時將產生與木材燃燒類似的氧化氣體 — 大
部分是二氧化碳、水以及氮的氧化物。但是也可能產生一氧
化碳、少量的氰化氫以及其它有毒氣體。KEVLAR ® 以及
其它纖維在燃燒不充分條件下所產生氣體的組成如表II-18
所示。如需更多詳細的信息,請參閱KEVLAR® 的材料安全
數據表(MSDS)。
強度及彈性模量的影響。
"
Kevlar(对位芳纶)是一种强韧、耐热的合成纤维,与其他芳纶(如Nomex和Technora)有关。1965年,杜邦公司的斯蒂芬妮·克沃莱克(Stephanie Kwolek)开发,这种高强度材料于1970年代初 用于商业用途,作为赛车轮胎中钢的替代品。它通常被纺成绳索或织物片,可以用作绳索或织物片,或用作复合材料成分的成分。
凯夫拉尔有许多应用,从自行车轮胎和赛车帆到防弹背心,所有这些都是由于其高抗拉强度重量比;按照这个标准,它的强度是钢的五倍。[2]它还用于制作承受高冲击的现代行进鼓头;以及系泊缆绳和其他水下应用。
阿克苏在1970年代开发了一种名为Twaron的类似纤维,具有相同的化学结构;Twaron于1986年开始商业生产,由帝人生产。
历史
聚对苯二酰胺 (K29) – 品牌为 Kevlar – 由美国化学家 Stephanie Kwolek 在杜邦公司工作时发明,当时预计会出现汽油短缺。1964 年,她的团队开始寻找一种新的轻质强力纤维,用于制造轻质但坚固的轮胎。[7]她一直在研究的聚合物,聚对苯二甲酸对苯二甲酸酯和聚苯甲酰胺[8],在溶液中形成液晶,这在当时的聚合物中是 的。
溶液是“浑浊的,搅拌时呈乳白色,粘度低”,通常被扔掉。然而,Kwolek 说服了运行喷丝头的技术人员 Charles Smullen 测试她的解决方案,并惊讶地发现纤维不会破裂,这与尼龙不同。她的主管和实验室主任明白了她的发现的重要性,高分子化学这一新领域迅速出现。到 1971 年,引入了现代凯夫拉尔。[7]然而,Kwolek 并没有积极参与开发 Kevlar 的应用程序。
1971年,时任美国国家执法与刑事司法研究所(National Institute for Law Enforcement and Criminal Justice)科学技术主任的莱斯特·舒宾(Lester Shubin)[10]建议用凯夫拉纤维代替防弹背心中的尼龙。[11]在凯夫拉尔(Kevlar)推出之前,由尼龙制成的防弹夹克为用户提供的保护要有限得多。舒宾后来回忆起这个想法是如何形成的:“我们把它折叠了几次,然后对着它射击。子弹没有穿过。在测试中,他们将凯夫拉尔绑在麻醉的山羊身上,并射击它们的心脏,脊髓,肝脏和肺部。他们监测山羊的心率和血气水平,以检查肺部损伤。24小时后,一只山羊死亡,其他山羊的伤口没有生命危险。[12][13][需要验证]舒宾获得了500万美元的资助,用于研究防弹背心中使用这种面料。
凯夫拉149是由杜邦的雅各布·拉希贾尼(Jacob Lahijani)在1980年代发明的
生产
凯夫拉尔是由单体 1,4-亚苯基二胺(对苯二胺)和对苯二甲酰氯在缩合反应中的溶液中合成的,产生盐酸作为副产物。结果具有液晶行为,机械拉伸使聚合物链沿纤维的方向定向。六甲基磷酰胺 (HMPA) 是最初用于聚合的溶剂,但出于安全考虑,杜邦将其替换为 N-甲基吡咯烷酮和氯化钙的溶液。由于阿克苏(Akzo)在生产Twaron时已获得该工艺的专利(见上文),因此随之而来的是一场专利战。[15]
凯夫拉纤维的生产成本高昂,因为使用浓硫酸会产生困难,而浓硫酸是在合成和纺丝过程中将水不溶性聚合物保持在溶液中的必要条件。[16]
有几种等级的凯夫拉纤维可供选择:
Kevlar K-29 – 在工业应用中,例如电缆、石棉替代品、轮胎和刹车片。
Kevlar K49 – 用于电缆和绳索产品的高模量。
凯夫拉 K100 – 凯夫拉的彩色版本
Kevlar K119 – 更高的伸长率、柔韧性和更抗疲劳性
Kevlar K129 – 更高的韧性,适用于防弹应用
Kevlar K149 – 用于弹道、装甲和航空航天应用的 韧性[17][18]
Kevlar AP – 抗拉强度比 K-29 高 15%[19]
Kevlar XP – 重量更轻的树脂和 KM2 加纤维组合[20]
Kevlar KM2 – 增强了装甲应用的防弹性能[21]
阳光中的紫外线成分会降解和分解凯夫拉纤维,这是一个被称为紫外线降解的问题,因此在没有阳光保护的情况下,它很少在户外使用。[22]
结构与性能
当凯夫拉纺丝时,所得纤维的拉伸强度约为 3,620 MPa (525,000 psi),[23] 相对密度为 1.44 (0.052 lb/in3)。聚合物的高强度归功于许多链间键。这些分子间氢键在羰基和 NH 中心之间形成。额外的强度来自相邻链之间的芳香族堆积相互作用。这些相互作用对凯夫拉尔的影响大于范德华相互作用和链长,范德华相互作用和链长通常会影响其他合成聚合物和纤维(如超高分子量聚乙烯)的性能。盐和某些其他杂质(尤其是钙)的存在可能会干扰链相互作用,因此应注意避免在其生产中夹杂。凯夫拉尔的结构由相对坚硬的分子组成,这些分子往往形成大部分平面片状结构,更像丝蛋白。[24]
热性能
凯夫拉纤维在低温(-196°C(-320.8°F))下仍能保持其强度和弹性:事实上,它在低温下略强。在较高的温度下,抗拉强度立即降低约 10-20%,几个小时后,强度逐渐进一步降低。例如:忍受160°C(320°F)500小时,其强度降低约10%;并承受 260 °C (500 °F) 70 小时,其强度降低约 50%。[25]
应用
科学
凯夫拉尔(Kevlar)通常用于低温领域,因为它的导热系数低,相对于其他用于悬浮目的的材料具有高强度。它最常用于将顺磁性盐外壳悬挂在超导磁芯轴上,以 程度地减少顺磁性材料的任何热量泄漏。它也被用作热支架或结构支撑,用于需要低热量泄漏的地方。
欧洲核子研究中心(CERN)的NA48实验使用了一个薄的凯夫拉窗,在接近大气压的容器中分离真空容器和容器,两者的直径均为192厘米(76英寸)。该窗口提供了真空密封性,并结合了相当少量的材料(仅为辐射长度的0.3%至0.4%)。[需要引证]
保护
凯夫拉是个人盔甲的众所周知的组成部分,例如战斗头盔、防弹面罩和防弹背心。美国 使用的 PASGT 头盔和背心使用凯夫拉尔作为其结构的关键部件。其他军事用途包括防弹面罩和用于保护装甲战车乘员的防剥落衬垫。尼米兹级航空母舰在重要区域使用凯夫拉加固。民用应用包括:消防员所穿的高耐热制服、警察、保安和特警等警察战术队所穿的防弹衣。[26]
凯夫拉尔用于制造手套、袖子、夹克、夹克和其他衣物[27],旨在保护用户免受割伤、擦伤和高温。基于凯夫拉尔的防护装备通常比由更传统材料制成的等效装备更轻、更薄。
它用于摩托车安全服,尤其是在肩膀和肘部等具有衬垫的区域。在击剑运动中,它用于防护夹克、马裤、塑料衫和面罩的围兜。它越来越多地被用于 peto,这是一种带衬垫的覆盖物,可以保护斗牛场中 picadors 的马匹。速滑运动员还经常穿着凯夫拉织物的底层,以防止在跌倒或碰撞时溜冰鞋可能受伤。
运动
在弓道或日本射箭中,它可能用于弓弦,作为更昂贵的[28]大麻的替代品。它是滑翔伞悬挂线使用的主要材料之一。[29]它被用作一些自行车轮胎的内衬,以防止刺穿。在乒乓球比赛中,凯夫拉尔的层数被添加到定制的层状叶片或桨中,以增加弹跳并减轻重量。网球拍有时用凯夫拉尔纤维串起来。它用于高性能赛艇的帆。
2013 年,随着技术的进步,耐克 在鞋子中使用了 Kevlar。它推出了Elite II系列[30],通过在前部和鞋带中使用Kevlar,对其早期版本的篮球鞋进行了改进。与传统使用的尼龙相比,这样做是为了降低鞋尖的弹性,因为凯夫拉纤维膨胀了约 1%,而尼龙膨胀了约 30%。该系列的鞋子包括 LeBron、HyperDunk 和 Zoom Kobe VII。然而,这些鞋子的价格范围远高于篮球鞋的平均成本。它还被用于阿迪达斯 F50 adiZero Prime 足球鞋的鞋带。
包括 Continental AG 在内的几家公司生产带有 Kevlar 的自行车轮胎,以防止穿刺。[31]
1984年,汤姆·里奇(Tom Ritchey)在自行车运动中引入折叠胎圈自行车轮胎,[32][循环参考]使用凯夫拉(Kevlar)作为胎圈代替钢,以减轻重量和增强强度。折叠胎圈的一个副作用是减少了在零售环境中展示自行车轮胎所需的架子和地板空间,因为它们被折叠并放置在小盒子中。
音乐
Kevlar 还被发现对扬声器锥体具有有用的声学特性,特别是对于低音和中音驱动单元。[33]此外,凯夫拉纤维还被用作光纤电缆的加强件,例如用于音频数据传输的电缆。[34]
凯夫拉纤维可用作弦乐器弓上的声学芯。[注35]凯夫拉尔的物理特性为弓的使用者提供了力量、柔韧性和稳定性。迄今为止,这种弓的 制造商是 CodaBow。[36]
凯夫拉纤维目前也被用作尾绳(又名尾件调节器)的材料,尾绳将尾件连接到弓弦乐器的端销。[注37]
凯夫拉尔有时被用作行进军鼓的材料。它允许极高的张力,从而产生更清晰的声音。通常将树脂倒入凯夫拉尔纤维上,使头部气密,并采用尼龙顶层以提供平坦的打击表面。这是行进军鼓头的主要类型之一。Remo 的 Falam Slam 贴片由 Kevlar 制成,用于加固打手敲击的低音鼓头。[注38]
Kevlar 用于 Fibracell 的木管乐器芦苇。这些芦苇的材料是航空航天材料的复合材料,旨在复制大自然建造甘蔗芦苇的方式。非常坚硬但吸音的凯夫拉纤维悬浮在轻质树脂配方中。[注39]
汽车
凯夫拉尔有时用于汽车的结构部件,尤其是法拉利 F40 等高价值性能汽车。
短切纤维已被用作刹车片中石棉的替代品。[41]芳纶(如凯夫拉尔)释放的空气纤维比石棉制动器少,并且不具有与石棉相关的致癌特性。
其他用途
用于火舞道具的灯芯由复合材料制成,其中含有凯夫拉纤维。凯夫拉尔本身不能很好地吸收燃料,因此它与玻璃纤维或棉花等其他材料混合。凯夫拉尔的高耐热性使灯芯可以多次重复使用。
凯夫拉尔有时在一些不粘煎锅中用作特氟龙的替代品。[44]
凯夫拉纤维用于绳索和电缆,其中纤维在聚乙烯套管内保持平行。这些电缆已被用于悬索桥,例如苏格兰阿伯费尔迪的桥梁。它们还被用于稳定开裂的混凝土冷却塔,通过周向应用,然后张紧以封闭裂缝。凯夫拉尔被广泛用作光纤电缆的保护外护套, 因为它的强度可以保护电缆免受损坏和扭结.当在此应用程序中使用时,它通常以商标名称 Parafil 而闻名。[注45]
凯夫拉尔被佐治亚理工学院的科学家用作发电服装实验的基础纺织品。这是通过将氧化锌纳米线编织到织物中来完成的。如果成功,新织物每平方米将产生约80毫瓦。[46]
超过 60,000 平方英尺(5,600 m2)的凯夫拉可伸缩屋顶是 1976 年夏季 会蒙特利尔奥林匹克体育场设计的关键部分。它非常不成功,因为它晚了 10 年完工,并在 10 年后的 1998 年 5 月在一系列问题后被替换。[47][48]
凯夫拉尔纤维可以作为橡胶波纹管、膨胀节和橡胶软管中的增强层,用于高温应用,并具有高强度。它也被发现作为编织层用于软管组件的外部,以增加对尖锐物体的保护。[49][50][51]
一些手机(包括摩托罗拉 RAZR 系列、摩托罗拉 Droid Maxx、OnePlus 2 和 Pocophone F1)具有凯夫拉背板,由于其弹性和不受信号传输干扰,因此选择它而不是碳纤维等其他材料。[52]
凯夫拉纤维/环氧树脂基复合材料与其他纤维相比具有高比强度和轻质,可用于海流涡轮机 (MCT) 或风力涡轮机。[53]
复合材料
芳纶纤维广泛用于增强复合材料,常与碳纤维和玻璃纤维结合使用。高性能复合材料的基体通常是环氧树脂。典型应用包括一级方程式赛车的硬壳式车身、直升机旋翼叶片、网球、乒乓球、羽毛球和壁球拍、皮划艇、板球棒以及曲棍球、冰球和棍网球棒。[54][55][56][57]
凯夫拉尔 149 是最坚固的纤维,结构最结晶,是飞机制造某些部分的替代品。[注59]机翼前缘是一种应用,凯夫拉纤维比碳纤维或玻璃纤维更不容易在鸟类碰撞中断裂。
重量轻,性能高 — Kevlar Fiber
凯夫拉纤维用途广泛且坚固,不仅仅是一系列线。杜 邦®™凯夫拉纤维用于各种服装、配饰和设备,以帮助使它们更安全、更耐用。在同等重量的基础上,它的强度是钢的五倍,是防护服和配饰的 纤维。
凯夫拉纤维和长丝有多种类型,每种纤维都有自己独特的性能和性能特征,可满足不同的保护需求。
什麼是KEVLAR
杜邦™KEVLAR 是芳香族聚酰胺家族中的一種有機纖維。
全芳聚酰胺(芳綸)的獨特的性質及其獨特化學成分使它們 —
尤其是KEVLAR — 與其它商業化的人造纖維區分開來。
KEVLAR 具有獨特的高強度、高模量、高韌性,以及熱穩
定性。它的開發是針對要求日益嚴苛的工業和高科技應用。
如今,許多種KEVLAR產品已經廣泛應用在眾多行業。
本指南所涵蓋的內容主要包括KEVLAR 工業用紗的技術
信息,以及關於KEVLAR 短纖維的一些基本信息。如果您
需要瞭解其它任何信息,包括關於KEVLAR 的諸多應用
以及特定構成的信息,請您與您的杜邦銷售代表取得聯繫
KEVLAR® 的開發以及分子結構
在20世紀60年代中期,尼龍和聚酯代表了合成纖維的先進
水平。但是為達到最大韌性(斷裂強度)及初始模量,聚合物
分子必須呈伸展鏈結構,並且有幾乎完整的結晶堆砌。柔性
分子鏈的聚合物如尼龍和聚酯,只能在熔融紡絲之後通過
機械拉伸的方法才能夠達到此效果。由於這需要分子鏈在
固相解纏並進行取向,所以韌性和模量水平遠達不到理論上
的可能數值。
1965年,杜邦的科學家們發明了一種新的生產方法,照此方
法生產出的聚合物鏈幾乎具有完整的伸展性。他們發現由於
聚對苯甲酰胺分子主鏈具有簡單的重複性而能夠形成液晶
溶液。主鏈的結構要求主要是苯環的對位而形成棒狀的分子
結構。這些開發成果引導我們發展成為目前的KEVLAR®。
為了對液晶態的聚合物與柔性的可熔融聚合物之間的區別
進行闡述,我們可以設想當棒狀的聚合物分子溶解時將會
發生何種情況,而具有柔性鏈的分子溶解時又將發生何種
情況。對於具有柔性鏈的聚合物來說,在溶液中呈無規捲曲
的構型,即使提高此種聚合物的濃度,也不會提高有序性。
相反,對於剛性聚合物來說,當濃度增加時,棒狀結構將會
開始並排形成平行的排列結構。然後,內部聚合物分子鏈高
度有序排列的相疇出現,而相疇與相疇之間是無規排列的。
液晶聚合物溶液受剪切時呈現出獨特的特征。這種特性為
纖維的生產和加工開闢了新的天地。當該溶液流經噴絲頭
(噴嘴)時,在剪切力的作用下,那些無規取向的相疇將完全
沿着剪切的方向取向,並且呈現出幾乎完美的分子取向。
KEVLAR® 的由剪切引起的取向的鬆弛極其緩慢,因此這種
超分子結構在初生絲結構中幾乎完全保留下來。此過程是一
種新穎的、低能耗的形成高取向性聚合物分子的方法,可以
生產出非常強的纖維。
杜邦利用此技術開發出一種聚對苯二甲酰對苯二胺纖維,
此種纖維在1971年以KEVLAR® 命名商品化。
KEVLAR® 在FDA中的應用
食品及藥物管理局(FDA)針對KEVLAR® 的使用對食品添加劑
規範作出了補正。這些規範指出如今許多種類型的KEVLAR®
產品可以安全地使用,它們可以做為與食品反復接觸的器
具,或器具中的成分。為確定FDA規範中所包含的是哪些特
定的KEVLAR® 產品,請與您的杜邦銷售代表聯系。
水和pH值對KEVLAR® 的影響
水解及pH穩定性
當KEVLAR® 接觸強酸和強碱時將會發生降解。在中性pH
值(pH值為7)下,纖維在149?F(65?C)溫度中暴露超過200
天時,其強力幾乎保持不變。pH值越是偏離pH7,強力的
損失就越大。偏離中性同等數值的pH值水平下,酸性條件比
碱性條件所造成的降解更為嚴重。
在不同pH值水平的飽和水蒸氣中也能觀察到類似的情況。
在309?F(154?C)溫度中暴露16個小時所得的結果表明,在pH6
到pH7時強度保持最大,而酸側的下降更為迅速(圖2.1)。
KEVLAR® 在飽和蒸汽中的抗水解性通過一個密封的試管
(“氣罐”)試驗測得。將一束KEVLAR® 紗線(1500旦尼爾)
保持在280?F(138?C)的pH7的飽和水蒸汽中放置不同長度的
時間。通過與室溫下測得的強度值比較來計算強度的損失
(圖2.2)。
回潮率
回潮率是指在某個給定的溫度和濕度水平下,大多數纖維
吸收周圍空氣中的水分或向周圍空間散發水分,直至達到
某個平衡含濕率時為止的特性。相對濕度(RH)對KEVLAR®
吸收水分的速度以及所達到的平衡水平有明顯的影響。相對
濕度越高,KEVLAR® 最初回潮吸收水分就越快,最終的
平衡水平也越高。
經過干燥處理的KEVLAR® 紗線,其所達到的平衡含濕量水平
比沒有經過干燥的來得要低。從圖2.3種可以看出KEVLAR®
29的這種變化。圖2.4說明了相對濕度對KEVLAR® 49的紗線
干燥紗線平衡含濕率的影響。此種關係在整個濕度範圍內呈
直線變化。
含濕率對KEVLAR® 的強伸性能基本沒有影響。
KEVLAR® 的熱性能
分解溫度
KEVLAR® 不會熔化;升溫速度為10?C/分鐘時,在空氣中的
分解溫度約427?C至482?C,而在氮氣下大約在538?C分解。
分解溫度隨不同的升溫速率和暴露時間而不同。
圖2.5和2.6分別給出了KEVLAR® 49在空氣中和在氮氣中的熱
失重分析曲線(TGA)。TGA曲線由一台測量重量損失的儀器
測定,重量損失作為單位時間溫度升高的一個函數。此種
分析也可以在空氣或其它不同氣體中進行。
對於KEVLAR® 而言,當溫度升高時,重量將會立即下降,
這是由於水揮發的原因。然後此曲線將保持相對平坦,直至
發生分解時觀察到有明顯的重量損失。
高溫對強伸性能的影響
升高溫度將降低KEVLAR® 纖維以及其它有機纖維的模量、
抗張強度以及斷裂伸長率。當在300?F - 350?F(149?C至
177?C)或更高溫度下長期使用KEVLAR® 時,應將此因素
考慮在內。
圖2.7和2.8分別比較了高溫對KEVLAR® 和其它纖維的抗張
高溫對尺寸穩定性的影響
當暴露在熱氣或熱水中時,KEVLAR ® 不像其它有機纖維
那樣將發生收縮。大多數其它纖維將會發生不可逆的收縮。
KEVLAR® 的纖維軸向方向的熱膨脹係數(CTE)非常小,且為
負值。KEVLAR® 的CTE值取決於測量技術、樣品的制備
以及測試方法(表II-4)。
燃燒熱值
KEVLAR® 的燃燒熱值通過愛默生氧彈式量熱計進行測量。
表II-5對KEVLAR® 的燃燒熱值與其它聚酰胺的燃燒熱值,以及
製備剛性複合材料的一種環氧樹脂的燃燒熱值進行了比較。
比熱
KEVLAR® 的比熱明顯受到溫度的影響。從圖2.9可以看出,
當溫度從32?F(0?C)上升到392?F(200?C)時,其比熱的增加
超過兩倍。溫度再上升時則趨向於緩和。
低溫條件的影響
暴露在極冷條件下時(-50?F[-46?C]),KEVLAR® 的強伸性能
不會受負面影響(表II-6)。在如此低的溫度下,模量增加以及
斷裂伸長率輕微下降是因為分子剛性稍有增加所致。
極冷條件的影響
KEVLAR® 在溫度低至-320?F(-196?C)時也不會發生脆化或
降解。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產生廢氣的特征
KEVLAR® 具有固有的難燃性,但是能夠點燃(極限氧指數
為29)。當火源撤走之後,通常情況下將停止燃燒;但若是
漿粕或其飛塵被點燃,則可能繼續陰燃。在實驗室測試中,
(表II-7),在接觸火源12秒之後撤走火源時,KEVLAR® 織物
將不會繼續燃燒。當織物厚度增加,余輝時間隨之延長,
但燃燒長度不會增加。不會產生任何“滴落物”,此類“滴落
物”將會使火焰傳播,這是其它有機纖維的一個常見問題。
KEVLAR® 不可用作燃料,任何情況下都不可以有意將其
燃燒。表II-8所給出的實驗室數據僅提供KEVLAR® 發生意外
燃燒時的重要信息。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產生廢氣的特征
KEVLAR® 燃燒時將產生與木材燃燒類似的氧化氣體 — 大
部分是二氧化碳、水以及氮的氧化物。但是也可能產生一氧
化碳、少量的氰化氫以及其它有毒氣體。KEVLAR ® 以及
其它纖維在燃燒不充分條件下所產生氣體的組成如表II-18
所示。如需更多詳細的信息,請參閱KEVLAR® 的材料安全
數據表(MSDS)。
強度及彈性模量的影響。
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