Kevlar纖維是美國杜邦公司研製的芳綸複合材料。
基本介紹
- 中文名：Kevlar纖維
- 出現時間：上世紀60年代
- 研製機構：美國杜邦公司
- 特點：熱穩定性
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產品介紹
在上世紀60年代，美國杜邦公司研製出一種新型複合材料聚對苯二甲醯對苯二胺，並以“Kevlar”（凱芙拉）作為其商標。這是一種芳綸複合材料。聚對苯二甲醯對苯二胺是屬於一種液態結晶性棒狀分子，它具有非常好的熱穩定性，抗火性，抗化學性，絕緣性，以及高強度及模數，將Kevlar品牌芳綸纖維的物性與其它纖維作一比較，可以發現，Kevlar品牌纖維是石棉的2到11倍強度；是高強度石墨的1.6倍強度；是玻璃纖維的3倍強度；是相同重量下鋼纖維的5倍強度。且Kevlar品牌芳綸纖維密度非常低，幾乎只有石棉密度的一半。而卻擁有很高的破裂延伸度，除了高強度外，更有以下好處：
熱穩定性，Kevlar品牌纖維在熱試驗中（TGA）非常穩定，直至600℃才有明顯的重量喪失；
低侵蝕性，具有高含量的Kevlar品牌纖維試片，表現出比半金屬片低的侵蝕性；
耐磨性，與石棉纖維製成的剎車片比較，在Kevlar品牌纖維開松良好的狀態下，體現出非常低的磨耗性。
維持預成型剎車片的強度，保持填充劑的持久性。
正是由於Kevlar品牌纖維有如上諸多優點，目前Kevlar品牌纖維被廣泛套用於航空航天事業，船舶製造業及摩擦材料中。
合成與成型
合成方法
a.界面縮聚法
界面縮聚法於1959年由美國杜邦公司發表,方法是將二羧酸醯氯溶解在與水不相混合的有機溶劑中,如苯、四氯化碳等,再將二元胺溶於水中 (水中加少量 Na2CO3或NaOH ,以吸收反應生成的鹽酸 ),然後將上述 2種溶液混合 ,再加入的瞬間,就在2種液體界面上發生縮聚反應生成聚合體薄膜,由於反應在界面上進行 ,所以稱為界面縮聚。
Morgan在研究中指出,移去界面附近形成的高聚物薄膜,界面處繼續不斷產生新的薄膜。為獲得產量高、易於分離、水洗和乾燥的粉狀或顆粒狀的聚合物,還是要攪拌。通常將有機溶劑配製的醯氯液體加入攪拌的二胺水溶液中,反應在室溫下開始,因反應放熱,溫度可升至50～60 ℃,生成的高聚物可經過分離而得。在這種合成方法裡,選擇合適的有機溶劑、反應物的濃度比都是比較重要的因素。
b.直接低溫法製備
在三苯基膦- 多鹵代烷- 吡啶存在下二元酸可直接與二元胺或醇在室溫下縮聚成聚合物。原料的加料順序為:先將對苯二甲酸與三苯基膦六氯乙烷以及吡啶混合,而後加對苯二胺。反應示例如下:取0.356 g (0.002 mol) 對苯二甲酸和1.26 g(0.0048 mol) 三苯基膦溶液於5 mL 吡啶中。另取0.234 g (0.002 mol) 對苯二胺和1.42 g (0.006 mol)C2Cl6 溶於5 mL 吡啶。將上述兩溶液混合,反應立即放熱並立即產生黃色沉澱。30 min 後加入100mL 丙酮洗去副產物,過濾得到聚合物。聚合物以水洗3 次,再加少量丙酮洗2 次,產物減壓乾燥。
c.低溫溶液縮聚法
低溫溶液縮聚法是目前工藝最成熟的合成芳綸纖維的方法。目前已工業化的Kevlar, Technoral 品牌纖維的合成均採用此種方法。在裝有不鏽鋼攪拌器並通有乾燥N2 的玻璃聚合反應器中, 加入含一定量無水LiCl 和吡啶的NMP 溶液,在室溫下加入粉末狀對苯二胺,待其溶解後,用冰水浴將溶液降到一定溫度,然後加入化學計量的粉末狀對苯二甲醯氯,同時加快攪拌速度,隨著反應進行,溶液粘度增大,液面突起,數分鐘後,發生爬桿現象並出現凝膠化,繼續攪拌數分鐘,粉碎黃色凝膠團,然後將產物靜置6 h 以上。將所得的聚合體加少量水,粉碎過濾,再用冷水及熱水洗滌多次,以除去殘留的溶劑、LiCl 、HCl 及吡啶,至洗液顯中性,再將聚合物於100 ℃下乾燥5 h 以上,得乾燥聚合體。然後將聚合體於冷濃硫酸中混合,再加熱至75 ℃,成為向列型液晶溶液,再進行紡絲。
d.酯交換反應
帝人公司進行了直接的酯交換反應。在二芳碸(如二苯碸) 和具有2個苯環或萘環的醚或碳氫化物存在下,芳香族二芳酸二芳酯(如對苯二甲酸二苯酯) 和芳香族二胺(如對苯二胺,間苯二胺) 進行加熱縮聚反應。反應溫度高於150 ℃,最好為180～400 ℃,反應時間是2～30 h ,為了加速反應,可以加入聚酯交換反應及縮聚反套用的催化劑。反應初期在常壓下進行,生成的芳香族羥基化合物不需排出。反應後期應將副產物及部分溶劑蒸出。
e.氣相聚合法
將芳香族二胺和芳香族二醯氯汽化,並在惰性氣體和氣態叔胺類化合物(如三乙胺或吡啶) 存在下進行混合,然後在管式反應器或擔體式反應器中進行氣相縮聚反應,單體濃度為2～50 mol % ,反應溫度150～350 ℃,反應時間0.101 s。此法製得的芳香族聚醯胺,可以經過乾法濕法或乾- 濕法紡製成纖維。
成型工藝
a.兩步法工藝
杜邦公司的Kevlar品牌纖維用的就是兩步法工藝,其步驟如下: (1) 溶解。將合成好的聚合物與冷凍濃硫酸混合,固含量約為1914 %; (2) 熔融。將混合好的紡絲液加熱到85 ℃的紡絲溫度,此時形成液晶溶液; (3) 擠出。紡絲液經過濾後用齒輪泵從噴絲口擠出; (4) 拉伸。擠出液在一個被稱為氣隙的約為8 mm 的空氣層,在氣隙中進行約為6 倍的拉伸; (5) 凝固。液態絲條在溫度為5～20 ℃,含5 %～20 %硫酸的凝固浴中凝固成形; (6) 水洗/ 中和/ 乾燥。絲條從凝固浴出來後水洗,在160～210℃加熱乾燥; (6) 卷繞。最後,乾的Kevlar (R) 纖維在捲筒上卷繞。這個工藝的紡速大於200 m·min - 1 。
b .一步法製備工藝
兩步法芳綸紡絲過程複雜,生產成本較高。由於硫酸有腐蝕性,對設備的要求很高,且殘存的濃硫酸會使纖維在紡絲過程中導致聚合物的降解,這就限制了纖維的強度和模量。為縮短流程,簡化工藝,人們探索出由聚合物原液直接紡絲製纖維的新工藝。
褚鳳奎等人的直接成纖工藝把縮聚後的聚合溶液不經紡絲,直接處理得到短纖維。該法中聚合物溶液由NMP、LiCl 、吡啶和PPTA 構成,其中聚合物的濃度必須要能行成液晶態,以保證後續沉析過程的順利進行。該工藝受攪拌速度的影響很大,一般攪拌速度增加會造成短纖維長徑比增加。其簡化工藝流程如下：
低溫溶液縮聚---沉析成纖--水洗---烘乾---短纖維
由該法獲得的短纖維長度為1～50 mm ,直徑為2～100μm ,具有針狀末端。
套用及前景
套用
凱芙拉品牌纖維密度低、強度高、韌性好、耐高溫、易於加工和成型，因而受到人們的重視，並已經廣泛套用到人們的日常生活中。由於凱芙拉品牌材料堅韌耐磨、剛柔相濟，具有刀搶不入的特殊本領。在軍事上被稱之為"裝甲衛士 "。 大家知道，坦克、裝甲車已逐漸成為現代陸軍的主要裝備之一。其原因就在於這兩種兵器都具有堅硬的裝甲，在戰爭中有消滅敵人保護自己的作用。有了矛就出現了盾，有了坦克、裝甲車之後，就發明了反坦克炮、反坦克飛彈。反坦克武器的出現，又促使人們改進坦克、裝甲車的裝甲性能。通常要提高坦克、裝甲車的防護性能，就要增加金屬裝甲的厚度，這樣勢必影響它的靈活機動性能。凱芙拉品牌材料的出現使這個問題迎刃而解，坦克、裝甲車的防護性能提高到了一個嶄新的階段。 與玻璃鋼相比，在相同的防護情況下，用凱芙拉品牌材料時重量可以減少一半，並且凱芙拉品牌層壓薄板的韌性是鋼的3倍，經得起反覆撞擊。凱芙拉品牌薄板與鋼裝甲結合使用更是威力無比。如果採用"鋼棗芳綸棗鋼"型複合裝甲，能防穿甲厚度為700毫米的反坦克飛彈，還可防中子彈。
