了解芳纶纤维Kevlar

了解芳纶纤维Kevlar

芳纶纤维，又称Kevlar（杜邦公司的品牌名称），是一种高性能合成纤维，以其高强度、轻质和耐热性而闻名。它在航空航天、汽车、防护装备等多个领域都有广泛应用。本文将详细介绍芳纶纤维的化学结构、物理性质、工业应用及其在复合材料中的使用。

芳纶纤维，又称Kevlar（杜邦公司的品牌名称），属于合成产品家族，其特点是强度高（在同等重量下比钢强五倍）且耐热（耐热温度超过500摄氏度）。芳纶纤维适用于复合材料、弹道学、航空航天、汽车、防热/防辐射/防化学品的防护服、石棉替代品、电信（光纤电缆）等多种应用。

芳族聚酰胺这个词来自“芳香族”和“聚酰胺”两个词的混合，是一种人造纤维的统称，其中的纤维形成物质是长链合成聚酰胺，其中至少85%是直接连接到两个芳香环上的酰胺键(-CO-NH-)（由美国联邦贸易委员会定义）。

三家芳纶纤维制造商占据了全球大部分芳纶市场：美国杜邦公司生产的芳纶品牌为“Kevlar”和“Nomex”。日本帝人公司生产的芳纶品牌为“Twaron”和“Technora”。最后，韩国可隆工业公司生产的芳纶品牌为“Heracron”。Fibermax是一家可靠的Twaron和Kevlar芳纶纤维加工商，提供用于复合材料和防弹保护的成品织物，并具有全球发货能力。

芳纶历史

随着溶致液晶芳族聚酰胺的发现，芳香族聚酰胺的发展发生了巨大的变化，朝着好的方向发展。芳族聚酰胺纤维首次商业应用出现在20世纪60年代初。斯蒂芬妮·克沃勒克1961年在杜邦公司工作时做出了巨大的贡献。花了很长时间才弄清楚如何用芳族聚酰胺制造出有用的东西（因为它不会溶解在任何东西中），但最终，该公司推出了以“Kevlar”为品牌的对位芳族聚酰胺纤维。由于她对Kevlar的伟大发明，斯蒂芬妮·克沃勒克于1995年7月入选美国发明家名人堂。

特征

• 纤维结构：一系列合成聚合物，其中含有大苯环的重复单元通过酰胺基团连接在一起。酰胺基团(CO-NH)形成强键，耐溶剂和耐热。苯环（或芳香环）是庞大的六面碳原子和氢原子基团，可防止聚合物链围绕其化学键旋转和扭曲。

• 纤维特性：具有中—超高强度、中—低伸长、中高—超高模量的特点，密度范围为1.38g/cm 3～1.47g/cm 3，耐热阻燃型芳纶纤维含有高比例或间位取向苯环，超高强高模量纤维则以对位取向苯环为主。

• 化学性质：所有芳族聚酰胺都含有亲水性的酰胺键。但是，并非所有芳族聚酰胺产品的吸湿性都相同。PPD-T（聚苯对苯二甲酰亚胺）纤维对许多有机溶剂和盐具有非常好的耐受性，但强酸会导致强度大幅下降。芳族聚酰胺纤维由于其高Tg而难以染色。此外，对位芳族聚酰胺的芳香性质会导致暴露于紫外线时发生氧化反应，从而导致颜色变化和强度下降。

• 热性能：芳族聚酰胺纤维不会像传统意义上那样熔化，但会同时分解。由于氧指数(LOI)值有限，它们很难燃烧。值得一提的是，在300 o C时，某些芳族聚酰胺类型仍可保持约50%的强度。芳族聚酰胺具有高结晶度，因此在高温下收缩可忽略不计。

• 机械性能：芳纶纱的断裂强度为3045 MPa，也就是说，是钢的5倍多（在水下，芳纶的强度是钢的4倍），是玻璃纤维或尼龙的2倍。高强度源于其芳香族和酰胺基团以及高结晶度。芳纶在高达300 o C的温度下仍能保持强度和模量。它在拉伸下表现为弹性。当发生严重弯曲时，它表现出非线性塑性变形。在拉伸疲劳下，即使在极高的负载和循环时间下也不会出现故障。芳纶的蠕变应变仅为0.3%。

概括起来，芳纶的一般特点是：

• 高强度
• 抗吸收性
• 耐有机溶剂、耐化学性良好
• 无导电性
• 无熔点
• 低可燃性
• 优异的耐热、耐切割性能
• 对酸和紫外线敏感

芳纶应用

芳纶纤维的应用分为两类：A)复合材料增强材料，如体育用品、飞机、军用车辆等。B)服装面料，如防火服或防弹背心。芳纶纤维更详细的用途包括：

• 多种形式的复合材料
• 帆布
• 滑雪板
• 防护手套、头盔、防弹衣
• 纤维缠绕压力容器
• 防火防切割服装
• 石棉替代品
• 绳索和缆绳
• 光纤电缆系统
• 喷气发动机外壳
• 网球线和曲棍球棒
• 管乐器簧片
• 加固轮胎和橡胶制品
• 电路板加固

尽管每种应用都有其自身的要求，但几乎所有应用都具备芳纶的主要特性：高强度、高模量、高韧性、热尺寸稳定性、低蠕变和重量轻。

混合芳纶应用

芳纶/凯芙拉纤维可以单独用作增强材料，也可以与其他纤维组合使用。这样，合成纤维的性能就通过协同作用得到增强。协同作用是指系统中多种元素的相互作用，产生不同于或大于其各自效果总和的效果[定义来自维基百科]。换句话说，当两种或多种纤维组合在一起时，所得材料倾向于保留“好”的性能并去除“坏”的性能。因此，以多种风格编织的混合织物通常是许多复合材料制造商的首选，并被广泛使用。芳纶纤维可以编织成具有以下特征的混合织物：

碳纤维示例

• 平纹编织
• 斜纹编织

玻璃纤维示例

• 平纹编织
• 斜纹编织
• Vectran纤维
• 聚酯-二醇纤维
• 其他更复杂的组合

优点/缺点

芳纶的主要优点是强度高、重量轻。与石墨一样，芳纶轴向热膨胀系数略微为负，这意味着芳纶层压板的尺寸可以保持热稳定性。与石墨不同，芳纶非常耐冲击和磨损。与环氧树脂等其他材料结合使用时，芳纶可以防水。芳纶可以用作复合材料，橡胶保持其柔韧性。高拉伸模量和低断裂伸长率，加上非常好的耐化学性，使其成为各种应用中不同复合结构部件的正确选择。

另一方面，芳族聚酰胺也有一些缺点。纤维会吸收水分，因此芳族聚酰胺复合材料比玻璃或石墨复合材料对环境更敏感。因此，它必须与防潮材料（如环氧树脂系统）结合使用。抗压性能也相对较差。因此，芳族聚酰胺不用于桥梁建设或任何需要这种阻力的地方。此外，如果没有特殊设备（例如专用剪刀、专用钻头），芳族聚酰胺纤维很难切割和研磨。最后，它们会受到一些腐蚀，并被紫外线降解。因此，它们必须适当涂层。

芳纶复合材料

在轻质耐用的复合材料日益取代传统材料的世界中，芳族聚酰胺和对位芳族聚酰胺纤维发挥着重要作用。它们对于需要减轻重量和出色损伤容限的复合材料的增强至关重要。许多不同类型的复合材料产品都用芳族聚酰胺进行增强，因为含有芳族聚酰胺的层压板具有强度、刚度和尺寸稳定性。芳族聚酰胺和凯夫拉纤维与多种类型的树脂系统兼容或可与之一起使用。树脂系统的最佳选择是环氧树脂，因为它对纤维表面的粘附性最好。也可以使用乙烯基酯和间苯二甲酸聚酯。应避免使用邻苯二甲酸聚酯，因为它不能为纤维提供足够的粘附性。