Kevlar纤维

Kevlar纤维(6)Kevlar纤维的发明者是美国波兰裔女化学家、被称为“防弹纤维之母”的Stephanie Kwolek女士。Kwolek女士于1923年7月31日出生于美国匹兹堡，父母都是来自波兰的移民，父亲在她10岁时去世。1946年，Kwolek女士从卡内基梅隆大学的化学专业毕业，随即加入了杜邦公司，直至1986年退休，任职长达40年。她一生获得多项奖项，包括1995年进入美国发明家名人堂。

1946年，年轻的Kwolek女士应聘了杜邦位于美国纽约水牛城的一个职位，面试她的是时任实验室要职的WilliamHale Charch (1898-1958)，也就是著名的玻璃纸发明人，也是现在橡胶行业广泛使用的粘合剂配方RFL的发明人。面试完之后Charch博士表示两个星期之内会给她答复。但当Kwolek女士告诉他有另外一个职位的Offer正在等着她的回复，因此希望博士能尽快给她消息时，Charch博士当机立断，立刻录取了她。

当时的Kwolek女士并非志在化工行业，而是希望能成为医生。她本来计划在杜邦公司工作一段时间，攒够学费就去学医。但在这个过程中，她却渐渐爱上了这份事业。

1965年是Kwolek女士在杜邦公司工作的第19个年头，她时任杜邦实验室助理，正在帮助团队寻找一种轻量级新型强力纤维用于制作轮胎以帮助汽车省油。当时她一直使用的是聚合物材料，但制作过程中意外地合成了一种独特的质地轻薄的乳状溶液。

在Kwolek女士生前的一次采访中，她回忆道，当时她发现了一种新的溶剂，能够把高分子聚合物溶解成更稀的溶液。然后她说服了一位心存疑虑的同事，协助她一起把这种溶液纺成了丝，制成了Kevlar®纤维。“这种纤维非常坚韧，抗拉伸能力比之前所有的纤维都要强上许多倍。”

物理性能

1；有光，黄色，Kevlar49为深黄色。

2；线密度:大部分13.7tex,直径0.012mm。

3；密度：大部分1.43-1.44g/?,锦纶1.14,聚酯1.38,碳纤维1.8玻璃纤维2.25,钢丝7.8。

机械性能

1；强伸性能：比强度，比模量高，对温度不敏感单丝强度:22.9-26.5N/dtex。

2；捻系数对强度影响：开始随捻度增加，强度增加，并达到以最高值后，随后下降。最佳捻系数1.1.自由长度:指纤维由于自身重量而断裂的长度，它等于强度/密度。是钢丝空气中的7倍，海水中的26倍。

3；压缩性能：径向和轴向具有较低的压缩性能，是由它的高结晶度和高取向度决定的。

4；剪切性能：较低，因为它具有各异性拉伸强度/压缩强度/剪切强度/=5/17，拉伸模量/切变模量=70。

5；耐磨性能:交低，纤维之间或纤维于金属表面摩擦，纤维易原纤化。

6；疲劳性能：品种不同，耐疲劳性有区别。

热性能

1；具有良好的散热和绝热性能。

2；在相同重量下，Kevlar纤维比玻璃纤维和石棉织物具有较好的热绝缘性。

3；具有极好的热稳定性，500℃以上降解。

4；抗燃性能好，不产生后燃烧，不帮助燃烧，427℃碳化。

5；尺寸稳定性好，具有非常低的热收缩。

化学性能

1.氧化稳定性好，有极好的稳定性和很低的强度损失，在有氧环境下，长时间使用的最高温度为150度。

2.有良好的耐碱性，耐酸性好于锦纶，具有良好的耐有机溶剂，漂白剂以及抗虫蛀和霉变，对橡胶有良好的粘附性，但耐日晒和抗紫外线能力差。

a.界面缩聚法

界面缩聚法于1959年由美国杜邦公司发表,方法是将二羧酸酰氯溶解在与水不相混合的有机溶剂中,如苯、四氯化碳等,再将二元胺溶于水中 (水中加少量 Na2CO3或NaOH ,以吸收反应生成的盐酸 ),然后将上述 2种溶液混合 ,再加入的瞬间,就在2种液体界面上发生缩聚反应生成聚合体薄膜,由于反应在界面上进行 ,所以称为界面缩聚。

Morgan在研究中指出,移去界面附近形成的高聚物薄膜,界面处继续不断产生新的薄膜。为获得产量高、易于分离、水洗和干燥的粉状或颗粒状的聚合物,还是要搅拌。通常将有机溶剂配制的酰氯液体加入搅拌的二胺水溶液中,反应在室温下开始,因反应放热,温度可升至50～60 ℃,生成的高聚物可经过分离而得。在这种合成方法里,选择合适的有机溶剂、反应物的浓度比都是比较重要的因素。

b.直接低温法制备

在三苯基膦- 多卤代烷- 吡啶存在下二元酸可直接与二元胺或醇在室温下缩聚成聚合物。原料的加料顺序为:先将对苯二甲酸与三苯基膦六氯乙烷以及吡啶混合,而后加对苯二胺。反应示例如下:取0.356 g (0.002 mol) 对苯二甲酸和1.26 g(0.0048 mol) 三苯基膦溶液于5 mL 吡啶中。另取0.234 g (0.002 mol) 对苯二胺和1.42 g (0.006 mol)C2Cl6 溶于5 mL 吡啶。将上述两溶液混合,反应立即放热并立即产生黄色沉淀。30 min 后加入100mL 丙酮洗去副产物,过滤得到聚合物。聚合物以水洗3 次,再加少量丙酮洗2 次,产物减压干燥。

c.低温溶液缩聚法

低温溶液缩聚法是目前工艺最成熟的合成芳纶纤维的方法。目前已工业化的Kevlar, Technoral 品牌纤维的合成均采用此种方法。在装有不锈钢搅拌器并通有干燥N2 的玻璃聚合反应器中, 加入含一定量无水LiCl 和吡啶的NMP 溶液,在室温下加入粉末状对苯二胺,待其溶解后,用冰水浴将溶液降到一定温度,然后加入化学计量的粉末状对苯二甲酰氯,同时加快搅拌速度,随着反应进行,溶液粘度增大,液面突起,数分钟后,发生爬杆现象并出现凝胶化,继续搅拌数分钟,粉碎黄色凝胶团,然后将产物静置6 h 以上。将所得的聚合体加少量水,粉碎过滤,再用冷水及热水洗涤多次,以除去残留的溶剂、LiCl 、HCl 及吡啶,至洗液显中性,再将聚合物于100 ℃下干燥5 h 以上,得干燥聚合体。然后将聚合体于冷浓硫酸中混合,再加热至75 ℃,成为向列型液晶溶液,再进行纺丝。

d.酯交换反应

帝人公司进行了直接的酯交换反应。在二芳砜(如二苯砜) 和具有2个苯环或萘环的醚或碳氢化物存在下,芳香族二芳酸二芳酯(如对苯二甲酸二苯酯) 和芳香族二胺(如对苯二胺,间苯二胺) 进行加热缩聚反应。反应温度高于150 ℃,最好为180～400 ℃,反应时间是2～30 h ,为了加速反应,可以加入聚酯交换反应及缩聚反应用的催化剂。反应初期在常压下进行,生成的芳香族羟基化合物不需排出。反应后期应将副产物及部分溶剂蒸出。

e.气相聚合法

将芳香族二胺和芳香族二酰氯汽化,并在惰性气体和气态叔胺类化合物(如三乙胺或吡啶) 存在下进行混合,然后在管式反应器或担体式反应器中进行气相缩聚反应,单体浓度为2～50 mol % ,反应温度150～350 ℃,反应时间0.101 s。此法制得的芳香族聚酰胺,可以经过干法湿法或干- 湿法纺制成纤维。

a.两步法工艺

杜邦公司的Kevlar品牌纤维用的就是两步法工艺,其步骤如下: (1) 溶解。将合成好的聚合物与冷冻浓硫酸混合,固含量约为1914 %; (2) 熔融。将混合好的纺丝液加热到85 ℃的纺丝温度,此时形成液晶溶液; (3) 挤出。纺丝液经过滤后用齿轮泵从喷丝口挤出; (4) 拉伸。挤出液在一个被称为气隙的约为8 mm 的空气层,在气隙中进行约为6 倍的拉伸; (5) 凝固。液态丝条在温度为5～20 ℃,含5 %～20 %硫酸的凝固浴中凝固成形; (6) 水洗/ 中和/ 干燥。丝条从凝固浴出来后水洗,在160～210℃加热干燥; (6) 卷绕。最后,干的Kevlar (R) 纤维在卷筒上卷绕。这个工艺的纺速大于200 m·min - 1 。

b .一步法制备工艺

两步法芳纶纺丝过程复杂,生产成本较高。由于硫酸有腐蚀性,对设备的要求很高,且残存的浓硫酸会使纤维在纺丝过程中导致聚合物的降解,这就限制了纤维的强度和模量。为缩短流程,简化工艺,人们探索出由聚合物原液直接纺丝制纤维的新工艺。

褚凤奎等人的直接成纤工艺把缩聚后的聚合溶液不经纺丝,直接处理得到短纤维。该法中聚合物溶液由NMP、LiCl 、吡啶和PPTA 构成,其中聚合物的浓度必须要能行成液晶态,以保证后续沉析过程的顺利进行。该工艺受搅拌速度的影响很大,一般搅拌速度增加会造成短纤维长径比增加。其简化工艺流程如下：

低温溶液缩聚---沉析成纤--水洗---烘干---短纤维

由该法获得的短纤维长度为1～50 mm ,直径为2～100μm ,具有针状末端。

Kevlar纤维在军事领域中应用广泛，无论是坦克、航空件还是直升飞机都能找到他的存在。而防弹衣内部也含有这种纤维，相比玻璃纤维可以提供更好的防护能力。美国广播公司新闻网说，凯夫拉纤维是制作防弹衣的关键材料，历经半个世纪沿用至今。据美国国家司法协会统计，自上世纪70年代开始，用凯夫拉纤维制成的防护装备至少挽救了3000名美国执法人员的生命。^[2]

在民用领域中，Kevlar纤维更是非常常见，除了在各种运动用品中，还有耳机线缆和音箱的单元，都能找到凯芙拉的身影。音箱低频单元需要材料轻质且不易变形。所以凯芙作为低音单元的材料非常适合，从低端的KRK音箱到高端的B&W都能看到凯芙拉的身影。至于耳机线中的凯芙拉，可以说目前95%以上的耳机线缆都有含有这种材料。

运动装备制造商与消费者都钟情于杜邦Kevlar高强度芳香族聚酰胺纤维，其在工业和生命防护领域那些已被证明的特性和功效，也吸引着运动员、户外运动爱好者等希望借助运动服装与装备获得更好表现的人士。杜邦的其他创新产品也面临着相同的情况。它们对我们的业务客户具有价值，对消费者也颇具价值。”

采用Kevlar纤维的网球拍和羽毛球拍可以防止断裂和脱落。Kevlar制成的拍弦不像传统拍弦容易被拉长，能减少断弦的发生，让球手更容易控制和发力。Kevlar纤维与碳纤维结合使用还可以减缓振动和耐受破裂，并提升对轻质超强网球拍的掌控。一些网球鞋在脚趾部位采用Kevlar，提升耐磨性。杜邦Delrin品牌的聚甲醛树脂常被用做球拍弦的引导，而杜邦Zytel尼龙树脂则被用做球拍骨架的嵌入物。

应用Kevlar制成的皮艇和划艇的艇身由于比其他材料更轻，更容易运送与操控，而更好的抗冲击性也让其使用起来更安全。在船桨中加入Kevlar也可以增强硬度，使船桨使用起来更高效，更耐冲击。

杜邦在自行车运动方面贡献可不小。Kevlar纤维被杜邦用于生产头盔和车胎，杜邦 Krytox润滑剂可以让自行车传动部件运转更顺滑、快速。激烈的比赛要求自行车的运转部件牢固耐用，如变速器、刹车手柄、脚蹬与车轮可以采用杜邦Delrin、 Zytel、Crastin PBT 、Rynite PET树脂等耐久性工程塑料。自行车的其他部分，如链条齿轮、内胎、变速手柄、速度表部件、照明灯部件及刹车手柄等也采用了杜邦的创新材料。^[3]

中国航天科工集团公司第六研究院自主研制、具有完全自主知识产权的高科技产品F-12高强度有机纤维，填补了中国高强有机纤维材料的空白。F-12高强有机纤维属芳纶类纤维（凯芙拉品牌纤维原料），具有高比强度、高比模量、低压缩强度和低密度等优异性能，性能远远超过国内已量产的芳纶II纤维，是芳纶纤维类产品的佼佼者。

几根F-12高强有机纤维绳可以吊起46吨的重物，而同样粗细的钢丝绳只能吊起8吨的重物。F-12高强有机纤维不仅广泛应用于航天、航空、高性能飞艇等领域，还可广泛应用于光缆增强纤维、增强电力电缆、升降机缆绳及各类高性能体育运动器材等领域，可为中国国防军工及高端民用产品的研制提供强有力的支撑，因而具有广阔的市场前景。