凯芙拉

凯芙拉（对位芳纶）是一种坚固、耐热的合成纤维，与 Nomex 和 Technora 等其他芳纶有关。 这种高强度材料于 1965 年由杜邦公司的 Stephanie Kwolek 开发，在 70 年代初期首次用于商业用途，作为赛车轮胎钢材的替代品。 它通常被纺成绳索或织物片，可以直接使用，也可以用作复合材料组件的成分。

凯芙拉有很多应用，从自行车轮胎和赛车帆到防弹背心，这一切都归功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。 它还用于制造可承受高冲击力的现代行进鼓面； 以及系泊线和其他水下应用。

Akzo 在 1970 年xxx发了一种名为 Twaron 的类似纤维，具有相同的化学结构； 商业生产始于 1986 年，Twaron 现在由帝人制造。

聚对苯二甲酰对苯二胺 (K29) – 商标为凯芙拉 – 是美国化学家 Stephanie Kwolek 在为杜邦公司工作时因预计汽油短缺而发明的。 1964 年，她的团队开始寻找一种新型轻质高强度纤维，用于制造轻便但坚固的轮胎。 当时她一直在使用的聚合物，聚对苯二甲酸对苯二甲酸酯和聚苯甲酰胺，在溶液中形成液晶，这是当时这些聚合物所独有的。

该溶液是混浊的，搅拌后呈乳白色，粘度低，通常被丢弃。 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，并惊讶地发现纤维没有断裂，这与尼龙不同。 她的主管和她的实验室主任了解她的发现的重要性，并迅速兴起了一个新的高分子化学领域。 到 1971 年，引入了现代凯芙拉。 然而，Kwolek 并没有积极参与开发凯芙拉的应用程序。 凯芙拉149是杜邦公司的Jacob Lahijani博士在20世纪80年代发明的。

凯芙拉是在溶液中由单体 1,4-苯二胺（对苯二胺）和对苯二甲酰氯在缩合反应中合成的，副产物是盐酸。 结果具有液晶行为，机械拉伸将聚合物链定向在纤维的方向上。 六甲基磷酰胺 (HMPA) 是最初用于聚合的溶剂，但出于安全原因，杜邦公司将其替换为 N-甲基-吡咯烷酮和氯化钙的溶液。 由于阿克苏（Akzo）（见上文）在生产 Twaron 时为该工艺申请了专利，一场专利大战随之而来。

凯芙拉的生产成本很高，因为使用浓硫酸很困难，需要在合成和纺丝过程中将不溶于水的聚合物保持在溶液中。

凯芙拉的几个等级可供选择：

• 凯芙拉 K-29 – 在工业应用中，例如电缆、石棉替代品、轮胎和刹车片。
• 凯芙拉 K49 – 用于电缆和绳索产品的高模量。
• 凯芙拉K100——凯芙拉的彩色版
• 凯芙拉 K119 – 伸长率更高、柔韧且更耐疲劳
• 凯芙拉 K129 – 更高的弹道应用韧性
• 凯芙拉 K149 – 弹道、装甲和航空航天应用的最高韧性
• 凯芙拉 AP – 抗拉强度比 K-29 高 15%
• 凯芙拉 XP – 重量更轻的树脂和 KM2 加纤维组合
• 凯芙拉 KM2 – 装甲应用的增强弹道阻力

阳光中的紫外线成分会降解和分解凯芙拉，这种问题被称为紫外线降解，因此很少在没有防晒措施的情况下在户外使用。

纺凯芙拉时，所得纤维的拉伸强度约为 3,620 MPa（525,000 psi），相对密度为 1.44（0.052 lb/in3）。 该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。 额外的强度源自相邻链之间的芳族堆积相互作用。 这些相互作用对凯芙拉的影响比范德瓦尔斯相互作用和链长的影响更大，后者通常会影响其他合成聚合物和纤维（例如超高分子量聚乙烯）的特性。

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，因此要小心避免包含在其生产中。 凯芙拉的结构由相对刚性的分子组成，这些分子倾向于形成大部分平面的片状结构，而不像丝蛋白。

凯芙拉在低温 (−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。 在较高温度下，抗拉强度立即降低约 10-20%，几个小时后强度会下降。