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凱夫拉
Kevlar(對(duì)位芳綸)是一種強(qiáng)韌、耐熱的合成纖維,與其他芳綸(如Nomex和Technora)有關(guān)。1965年,杜邦公司的斯蒂芬妮·克沃萊克(Stephanie Kwolek)開(kāi)發(fā),這種高強(qiáng)度材料于1970年代初 用于商業(yè)用途,作為賽車(chē)輪胎中鋼的替代品。它通常被紡成繩索或織物片,可以用作繩索或織物片,或用作復(fù)合材料成分的成分。
凱夫拉爾有許多應(yīng)用,從自行車(chē)輪胎和賽車(chē)帆到防彈背心,所有這些都是由于其高抗拉強(qiáng)度重量比;按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),它的強(qiáng)度是鋼的五倍。[2]它還用于制作承受高沖擊的現(xiàn)代行進(jìn)鼓頭;以及系泊纜繩和其他水下應(yīng)用。
阿克蘇在1970年代開(kāi)發(fā)了一種名為T(mén)waron的類(lèi)似纖維,具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu);Twaron于1986年開(kāi)始商業(yè)生產(chǎn),由帝人生產(chǎn)。
歷史
聚對(duì)苯二酰胺 (K29) – 品牌為 Kevlar – 由美國(guó)化學(xué)家 Stephanie Kwolek 在杜邦公司工作時(shí)發(fā)明,當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)汽油短缺。1964 年,她的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始尋找一種新的輕質(zhì)強(qiáng)力纖維,用于制造輕質(zhì)但堅(jiān)固的輪胎。[7]她一直在研究的聚合物,聚對(duì)苯二甲酸對(duì)苯二甲酸酯和聚苯甲酰胺[8],在溶液中形成液晶,這在當(dāng)時(shí)的聚合物中是 的。
溶液是“渾濁的,攪拌時(shí)呈乳白色,粘度低”,通常被扔掉。然而,Kwolek 說(shuō)服了運(yùn)行噴絲頭的技術(shù)人員 Charles Smullen 測(cè)試她的解決方案,并驚訝地發(fā)現(xiàn)纖維不會(huì)破裂,這與尼龍不同。她的主管和實(shí)驗(yàn)室主任明白了她的發(fā)現(xiàn)的重要性,高分子化學(xué)這一新領(lǐng)域迅速出現(xiàn)。到 1971 年,引入了現(xiàn)代凱夫拉爾。[7]然而,Kwolek 并沒(méi)有積極參與開(kāi)發(fā) Kevlar 的應(yīng)用程序。
1971年,時(shí)任美國(guó)國(guó)家執(zhí)法與刑事司法研究所(National Institute for Law Enforcement and Criminal Justice)科學(xué)技術(shù)主任的萊斯特·舒賓(Lester Shubin)[10]建議用凱夫拉纖維代替防彈背心中的尼龍。[11]在凱夫拉爾(Kevlar)推出之前,由尼龍制成的防彈夾克為用戶(hù)提供的保護(hù)要有限得多。舒賓后來(lái)回憶起這個(gè)想法是如何形成的:“我們把它折疊了幾次,然后對(duì)著它射擊。子彈沒(méi)有穿過(guò)。在測(cè)試中,他們將凱夫拉爾綁在麻醉的山羊身上,并射擊它們的心臟,脊髓,肝臟和肺部。他們監(jiān)測(cè)山羊的心率和血?dú)馑?以檢查肺部損傷。24小時(shí)后,一只山羊死亡,其他山羊的傷口沒(méi)有生命危險(xiǎn)。[12][13][需要驗(yàn)證]舒賓獲得了500萬(wàn)美元的資助,用于研究防彈背心中使用這種面料。
凱夫拉149是由杜邦的雅各布·拉希賈尼(Jacob Lahijani)在1980年代發(fā)明的
生產(chǎn)
凱夫拉爾是由單體 1,4-亞苯基二胺(對(duì)苯二胺)和對(duì)苯二甲酰氯在縮合反應(yīng)中的溶液中合成的,產(chǎn)生鹽酸作為副產(chǎn)物。結(jié)果具有液晶行為,機(jī)械拉伸使聚合物鏈沿纖維的方向定向。六甲基磷酰胺 (HMPA) 是最初用于聚合的溶劑,但出于安全考慮,杜邦將其替換為 N-甲基吡咯烷酮和氯化鈣的溶液。由于阿克蘇(Akzo)在生產(chǎn)Twaron時(shí)已獲得該工藝的專(zhuān)利(見(jiàn)上文),因此隨之而來(lái)的是一場(chǎng)專(zhuān)利戰(zhàn)。[15]
凱夫拉纖維的生產(chǎn)成本高昂,因?yàn)槭褂脻饬蛩釙?huì)產(chǎn)生困難,而濃硫酸是在合成和紡絲過(guò)程中將水不溶性聚合物保持在溶液中的必要條件。[16]
有幾種等級(jí)的凱夫拉纖維可供選擇:
Kevlar K-29 – 在工業(yè)應(yīng)用中,例如電纜、石棉替代品、輪胎和剎車(chē)片。
Kevlar K49 – 用于電纜和繩索產(chǎn)品的高模量。
凱夫拉 K100 – 凱夫拉的彩色版本
Kevlar K119 – 更高的伸長(zhǎng)率、柔韌性和更抗疲勞性
Kevlar K129 – 更高的韌性,適用于防彈應(yīng)用
Kevlar K149 – 用于彈道、裝甲和航空航天應(yīng)用的 韌性[17][18]
Kevlar AP – 抗拉強(qiáng)度比 K-29 高 15%[19]
Kevlar XP – 重量更輕的樹(shù)脂和 KM2 加纖維組合[20]
Kevlar KM2 – 增強(qiáng)了裝甲應(yīng)用的防彈性能[21]
陽(yáng)光中的紫外線成分會(huì)降解和分解凱夫拉纖維,這是一個(gè)被稱(chēng)為紫外線降解的問(wèn)題,因此在沒(méi)有陽(yáng)光保護(hù)的情況下,它很少在戶(hù)外使用。[22]
結(jié)構(gòu)與性能
當(dāng)凱夫拉紡絲時(shí),所得纖維的拉伸強(qiáng)度約為 3,620 MPa (525,000 psi),[23] 相對(duì)密度為 1.44 (0.052 lb/in3)。聚合物的高強(qiáng)度歸功于許多鏈間鍵。這些分子間氫鍵在羰基和 NH 中心之間形成。額外的強(qiáng)度來(lái)自相鄰鏈之間的芳香族堆積相互作用。這些相互作用對(duì)凱夫拉爾的影響大于范德華相互作用和鏈長(zhǎng),范德華相互作用和鏈長(zhǎng)通常會(huì)影響其他合成聚合物和纖維(如超高分子量聚乙烯)的性能。鹽和某些其他雜質(zhì)(尤其是鈣)的存在可能會(huì)干擾鏈相互作用,因此應(yīng)注意避免在其生產(chǎn)中夾雜。凱夫拉爾的結(jié)構(gòu)由相對(duì)堅(jiān)硬的分子組成,這些分子往往形成大部分平面片狀結(jié)構(gòu),更像絲蛋白。[24]
熱性能
凱夫拉纖維在低溫(-196°C(-320.8°F))下仍能保持其強(qiáng)度和彈性:事實(shí)上,它在低溫下略強(qiáng)。在較高的溫度下,抗拉強(qiáng)度立即降低約 10-20%,幾個(gè)小時(shí)后,強(qiáng)度逐漸進(jìn)一步降低。例如:忍受160°C(320°F)500小時(shí),其強(qiáng)度降低約10%;并承受 260 °C (500 °F) 70 小時(shí),其強(qiáng)度降低約 50%。[25]
應(yīng)用
科學(xué)
凱夫拉爾(Kevlar)通常用于低溫領(lǐng)域,因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)低,相對(duì)于其他用于懸浮目的的材料具有高強(qiáng)度。它最常用于將順磁性鹽外殼懸掛在超導(dǎo)磁芯軸上,以 程度地減少順磁性材料的任何熱量泄漏。它也被用作熱支架或結(jié)構(gòu)支撐,用于需要低熱量泄漏的地方。
歐洲核子研究中心(CERN)的NA48實(shí)驗(yàn)使用了一個(gè)薄的凱夫拉窗,在接近大氣壓的容器中分離真空容器和容器,兩者的直徑均為192厘米(76英寸)。該窗口提供了真空密封性,并結(jié)合了相當(dāng)少量的材料(僅為輻射長(zhǎng)度的0.3%至0.4%)。[需要引證]
保護(hù)
凱夫拉是個(gè)人盔甲的眾所周知的組成部分,例如戰(zhàn)斗頭盔、防彈面罩和防彈背心。美國(guó) 使用的 PASGT 頭盔和背心使用凱夫拉爾作為其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。其他軍事用途包括防彈面罩和用于保護(hù)裝甲戰(zhàn)車(chē)乘員的防剝落襯墊。尼米茲級(jí)航空母艦在重要區(qū)域使用凱夫拉加固。民用應(yīng)用包括:消防員所穿的高耐熱制服、警察、保安和特警等警察戰(zhàn)術(shù)隊(duì)所穿的防彈衣。[26]
凱夫拉爾用于制造手套、袖子、夾克、夾克和其他衣物[27],旨在保護(hù)用戶(hù)免受割傷、擦傷和高溫?；趧P夫拉爾的防護(hù)裝備通常比由更傳統(tǒng)材料制成的等效裝備更輕、更薄。
它用于摩托車(chē)安全服,尤其是在肩膀和肘部等具有襯墊的區(qū)域。在擊劍運(yùn)動(dòng)中,它用于防護(hù)夾克、馬褲、塑料衫和面罩的圍兜。它越來(lái)越多地被用于 peto,這是一種帶襯墊的覆蓋物,可以保護(hù)斗牛場(chǎng)中 picadors 的馬匹。速滑運(yùn)動(dòng)員還經(jīng)常穿著凱夫拉織物的底層,以防止在跌倒或碰撞時(shí)溜冰鞋可能受傷。
運(yùn)動(dòng)
在弓道或日本射箭中,它可能用于弓弦,作為更昂貴的[28]大麻的替代品。它是滑翔傘懸掛線使用的主要材料之一。[29]它被用作一些自行車(chē)輪胎的內(nèi)襯,以防止刺穿。在乒乓球比賽中,凱夫拉爾的層數(shù)被添加到定制的層狀葉片或槳中,以增加彈跳并減輕重量。網(wǎng)球拍有時(shí)用凱夫拉爾纖維串起來(lái)。它用于高性能賽艇的帆。
2013 年,隨著技術(shù)的進(jìn)步,耐克 在鞋子中使用了 Kevlar。它推出了Elite II系列[30],通過(guò)在前部和鞋帶中使用Kevlar,對(duì)其早期版本的籃球鞋進(jìn)行了改進(jìn)。與傳統(tǒng)使用的尼龍相比,這樣做是為了降低鞋尖的彈性,因?yàn)閯P夫拉纖維膨脹了約 1%,而尼龍膨脹了約 30%。該系列的鞋子包括 LeBron、HyperDunk 和 Zoom Kobe VII。然而,這些鞋子的價(jià)格范圍遠(yuǎn)高于籃球鞋的平均成本。它還被用于阿迪達(dá)斯 F50 adiZero Prime 足球鞋的鞋帶。
包括 Continental AG 在內(nèi)的幾家公司生產(chǎn)帶有 Kevlar 的自行車(chē)輪胎,以防止穿刺。[31]
1984年,湯姆·里奇(Tom Ritchey)在自行車(chē)運(yùn)動(dòng)中引入折疊胎圈自行車(chē)輪胎,[32][循環(huán)參考]使用凱夫拉(Kevlar)作為胎圈代替鋼,以減輕重量和增強(qiáng)強(qiáng)度。折疊胎圈的一個(gè)副作用是減少了在零售環(huán)境中展示自行車(chē)輪胎所需的架子和地板空間,因?yàn)樗鼈儽徽郫B并放置在小盒子中。
音樂(lè)
Kevlar 還被發(fā)現(xiàn)對(duì)揚(yáng)聲器錐體具有有用的聲學(xué)特性,特別是對(duì)于低音和中音驅(qū)動(dòng)單元。[33]此外,凱夫拉纖維還被用作光纖電纜的加強(qiáng)件,例如用于音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|。[34]
凱夫拉纖維可用作弦樂(lè)器弓上的聲學(xué)芯。[注35]凱夫拉爾的物理特性為弓的使用者提供了力量、柔韌性和穩(wěn)定性。迄今為止,這種弓的 制造商是 CodaBow。[36]
凱夫拉纖維目前也被用作尾繩(又名尾件調(diào)節(jié)器)的材料,尾繩將尾件連接到弓弦樂(lè)器的端銷(xiāo)。[注37]
凱夫拉爾有時(shí)被用作行進(jìn)軍鼓的材料。它允許極高的張力,從而產(chǎn)生更清晰的聲音。通常將樹(shù)脂倒入凱夫拉爾纖維上,使頭部氣密,并采用尼龍頂層以提供平坦的打擊表面。這是行進(jìn)軍鼓頭的主要類(lèi)型之一。Remo 的 Falam Slam 貼片由 Kevlar 制成,用于加固打手敲擊的低音鼓頭。[注38]
Kevlar 用于 Fibracell 的木管樂(lè)器蘆葦。這些蘆葦?shù)牟牧鲜呛娇蘸教觳牧系膹?fù)合材料,旨在復(fù)制大自然建造甘蔗蘆葦?shù)姆绞?。非常?jiān)硬但吸音的凱夫拉纖維懸浮在輕質(zhì)樹(shù)脂配方中。[注39]
汽車(chē)
凱夫拉爾有時(shí)用于汽車(chē)的結(jié)構(gòu)部件,尤其是法拉利 F40 等高價(jià)值性能汽車(chē)。
短切纖維已被用作剎車(chē)片中石棉的替代品。[41]芳綸(如凱夫拉爾)釋放的空氣纖維比石棉制動(dòng)器少,并且不具有與石棉相關(guān)的致癌特性。
其他用途
用于火舞道具的燈芯由復(fù)合材料制成,其中含有凱夫拉纖維。凱夫拉爾本身不能很好地吸收燃料,因此它與玻璃纖維或棉花等其他材料混合。凱夫拉爾的高耐熱性使燈芯可以多次重復(fù)使用。
凱夫拉爾有時(shí)在一些不粘煎鍋中用作特氟龍的替代品。[44]
凱夫拉纖維用于繩索和電纜,其中纖維在聚乙烯套管內(nèi)保持平行。這些電纜已被用于懸索橋,例如蘇格蘭阿伯費(fèi)爾迪的橋梁。它們還被用于穩(wěn)定開(kāi)裂的混凝土冷卻塔,通過(guò)周向應(yīng)用,然后張緊以封閉裂縫。凱夫拉爾被廣泛用作光纖電纜的保護(hù)外護(hù)套, 因?yàn)樗膹?qiáng)度可以保護(hù)電纜免受損壞和扭結(jié).當(dāng)在此應(yīng)用程序中使用時(shí),它通常以商標(biāo)名稱(chēng) Parafil 而聞名。[注45]
凱夫拉爾被佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家用作發(fā)電服裝實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)紡織品。這是通過(guò)將氧化鋅納米線編織到織物中來(lái)完成的。如果成功,新織物每平方米將產(chǎn)生約80毫瓦。[46]
超過(guò) 60,000 平方英尺(5,600 m2)的凱夫拉可伸縮屋頂是 1976 年夏季 會(huì)蒙特利爾奧林匹克體育場(chǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。它非常不成功,因?yàn)樗砹?10 年完工,并在 10 年后的 1998 年 5 月在一系列問(wèn)題后被替換。[47][48]
凱夫拉爾纖維可以作為橡膠波紋管、膨脹節(jié)和橡膠軟管中的增強(qiáng)層,用于高溫應(yīng)用,并具有高強(qiáng)度。它也被發(fā)現(xiàn)作為編織層用于軟管組件的外部,以增加對(duì)尖銳物體的保護(hù)。[49][50][51]
一些手機(jī)(包括摩托羅拉 RAZR 系列、摩托羅拉 Droid Maxx、OnePlus 2 和 Pocophone F1)具有凱夫拉背板,由于其彈性和不受信號(hào)傳輸干擾,因此選擇它而不是碳纖維等其他材料。[52]
凱夫拉纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料與其他纖維相比具有高比強(qiáng)度和輕質(zhì),可用于海流渦輪機(jī) (MCT) 或風(fēng)力渦輪機(jī)。[53]
復(fù)合材料
芳綸纖維廣泛用于增強(qiáng)復(fù)合材料,常與碳纖維和玻璃纖維結(jié)合使用。高性能復(fù)合材料的基體通常是環(huán)氧樹(shù)脂。典型應(yīng)用包括一級(jí)方程式賽車(chē)的硬殼式車(chē)身、直升機(jī)旋翼葉片、網(wǎng)球、乒乓球、羽毛球和壁球拍、皮劃艇、板球棒以及曲棍球、冰球和棍網(wǎng)球棒。[54][55][56][57]
凱夫拉爾 149 是最堅(jiān)固的纖維,結(jié)構(gòu)最結(jié)晶,是飛機(jī)制造某些部分的替代品。[注59]機(jī)翼前緣是一種應(yīng)用,凱夫拉纖維比碳纖維或玻璃纖維更不容易在鳥(niǎo)類(lèi)碰撞中斷裂。
重量輕,性能高 — Kevlar Fiber
凱夫拉纖維用途廣泛且堅(jiān)固,不僅僅是一系列線。杜 邦®™凱夫拉纖維用于各種服裝、配飾和設(shè)備,以幫助使它們更安全、更耐用。在同等重量的基礎(chǔ)上,它的強(qiáng)度是鋼的五倍,是防護(hù)服和配飾的 纖維。
凱夫拉纖維和長(zhǎng)絲有多種類(lèi)型,每種纖維都有自己獨(dú)特的性能和性能特征,可滿(mǎn)足不同的保護(hù)需求。
什麼是KEVLAR
杜邦™KEVLAR 是芳香族聚酰胺家族中的一種有機(jī)纖維。
全芳聚酰胺(芳綸)的獨(dú)特的性質(zhì)及其獨(dú)特化學(xué)成分使它們 —
尤其是KEVLAR — 與其它商業(yè)化的人造纖維區(qū)分開(kāi)來(lái)。
KEVLAR 具有獨(dú)特的高強(qiáng)度、高模量、高韌性,以及熱穩(wěn)
定性。它的開(kāi)發(fā)是針對(duì)要求日益嚴(yán)苛的工業(yè)和高科技應(yīng)用。
如今,許多種KEVLAR產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用在眾多行業(yè)。
本指南所涵蓋的內(nèi)容主要包括KEVLAR 工業(yè)用紗的技術(shù)
信息,以及關(guān)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(guān)於KEVLAR 的諸多應(yīng)用
以及特定構(gòu)成的信息,請(qǐng)您與您的杜邦銷(xiāo)售代表取得聯(lián)繫
KEVLAR® 的開(kāi)發(fā)以及分子結(jié)構(gòu)
在20世紀(jì)60年代中期,尼龍和聚酯代表了合成纖維的先進(jìn)
水平。但是為達(dá)到最大韌性(斷裂強(qiáng)度)及初始模量,聚合物
分子必須呈伸展鏈結(jié)構(gòu),並且有幾乎完整的結(jié)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(guò)
機(jī)械拉伸的方法才能夠達(dá)到此效果。由於這需要分子鏈在
固相解纏並進(jìn)行取向,所以韌性和模量水平遠(yuǎn)達(dá)不到理論上
的可能數(shù)值。
1965年,杜邦的科學(xué)家們發(fā)明了一種新的生產(chǎn)方法,照此方
法生產(chǎn)出的聚合物鏈幾乎具有完整的伸展性。他們發(fā)現(xiàn)由於
聚對(duì)苯甲酰胺分子主鏈具有簡(jiǎn)單的重複性而能夠形成液晶
溶液。主鏈的結(jié)構(gòu)要求主要是苯環(huán)的對(duì)位而形成棒狀的分子
結(jié)構(gòu)。這些開(kāi)發(fā)成果引導(dǎo)我們發(fā)展成為目前的KEVLAR®。
為了對(duì)液晶態(tài)的聚合物與柔性的可熔融聚合物之間的區(qū)別
進(jìn)行闡述,我們可以設(shè)想當(dāng)棒狀的聚合物分子溶解時(shí)將會(huì)
發(fā)生何種情況,而具有柔性鏈的分子溶解時(shí)又將發(fā)生何種
情況。對(duì)於具有柔性鏈的聚合物來(lái)說(shuō),在溶液中呈無(wú)規(guī)捲曲
的構(gòu)型,即使提高此種聚合物的濃度,也不會(huì)提高有序性。
相反,對(duì)於剛性聚合物來(lái)說(shuō),當(dāng)濃度增加時(shí),棒狀結(jié)構(gòu)將會(huì)
開(kāi)始並排形成平行的排列結(jié)構(gòu)。然後,內(nèi)部聚合物分子鏈高
度有序排列的相疇出現(xiàn),而相疇與相疇之間是無(wú)規(guī)排列的。
液晶聚合物溶液受剪切時(shí)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。這種特性為
纖維的生產(chǎn)和加工開(kāi)闢了新的天地。當(dāng)該溶液流經(jīng)噴絲頭
(噴嘴)時(shí),在剪切力的作用下,那些無(wú)規(guī)取向的相疇將完全
沿著剪切的方向取向,並且呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)在初生絲結(jié)構(gòu)中幾乎完全保留下來(lái)。此過(guò)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(chǎn)出非常強(qiáng)的纖維。
杜邦利用此技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種聚對(duì)苯二甲酰對(duì)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(yīng)用
食品及藥物管理局(FDA)針對(duì)KEVLAR® 的使用對(duì)食品添加劑
規(guī)範(fàn)作出了補(bǔ)正。這些規(guī)範(fàn)指出如今許多種類(lèi)型的KEVLAR®
產(chǎn)品可以安全地使用,它們可以做為與食品反復(fù)接觸的器
具,或器具中的成分。為確定FDA規(guī)範(fàn)中所包含的是哪些特
定的KEVLAR® 產(chǎn)品,請(qǐng)與您的杜邦銷(xiāo)售代表聯(lián)系。
水和pH值對(duì)KEVLAR® 的影響
水解及pH穩(wěn)定性
當(dāng)KEVLAR® 接觸強(qiáng)酸和強(qiáng)堿時(shí)將會(huì)發(fā)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(guò)200
天時(shí),其強(qiáng)力幾乎保持不變。pH值越是偏離pH7,強(qiáng)力的
損失就越大。偏離中性同等數(shù)值的pH值水平下,酸性條件比
堿性條件所造成的降解更為嚴(yán)重。
在不同pH值水平的飽和水蒸氣中也能觀察到類(lèi)似的情況。
在309?F(154?C)溫度中暴露16個(gè)小時(shí)所得的結(jié)果表明,在pH6
到pH7時(shí)強(qiáng)度保持最大,而酸側(cè)的下降更為迅速(圖2.1)。
KEVLAR® 在飽和蒸汽中的抗水解性通過(guò)一個(gè)密封的試管
(“氣罐”)試驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)度的
時(shí)間。通過(guò)與室溫下測(cè)得的強(qiáng)度值比較來(lái)計(jì)算強(qiáng)度的損失
(圖2.2)。
回潮率
回潮率是指在某個(gè)給定的溫度和濕度水平下,大多數(shù)纖維
吸收周?chē)諝庵械乃只蛳蛑車(chē)臻g散發(fā)水分,直至達(dá)到
某個(gè)平衡含濕率時(shí)為止的特性。相對(duì)濕度(RH)對(duì)KEVLAR®
吸收水分的速度以及所達(dá)到的平衡水平有明顯的影響。相對(duì)
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(jīng)過(guò)干燥處理的KEVLAR® 紗線,其所達(dá)到的平衡含濕量水平
比沒(méi)有經(jīng)過(guò)干燥的來(lái)得要低。從圖2.3種可以看出KEVLAR®
29的這種變化。圖2.4說(shuō)明了相對(duì)濕度對(duì)KEVLAR® 49的紗線
干燥紗線平衡含濕率的影響。此種關(guān)係在整個(gè)濕度範(fàn)圍內(nèi)呈
直線變化。
含濕率對(duì)KEVLAR® 的強(qiáng)伸性能基本沒(méi)有影響。
KEVLAR® 的熱性能
分解溫度
KEVLAR® 不會(huì)熔化;升溫速度為10?C/分鐘時(shí),在空氣中的
分解溫度約427?C至482?C,而在氮?dú)庀麓蠹s在538?C分解。
分解溫度隨不同的升溫速率和暴露時(shí)間而不同。
圖2.5和2.6分別給出了KEVLAR® 49在空氣中和在氮?dú)庵械臒?
失重分析曲線(TGA)。TGA曲線由一臺(tái)測(cè)量重量損失的儀器
測(cè)定,重量損失作為單位時(shí)間溫度升高的一個(gè)函數(shù)。此種
分析也可以在空氣或其它不同氣體中進(jìn)行。
對(duì)於KEVLAR® 而言,當(dāng)溫度升高時(shí),重量將會(huì)立即下降,
這是由於水揮發(fā)的原因。然後此曲線將保持相對(duì)平坦,直至
發(fā)生分解時(shí)觀察到有明顯的重量損失。
高溫對(duì)強(qiáng)伸性能的影響
升高溫度將降低KEVLAR® 纖維以及其它有機(jī)纖維的模量、
抗張強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率。當(dāng)在300?F - 350?F(149?C至
177?C)或更高溫度下長(zhǎng)期使用KEVLAR® 時(shí),應(yīng)將此因素
考慮在內(nèi)。
圖2.7和2.8分別比較了高溫對(duì)KEVLAR® 和其它纖維的抗張
高溫對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響
當(dāng)暴露在熱氣或熱水中時(shí),KEVLAR ® 不像其它有機(jī)纖維
那樣將發(fā)生收縮。大多數(shù)其它纖維將會(huì)發(fā)生不可逆的收縮。
KEVLAR® 的纖維軸向方向的熱膨脹係數(shù)(CTE)非常小,且為
負(fù)值。KEVLAR® 的CTE值取決於測(cè)量技術(shù)、樣品的制備
以及測(cè)試方法(表II-4)。
燃燒熱值
KEVLAR® 的燃燒熱值通過(guò)愛(ài)默生氧彈式量熱計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
表II-5對(duì)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(huán)氧樹(shù)脂的燃燒熱值進(jìn)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(dāng)溫度從32?F(0?C)上升到392?F(200?C)時(shí),其比熱的增加
超過(guò)兩倍。溫度再上升時(shí)則趨向於緩和。
低溫條件的影響
暴露在極冷條件下時(shí)(-50?F[-46?C]),KEVLAR® 的強(qiáng)伸性能
不會(huì)受負(fù)面影響(表II-6)。在如此低的溫度下,模量增加以及
斷裂伸長(zhǎng)率輕微下降是因?yàn)榉肿觿傂陨杂性黾铀隆?
極冷條件的影響
KEVLAR® 在溫度低至-320?F(-196?C)時(shí)也不會(huì)發(fā)生脆化或
降解。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產(chǎn)生廢氣的特征
KEVLAR® 具有固有的難燃性,但是能夠點(diǎn)燃(極限氧指數(shù)
為29)。當(dāng)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(diǎn)燃,則可能繼續(xù)陰燃。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中,
(表II-7),在接觸火源12秒之後撤走火源時(shí),KEVLAR® 織物
將不會(huì)繼續(xù)燃燒。當(dāng)織物厚度增加,余輝時(shí)間隨之延長(zhǎng),
但燃燒長(zhǎng)度不會(huì)增加。不會(huì)產(chǎn)生任何“滴落物”,此類(lèi)“滴落
物”將會(huì)使火焰?zhèn)鞑?這是其它有機(jī)纖維的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)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(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)僅提供KEVLAR® 發(fā)生意外
燃燒時(shí)的重要信息。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產(chǎn)生廢氣的特征
KEVLAR® 燃燒時(shí)將產(chǎn)生與木材燃燒類(lèi)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(chǎn)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(chǎn)生氣體的組成如表II-22
所示。如需更多詳細(xì)的信息,請(qǐng)參閱KEVLAR® 的材料安全
數(shù)據(jù)表(MSDS)。
強(qiáng)度及彈性模量的影響。
"
Kevlar(對(duì)位芳綸)是一種強(qiáng)韌、耐熱的合成纖維,與其他芳綸(如Nomex和Technora)有關(guān)。1965年,杜邦公司的斯蒂芬妮·克沃萊克(Stephanie Kwolek)開(kāi)發(fā),這種高強(qiáng)度材料于1970年代初 用于商業(yè)用途,作為賽車(chē)輪胎中鋼的替代品。它通常被紡成繩索或織物片,可以用作繩索或織物片,或用作復(fù)合材料成分的成分。
凱夫拉爾有許多應(yīng)用,從自行車(chē)輪胎和賽車(chē)帆到防彈背心,所有這些都是由于其高抗拉強(qiáng)度重量比;按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),它的強(qiáng)度是鋼的五倍。[2]它還用于制作承受高沖擊的現(xiàn)代行進(jìn)鼓頭;以及系泊纜繩和其他水下應(yīng)用。
阿克蘇在1970年代開(kāi)發(fā)了一種名為T(mén)waron的類(lèi)似纖維,具有相同的化學(xué)結(jié)構(gòu);Twaron于1986年開(kāi)始商業(yè)生產(chǎn),由帝人生產(chǎn)。
歷史
聚對(duì)苯二酰胺 (K29) – 品牌為 Kevlar – 由美國(guó)化學(xué)家 Stephanie Kwolek 在杜邦公司工作時(shí)發(fā)明,當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)汽油短缺。1964 年,她的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始尋找一種新的輕質(zhì)強(qiáng)力纖維,用于制造輕質(zhì)但堅(jiān)固的輪胎。[7]她一直在研究的聚合物,聚對(duì)苯二甲酸對(duì)苯二甲酸酯和聚苯甲酰胺[8],在溶液中形成液晶,這在當(dāng)時(shí)的聚合物中是 的。
溶液是“渾濁的,攪拌時(shí)呈乳白色,粘度低”,通常被扔掉。然而,Kwolek 說(shuō)服了運(yùn)行噴絲頭的技術(shù)人員 Charles Smullen 測(cè)試她的解決方案,并驚訝地發(fā)現(xiàn)纖維不會(huì)破裂,這與尼龍不同。她的主管和實(shí)驗(yàn)室主任明白了她的發(fā)現(xiàn)的重要性,高分子化學(xué)這一新領(lǐng)域迅速出現(xiàn)。到 1971 年,引入了現(xiàn)代凱夫拉爾。[7]然而,Kwolek 并沒(méi)有積極參與開(kāi)發(fā) Kevlar 的應(yīng)用程序。
1971年,時(shí)任美國(guó)國(guó)家執(zhí)法與刑事司法研究所(National Institute for Law Enforcement and Criminal Justice)科學(xué)技術(shù)主任的萊斯特·舒賓(Lester Shubin)[10]建議用凱夫拉纖維代替防彈背心中的尼龍。[11]在凱夫拉爾(Kevlar)推出之前,由尼龍制成的防彈夾克為用戶(hù)提供的保護(hù)要有限得多。舒賓后來(lái)回憶起這個(gè)想法是如何形成的:“我們把它折疊了幾次,然后對(duì)著它射擊。子彈沒(méi)有穿過(guò)。在測(cè)試中,他們將凱夫拉爾綁在麻醉的山羊身上,并射擊它們的心臟,脊髓,肝臟和肺部。他們監(jiān)測(cè)山羊的心率和血?dú)馑?以檢查肺部損傷。24小時(shí)后,一只山羊死亡,其他山羊的傷口沒(méi)有生命危險(xiǎn)。[12][13][需要驗(yàn)證]舒賓獲得了500萬(wàn)美元的資助,用于研究防彈背心中使用這種面料。
凱夫拉149是由杜邦的雅各布·拉希賈尼(Jacob Lahijani)在1980年代發(fā)明的
生產(chǎn)
凱夫拉爾是由單體 1,4-亞苯基二胺(對(duì)苯二胺)和對(duì)苯二甲酰氯在縮合反應(yīng)中的溶液中合成的,產(chǎn)生鹽酸作為副產(chǎn)物。結(jié)果具有液晶行為,機(jī)械拉伸使聚合物鏈沿纖維的方向定向。六甲基磷酰胺 (HMPA) 是最初用于聚合的溶劑,但出于安全考慮,杜邦將其替換為 N-甲基吡咯烷酮和氯化鈣的溶液。由于阿克蘇(Akzo)在生產(chǎn)Twaron時(shí)已獲得該工藝的專(zhuān)利(見(jiàn)上文),因此隨之而來(lái)的是一場(chǎng)專(zhuān)利戰(zhàn)。[15]
凱夫拉纖維的生產(chǎn)成本高昂,因?yàn)槭褂脻饬蛩釙?huì)產(chǎn)生困難,而濃硫酸是在合成和紡絲過(guò)程中將水不溶性聚合物保持在溶液中的必要條件。[16]
有幾種等級(jí)的凱夫拉纖維可供選擇:
Kevlar K-29 – 在工業(yè)應(yīng)用中,例如電纜、石棉替代品、輪胎和剎車(chē)片。
Kevlar K49 – 用于電纜和繩索產(chǎn)品的高模量。
凱夫拉 K100 – 凱夫拉的彩色版本
Kevlar K119 – 更高的伸長(zhǎng)率、柔韌性和更抗疲勞性
Kevlar K129 – 更高的韌性,適用于防彈應(yīng)用
Kevlar K149 – 用于彈道、裝甲和航空航天應(yīng)用的 韌性[17][18]
Kevlar AP – 抗拉強(qiáng)度比 K-29 高 15%[19]
Kevlar XP – 重量更輕的樹(shù)脂和 KM2 加纖維組合[20]
Kevlar KM2 – 增強(qiáng)了裝甲應(yīng)用的防彈性能[21]
陽(yáng)光中的紫外線成分會(huì)降解和分解凱夫拉纖維,這是一個(gè)被稱(chēng)為紫外線降解的問(wèn)題,因此在沒(méi)有陽(yáng)光保護(hù)的情況下,它很少在戶(hù)外使用。[22]
結(jié)構(gòu)與性能
當(dāng)凱夫拉紡絲時(shí),所得纖維的拉伸強(qiáng)度約為 3,620 MPa (525,000 psi),[23] 相對(duì)密度為 1.44 (0.052 lb/in3)。聚合物的高強(qiáng)度歸功于許多鏈間鍵。這些分子間氫鍵在羰基和 NH 中心之間形成。額外的強(qiáng)度來(lái)自相鄰鏈之間的芳香族堆積相互作用。這些相互作用對(duì)凱夫拉爾的影響大于范德華相互作用和鏈長(zhǎng),范德華相互作用和鏈長(zhǎng)通常會(huì)影響其他合成聚合物和纖維(如超高分子量聚乙烯)的性能。鹽和某些其他雜質(zhì)(尤其是鈣)的存在可能會(huì)干擾鏈相互作用,因此應(yīng)注意避免在其生產(chǎn)中夾雜。凱夫拉爾的結(jié)構(gòu)由相對(duì)堅(jiān)硬的分子組成,這些分子往往形成大部分平面片狀結(jié)構(gòu),更像絲蛋白。[24]
熱性能
凱夫拉纖維在低溫(-196°C(-320.8°F))下仍能保持其強(qiáng)度和彈性:事實(shí)上,它在低溫下略強(qiáng)。在較高的溫度下,抗拉強(qiáng)度立即降低約 10-20%,幾個(gè)小時(shí)后,強(qiáng)度逐漸進(jìn)一步降低。例如:忍受160°C(320°F)500小時(shí),其強(qiáng)度降低約10%;并承受 260 °C (500 °F) 70 小時(shí),其強(qiáng)度降低約 50%。[25]
應(yīng)用
科學(xué)
凱夫拉爾(Kevlar)通常用于低溫領(lǐng)域,因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)低,相對(duì)于其他用于懸浮目的的材料具有高強(qiáng)度。它最常用于將順磁性鹽外殼懸掛在超導(dǎo)磁芯軸上,以 程度地減少順磁性材料的任何熱量泄漏。它也被用作熱支架或結(jié)構(gòu)支撐,用于需要低熱量泄漏的地方。
歐洲核子研究中心(CERN)的NA48實(shí)驗(yàn)使用了一個(gè)薄的凱夫拉窗,在接近大氣壓的容器中分離真空容器和容器,兩者的直徑均為192厘米(76英寸)。該窗口提供了真空密封性,并結(jié)合了相當(dāng)少量的材料(僅為輻射長(zhǎng)度的0.3%至0.4%)。[需要引證]
保護(hù)
凱夫拉是個(gè)人盔甲的眾所周知的組成部分,例如戰(zhàn)斗頭盔、防彈面罩和防彈背心。美國(guó) 使用的 PASGT 頭盔和背心使用凱夫拉爾作為其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件。其他軍事用途包括防彈面罩和用于保護(hù)裝甲戰(zhàn)車(chē)乘員的防剝落襯墊。尼米茲級(jí)航空母艦在重要區(qū)域使用凱夫拉加固。民用應(yīng)用包括:消防員所穿的高耐熱制服、警察、保安和特警等警察戰(zhàn)術(shù)隊(duì)所穿的防彈衣。[26]
凱夫拉爾用于制造手套、袖子、夾克、夾克和其他衣物[27],旨在保護(hù)用戶(hù)免受割傷、擦傷和高溫?；趧P夫拉爾的防護(hù)裝備通常比由更傳統(tǒng)材料制成的等效裝備更輕、更薄。
它用于摩托車(chē)安全服,尤其是在肩膀和肘部等具有襯墊的區(qū)域。在擊劍運(yùn)動(dòng)中,它用于防護(hù)夾克、馬褲、塑料衫和面罩的圍兜。它越來(lái)越多地被用于 peto,這是一種帶襯墊的覆蓋物,可以保護(hù)斗牛場(chǎng)中 picadors 的馬匹。速滑運(yùn)動(dòng)員還經(jīng)常穿著凱夫拉織物的底層,以防止在跌倒或碰撞時(shí)溜冰鞋可能受傷。
運(yùn)動(dòng)
在弓道或日本射箭中,它可能用于弓弦,作為更昂貴的[28]大麻的替代品。它是滑翔傘懸掛線使用的主要材料之一。[29]它被用作一些自行車(chē)輪胎的內(nèi)襯,以防止刺穿。在乒乓球比賽中,凱夫拉爾的層數(shù)被添加到定制的層狀葉片或槳中,以增加彈跳并減輕重量。網(wǎng)球拍有時(shí)用凱夫拉爾纖維串起來(lái)。它用于高性能賽艇的帆。
2013 年,隨著技術(shù)的進(jìn)步,耐克 在鞋子中使用了 Kevlar。它推出了Elite II系列[30],通過(guò)在前部和鞋帶中使用Kevlar,對(duì)其早期版本的籃球鞋進(jìn)行了改進(jìn)。與傳統(tǒng)使用的尼龍相比,這樣做是為了降低鞋尖的彈性,因?yàn)閯P夫拉纖維膨脹了約 1%,而尼龍膨脹了約 30%。該系列的鞋子包括 LeBron、HyperDunk 和 Zoom Kobe VII。然而,這些鞋子的價(jià)格范圍遠(yuǎn)高于籃球鞋的平均成本。它還被用于阿迪達(dá)斯 F50 adiZero Prime 足球鞋的鞋帶。
包括 Continental AG 在內(nèi)的幾家公司生產(chǎn)帶有 Kevlar 的自行車(chē)輪胎,以防止穿刺。[31]
1984年,湯姆·里奇(Tom Ritchey)在自行車(chē)運(yùn)動(dòng)中引入折疊胎圈自行車(chē)輪胎,[32][循環(huán)參考]使用凱夫拉(Kevlar)作為胎圈代替鋼,以減輕重量和增強(qiáng)強(qiáng)度。折疊胎圈的一個(gè)副作用是減少了在零售環(huán)境中展示自行車(chē)輪胎所需的架子和地板空間,因?yàn)樗鼈儽徽郫B并放置在小盒子中。
音樂(lè)
Kevlar 還被發(fā)現(xiàn)對(duì)揚(yáng)聲器錐體具有有用的聲學(xué)特性,特別是對(duì)于低音和中音驅(qū)動(dòng)單元。[33]此外,凱夫拉纖維還被用作光纖電纜的加強(qiáng)件,例如用于音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|。[34]
凱夫拉纖維可用作弦樂(lè)器弓上的聲學(xué)芯。[注35]凱夫拉爾的物理特性為弓的使用者提供了力量、柔韌性和穩(wěn)定性。迄今為止,這種弓的 制造商是 CodaBow。[36]
凱夫拉纖維目前也被用作尾繩(又名尾件調(diào)節(jié)器)的材料,尾繩將尾件連接到弓弦樂(lè)器的端銷(xiāo)。[注37]
凱夫拉爾有時(shí)被用作行進(jìn)軍鼓的材料。它允許極高的張力,從而產(chǎn)生更清晰的聲音。通常將樹(shù)脂倒入凱夫拉爾纖維上,使頭部氣密,并采用尼龍頂層以提供平坦的打擊表面。這是行進(jìn)軍鼓頭的主要類(lèi)型之一。Remo 的 Falam Slam 貼片由 Kevlar 制成,用于加固打手敲擊的低音鼓頭。[注38]
Kevlar 用于 Fibracell 的木管樂(lè)器蘆葦。這些蘆葦?shù)牟牧鲜呛娇蘸教觳牧系膹?fù)合材料,旨在復(fù)制大自然建造甘蔗蘆葦?shù)姆绞?。非常?jiān)硬但吸音的凱夫拉纖維懸浮在輕質(zhì)樹(shù)脂配方中。[注39]
汽車(chē)
凱夫拉爾有時(shí)用于汽車(chē)的結(jié)構(gòu)部件,尤其是法拉利 F40 等高價(jià)值性能汽車(chē)。
短切纖維已被用作剎車(chē)片中石棉的替代品。[41]芳綸(如凱夫拉爾)釋放的空氣纖維比石棉制動(dòng)器少,并且不具有與石棉相關(guān)的致癌特性。
其他用途
用于火舞道具的燈芯由復(fù)合材料制成,其中含有凱夫拉纖維。凱夫拉爾本身不能很好地吸收燃料,因此它與玻璃纖維或棉花等其他材料混合。凱夫拉爾的高耐熱性使燈芯可以多次重復(fù)使用。
凱夫拉爾有時(shí)在一些不粘煎鍋中用作特氟龍的替代品。[44]
凱夫拉纖維用于繩索和電纜,其中纖維在聚乙烯套管內(nèi)保持平行。這些電纜已被用于懸索橋,例如蘇格蘭阿伯費(fèi)爾迪的橋梁。它們還被用于穩(wěn)定開(kāi)裂的混凝土冷卻塔,通過(guò)周向應(yīng)用,然后張緊以封閉裂縫。凱夫拉爾被廣泛用作光纖電纜的保護(hù)外護(hù)套, 因?yàn)樗膹?qiáng)度可以保護(hù)電纜免受損壞和扭結(jié).當(dāng)在此應(yīng)用程序中使用時(shí),它通常以商標(biāo)名稱(chēng) Parafil 而聞名。[注45]
凱夫拉爾被佐治亞理工學(xué)院的科學(xué)家用作發(fā)電服裝實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)紡織品。這是通過(guò)將氧化鋅納米線編織到織物中來(lái)完成的。如果成功,新織物每平方米將產(chǎn)生約80毫瓦。[46]
超過(guò) 60,000 平方英尺(5,600 m2)的凱夫拉可伸縮屋頂是 1976 年夏季 會(huì)蒙特利爾奧林匹克體育場(chǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。它非常不成功,因?yàn)樗砹?10 年完工,并在 10 年后的 1998 年 5 月在一系列問(wèn)題后被替換。[47][48]
凱夫拉爾纖維可以作為橡膠波紋管、膨脹節(jié)和橡膠軟管中的增強(qiáng)層,用于高溫應(yīng)用,并具有高強(qiáng)度。它也被發(fā)現(xiàn)作為編織層用于軟管組件的外部,以增加對(duì)尖銳物體的保護(hù)。[49][50][51]
一些手機(jī)(包括摩托羅拉 RAZR 系列、摩托羅拉 Droid Maxx、OnePlus 2 和 Pocophone F1)具有凱夫拉背板,由于其彈性和不受信號(hào)傳輸干擾,因此選擇它而不是碳纖維等其他材料。[52]
凱夫拉纖維/環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料與其他纖維相比具有高比強(qiáng)度和輕質(zhì),可用于海流渦輪機(jī) (MCT) 或風(fēng)力渦輪機(jī)。[53]
復(fù)合材料
芳綸纖維廣泛用于增強(qiáng)復(fù)合材料,常與碳纖維和玻璃纖維結(jié)合使用。高性能復(fù)合材料的基體通常是環(huán)氧樹(shù)脂。典型應(yīng)用包括一級(jí)方程式賽車(chē)的硬殼式車(chē)身、直升機(jī)旋翼葉片、網(wǎng)球、乒乓球、羽毛球和壁球拍、皮劃艇、板球棒以及曲棍球、冰球和棍網(wǎng)球棒。[54][55][56][57]
凱夫拉爾 149 是最堅(jiān)固的纖維,結(jié)構(gòu)最結(jié)晶,是飛機(jī)制造某些部分的替代品。[注59]機(jī)翼前緣是一種應(yīng)用,凱夫拉纖維比碳纖維或玻璃纖維更不容易在鳥(niǎo)類(lèi)碰撞中斷裂。
重量輕,性能高 — Kevlar Fiber
凱夫拉纖維用途廣泛且堅(jiān)固,不僅僅是一系列線。杜 邦®™凱夫拉纖維用于各種服裝、配飾和設(shè)備,以幫助使它們更安全、更耐用。在同等重量的基礎(chǔ)上,它的強(qiáng)度是鋼的五倍,是防護(hù)服和配飾的 纖維。
凱夫拉纖維和長(zhǎng)絲有多種類(lèi)型,每種纖維都有自己獨(dú)特的性能和性能特征,可滿(mǎn)足不同的保護(hù)需求。
什麼是KEVLAR
杜邦™KEVLAR 是芳香族聚酰胺家族中的一種有機(jī)纖維。
全芳聚酰胺(芳綸)的獨(dú)特的性質(zhì)及其獨(dú)特化學(xué)成分使它們 —
尤其是KEVLAR — 與其它商業(yè)化的人造纖維區(qū)分開(kāi)來(lái)。
KEVLAR 具有獨(dú)特的高強(qiáng)度、高模量、高韌性,以及熱穩(wěn)
定性。它的開(kāi)發(fā)是針對(duì)要求日益嚴(yán)苛的工業(yè)和高科技應(yīng)用。
如今,許多種KEVLAR產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用在眾多行業(yè)。
本指南所涵蓋的內(nèi)容主要包括KEVLAR 工業(yè)用紗的技術(shù)
信息,以及關(guān)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(guān)於KEVLAR 的諸多應(yīng)用
以及特定構(gòu)成的信息,請(qǐng)您與您的杜邦銷(xiāo)售代表取得聯(lián)繫
KEVLAR® 的開(kāi)發(fā)以及分子結(jié)構(gòu)
在20世紀(jì)60年代中期,尼龍和聚酯代表了合成纖維的先進(jìn)
水平。但是為達(dá)到最大韌性(斷裂強(qiáng)度)及初始模量,聚合物
分子必須呈伸展鏈結(jié)構(gòu),並且有幾乎完整的結(jié)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(guò)
機(jī)械拉伸的方法才能夠達(dá)到此效果。由於這需要分子鏈在
固相解纏並進(jìn)行取向,所以韌性和模量水平遠(yuǎn)達(dá)不到理論上
的可能數(shù)值。
1965年,杜邦的科學(xué)家們發(fā)明了一種新的生產(chǎn)方法,照此方
法生產(chǎn)出的聚合物鏈幾乎具有完整的伸展性。他們發(fā)現(xiàn)由於
聚對(duì)苯甲酰胺分子主鏈具有簡(jiǎn)單的重複性而能夠形成液晶
溶液。主鏈的結(jié)構(gòu)要求主要是苯環(huán)的對(duì)位而形成棒狀的分子
結(jié)構(gòu)。這些開(kāi)發(fā)成果引導(dǎo)我們發(fā)展成為目前的KEVLAR®。
為了對(duì)液晶態(tài)的聚合物與柔性的可熔融聚合物之間的區(qū)別
進(jìn)行闡述,我們可以設(shè)想當(dāng)棒狀的聚合物分子溶解時(shí)將會(huì)
發(fā)生何種情況,而具有柔性鏈的分子溶解時(shí)又將發(fā)生何種
情況。對(duì)於具有柔性鏈的聚合物來(lái)說(shuō),在溶液中呈無(wú)規(guī)捲曲
的構(gòu)型,即使提高此種聚合物的濃度,也不會(huì)提高有序性。
相反,對(duì)於剛性聚合物來(lái)說(shuō),當(dāng)濃度增加時(shí),棒狀結(jié)構(gòu)將會(huì)
開(kāi)始並排形成平行的排列結(jié)構(gòu)。然後,內(nèi)部聚合物分子鏈高
度有序排列的相疇出現(xiàn),而相疇與相疇之間是無(wú)規(guī)排列的。
液晶聚合物溶液受剪切時(shí)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。這種特性為
纖維的生產(chǎn)和加工開(kāi)闢了新的天地。當(dāng)該溶液流經(jīng)噴絲頭
(噴嘴)時(shí),在剪切力的作用下,那些無(wú)規(guī)取向的相疇將完全
沿著剪切的方向取向,並且呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)在初生絲結(jié)構(gòu)中幾乎完全保留下來(lái)。此過(guò)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(chǎn)出非常強(qiáng)的纖維。
杜邦利用此技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種聚對(duì)苯二甲酰對(duì)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(yīng)用
食品及藥物管理局(FDA)針對(duì)KEVLAR® 的使用對(duì)食品添加劑
規(guī)範(fàn)作出了補(bǔ)正。這些規(guī)範(fàn)指出如今許多種類(lèi)型的KEVLAR®
產(chǎn)品可以安全地使用,它們可以做為與食品反復(fù)接觸的器
具,或器具中的成分。為確定FDA規(guī)範(fàn)中所包含的是哪些特
定的KEVLAR® 產(chǎn)品,請(qǐng)與您的杜邦銷(xiāo)售代表聯(lián)系。
水和pH值對(duì)KEVLAR® 的影響
水解及pH穩(wěn)定性
當(dāng)KEVLAR® 接觸強(qiáng)酸和強(qiáng)堿時(shí)將會(huì)發(fā)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(guò)200
天時(shí),其強(qiáng)力幾乎保持不變。pH值越是偏離pH7,強(qiáng)力的
損失就越大。偏離中性同等數(shù)值的pH值水平下,酸性條件比
堿性條件所造成的降解更為嚴(yán)重。
在不同pH值水平的飽和水蒸氣中也能觀察到類(lèi)似的情況。
在309?F(154?C)溫度中暴露16個(gè)小時(shí)所得的結(jié)果表明,在pH6
到pH7時(shí)強(qiáng)度保持最大,而酸側(cè)的下降更為迅速(圖2.1)。
KEVLAR® 在飽和蒸汽中的抗水解性通過(guò)一個(gè)密封的試管
(“氣罐”)試驗(yàn)測(cè)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(zhǎng)度的
時(shí)間。通過(guò)與室溫下測(cè)得的強(qiáng)度值比較來(lái)計(jì)算強(qiáng)度的損失
(圖2.2)。
回潮率
回潮率是指在某個(gè)給定的溫度和濕度水平下,大多數(shù)纖維
吸收周?chē)諝庵械乃只蛳蛑車(chē)臻g散發(fā)水分,直至達(dá)到
某個(gè)平衡含濕率時(shí)為止的特性。相對(duì)濕度(RH)對(duì)KEVLAR®
吸收水分的速度以及所達(dá)到的平衡水平有明顯的影響。相對(duì)
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(jīng)過(guò)干燥處理的KEVLAR® 紗線,其所達(dá)到的平衡含濕量水平
比沒(méi)有經(jīng)過(guò)干燥的來(lái)得要低。從圖2.3種可以看出KEVLAR®
29的這種變化。圖2.4說(shuō)明了相對(duì)濕度對(duì)KEVLAR® 49的紗線
干燥紗線平衡含濕率的影響。此種關(guān)係在整個(gè)濕度範(fàn)圍內(nèi)呈
直線變化。
含濕率對(duì)KEVLAR® 的強(qiáng)伸性能基本沒(méi)有影響。
KEVLAR® 的熱性能
分解溫度
KEVLAR® 不會(huì)熔化;升溫速度為10?C/分鐘時(shí),在空氣中的
分解溫度約427?C至482?C,而在氮?dú)庀麓蠹s在538?C分解。
分解溫度隨不同的升溫速率和暴露時(shí)間而不同。
圖2.5和2.6分別給出了KEVLAR® 49在空氣中和在氮?dú)庵械臒?
失重分析曲線(TGA)。TGA曲線由一臺(tái)測(cè)量重量損失的儀器
測(cè)定,重量損失作為單位時(shí)間溫度升高的一個(gè)函數(shù)。此種
分析也可以在空氣或其它不同氣體中進(jìn)行。
對(duì)於KEVLAR® 而言,當(dāng)溫度升高時(shí),重量將會(huì)立即下降,
這是由於水揮發(fā)的原因。然後此曲線將保持相對(duì)平坦,直至
發(fā)生分解時(shí)觀察到有明顯的重量損失。
高溫對(duì)強(qiáng)伸性能的影響
升高溫度將降低KEVLAR® 纖維以及其它有機(jī)纖維的模量、
抗張強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率。當(dāng)在300?F - 350?F(149?C至
177?C)或更高溫度下長(zhǎng)期使用KEVLAR® 時(shí),應(yīng)將此因素
考慮在內(nèi)。
圖2.7和2.8分別比較了高溫對(duì)KEVLAR® 和其它纖維的抗張
高溫對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響
當(dāng)暴露在熱氣或熱水中時(shí),KEVLAR ® 不像其它有機(jī)纖維
那樣將發(fā)生收縮。大多數(shù)其它纖維將會(huì)發(fā)生不可逆的收縮。
KEVLAR® 的纖維軸向方向的熱膨脹係數(shù)(CTE)非常小,且為
負(fù)值。KEVLAR® 的CTE值取決於測(cè)量技術(shù)、樣品的制備
以及測(cè)試方法(表II-4)。
燃燒熱值
KEVLAR® 的燃燒熱值通過(guò)愛(ài)默生氧彈式量熱計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
表II-5對(duì)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(huán)氧樹(shù)脂的燃燒熱值進(jìn)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(dāng)溫度從32?F(0?C)上升到392?F(200?C)時(shí),其比熱的增加
超過(guò)兩倍。溫度再上升時(shí)則趨向於緩和。
低溫條件的影響
暴露在極冷條件下時(shí)(-50?F[-46?C]),KEVLAR® 的強(qiáng)伸性能
不會(huì)受負(fù)面影響(表II-6)。在如此低的溫度下,模量增加以及
斷裂伸長(zhǎng)率輕微下降是因?yàn)榉肿觿傂陨杂性黾铀隆?
極冷條件的影響
KEVLAR® 在溫度低至-320?F(-196?C)時(shí)也不會(huì)發(fā)生脆化或
降解。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產(chǎn)生廢氣的特征
KEVLAR® 具有固有的難燃性,但是能夠點(diǎn)燃(極限氧指數(shù)
為29)。當(dāng)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(diǎn)燃,則可能繼續(xù)陰燃。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中,
(表II-7),在接觸火源12秒之後撤走火源時(shí),KEVLAR® 織物
將不會(huì)繼續(xù)燃燒。當(dāng)織物厚度增加,余輝時(shí)間隨之延長(zhǎng),
但燃燒長(zhǎng)度不會(huì)增加。不會(huì)產(chǎn)生任何“滴落物”,此類(lèi)“滴落
物”將會(huì)使火焰?zhèn)鞑?這是其它有機(jī)纖維的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)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(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)僅提供KEVLAR® 發(fā)生意外
燃燒時(shí)的重要信息。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產(chǎn)生廢氣的特征
KEVLAR® 燃燒時(shí)將產(chǎn)生與木材燃燒類(lèi)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(chǎn)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(chǎn)生氣體的組成如表II-22
所示。如需更多詳細(xì)的信息,請(qǐng)參閱KEVLAR® 的材料安全
數(shù)據(jù)表(MSDS)。
強(qiáng)度及彈性模量的影響。
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