凯夫拉

凯夫拉（英文名：Kevlar）是美国杜邦公司研制的一款对位芳纶合成纤维的商标名，^[3]也译作克维拉或凯芙拉，^[2]学名为聚对苯二甲酰xiān对苯二胺。^[3]凯夫拉通常呈黄色，具有高强度、高刚度、高拉伸、高模量、重量轻、密度低等特点，^[3]因被用来制作个人防护用具而闻名，诸如战斗头盔、防弹面罩和防弹背心等。^[7]

凯夫拉于1964年由美国杜邦公司的斯蒂芬妮·克沃勒克发现，^[8]1972年凯夫拉实现商品化并注册商标为Kevlar。^[2]1973年凯夫拉被用于实验制造防弹背心。凯夫拉为杜邦公司带来利益的同时也带动了公司的发展，^[9]其所在部门的销售额于2012年达到38.2 亿美元，并在次年增长到38.8亿美元。^[10]截至2014年6月，杜邦公司用凯夫拉生产的防弹背心在全球达到了100万件，^[11]凯夫拉所在部门的销售额也在同年达到39亿美元，占杜邦公司总收入的11%。^[12]

凯夫拉根据纤维形式，分为短纤维、絮状物和维浆。以单体1,4-苯二胺和对苯二甲酰氯通过缩合反应合成基本化学品后，用湿法纺丝工艺制成各类纤维。^[5]杜邦公司根据不同用途将其分为K29、K49、K100等多个不同产品型号。^[1]

1964年，在汽油短缺的情况下，美国杜邦公司的斯蒂芬妮·克沃勒克及其研究小组开始寻找重量轻但强度高的纤维用于汽车轮胎。斯蒂芬妮·克沃勒克在一次实验中偶然得到了一种液晶溶液聚合物，测试后发现其喷丝后的纤维强度是钢铁的5倍。^[8]1966年，凯夫拉由斯蒂芬妮·克沃勒克获得专利。^[13]经过后续实验和开发，凯夫拉于1971年被正式推向市场。^[3]

1972年，凯夫拉由杜邦公司实现商品化并为该产品注册商标为Kevlar，也译作克维拉或凯芙拉。^[2]

1973年，美国陆军埃奇伍德兵工厂负责防弹背心设计的研究人员开发出了一种由七层Kevlar织物制成的服装，经过现场试验。背心采用防水设计，并采用织物覆盖物来防止暴露在阳光和其他降解剂下。^[15]

20世纪80年代，Kevlar149由杜邦公司的Jacob Lahijani发明。^[16]

2011 年，杜邦公司在南卡罗来纳州查尔斯顿耗资5亿美元新建用于生产凯夫拉的工厂，将全球凯夫拉产能提高25%。^[11]

2013年，杜邦公司切斯特菲尔德斯普鲁恩斯工厂，开始生产彩色凯夫拉产品。^[11]

2014 年 6 月，杜邦公司宣布使用凯夫拉XP纤维生产的防弹背心，在全球达到了100万件。 ^[11]

2022年，杜邦宣布推出凯夫拉工程纱线的全球产品组合，将凯夫拉与无机纱和弹力芯纱进行了结合，用于工业防护产品制造。^[17]

全球生产对位芳纶纤维（凯夫拉）的厂家主要有美国杜邦公司和日本帝人公司，两家产能在6.75万吨/年。另外还有韩国三家公司实现了工业化生产，产能总共在5000吨/年左右。中国也已经开始小批量生产。^[6]全球对于对位芳纶纤维（凯夫拉）的需求达到10万吨。其中中国的需求达到2万吨。^[18]

在2012年，杜邦公司的凯夫拉产品在美国对位芳纶纤维市场占有70%的份额。^[19]截至2021年，在全球市场中，杜邦公司、可隆工业公司、帝人公司等龙头企业占据了50%以上的市场份额，市场集中度较高。^[20]

在杜邦公司中，凯夫拉属于安全和生产业务部的一个组成部分，被用来一系列产品，例如防弹衣等。^[10]截至2011年，该部门的价值已成为杜邦公司重要的组成部分，其中凯夫拉产能的扩张也成为投资者和分析师关注的焦点。^[9]2012 年，该部门的销售额达到38.2 亿美元，次年增长到38.8亿美元。^[10]

截至2014年，凯夫拉所属的部门销售额达39亿美元，占杜邦公司总收入的11%。^[12]

在中、韩等国多家企业已经掌握凯夫拉产业化生产技术的情况下，美国杜邦公司和日本帝人公司采取了定制化的技术发展路线来保证其市场占有率。杜邦公司更是在定制化产品和定制化应用技术两个方面做出了应对，以保证其在行业中的领导地位。^[21]

杜邦公司全面推出了“先进型”凯夫拉纤维（Kevlar AP）产品系列，以“传统型”凯夫拉技术为基础，“先进型”凯夫拉纤维做出了重要的技术跃升，实现更细的纤度、更高的强力和模量以及更低的延伸率，从而减少其在光缆、防弹等终端产品制造中的用量，进而降低成本。^[21]

在防弹衣的定制化产品中，杜邦公司于2023年4月14日在最佳游骑兵竞赛上首次推出Kevlar® EXO™芳纶纤维防弹衣，其具有更先进的弹道和热性能，同时兼顾灵活和轻便，贴合曲线和身体线条，为使用者提供最大程度的保护。^[22]

凯夫拉XP（Kevlar XP）织物技术是杜邦公司最新开发的一种对位芳纶织造技术·。用此新技术织造的凯夫拉软质防弹衣，比采用其它技术织成的织物防弹衣，质量要轻10%，还可将着弹点背后凹陷变形的程度减小15%。^[21][23]

凯夫拉有多种短纤维形式，包括短纤维、絮状物和维浆。短纤是一种1/4英寸或更长的短而精细切割的纤维，用于制造细纱；絮状物是一种短而细切的纤维，长度低至1毫米，在各种树脂体系中用作增强材料；维浆是一种高度原纤化的纤维，适合分散到多种基质体系中，还可湿态使用并增强弹性体、热塑性塑料和热固性树脂的性能。具体可分为K29、K49、K100等多个不同产品。^[5]

凯夫拉是一种聚酰胺，其中酰胺基团被对亚苯基隔开，酰胺基团在苯基基团的相对侧连接在一起。凯夫拉纤维就是通过一次又一次重复酰胺的过程制造出来的。^[5]其生产过程与尼龙类似，第一步是生产凯夫拉纤维的基本化学品，第二步是将化学品转化为强力纤维的过程。^[24]

第一步：单体1,4-苯二胺和对苯二甲酰氯的溶液中通过缩合反应合成凯夫拉纤维的基本化学品，产生副产物盐酸。^[5]六甲基磷酰胺（HMPA）是最初用于聚合的溶剂，但出于安全原因，杜邦公司用N-甲基吡咯烷酮和氯化钙的溶液代替了它。^[25]

第二步：用湿法纺丝工艺将凯夫拉纤维的基本化学品变成长、细、硬的纤维。在此过程中，聚对苯二甲酰对苯二胺的热且高粘度溶液被泵入具有数百个孔的孔口。纤维加工后，被纵向切割并编织。^[5]

凯夫拉纤维是彼此平行排列的分子阵列，分子有序、无缠结，看起来像一包未煮熟的意大利面条。该结构具有各向异性，这意味着纤维在纵向上的强度高于在轴向上的强度。^[26]

动能吸收量高。^[5]制动伸长率低。^[5]断裂韧性高。^[5]接近钢的（4~5）倍强度。^[5]电导率低。^[5]拉伸模量比钢丝高。^[5]凯夫拉纤维暴露在热空气或热水中时不会收缩。^[5]升高温度会降低凯夫拉长丝的模量、拉伸强度和断裂伸长率。^[5]

酸碱效应：凯夫拉尔纤维在接触强酸和强碱时会降解。在中性pH值（pH7）下，在149°F（65°C）下暴露200多天后，灯丝稳定性几乎保持不变。^[5]水分影响：凯夫拉纤维吸收水分的速度不同，具体取决于相对湿度。相对湿度水平越高，凯夫拉纤维在吸湿初始阶段吸收水分的速度越快，最终的平衡水平越高。^[5]耐水解性：凯夫拉在饱和蒸汽中的耐水解性是通过闭管测试来测量的。将Kevlar线（1500旦尼尔）在280°F（138°C）的温度下在充足的水（pH7）存在下保持不同的时间，以形成饱和蒸汽。通过比较在室温下测量的对照长丝和暴露长丝的强度数据来确定强度损失结果。^[5]分解：Kevlar在相对较高的温度下分解（在空气中为800°F至900°F（427°C~482°C），在氮气中为约1000°F（538°C））。^[5]燃烧：凯夫拉纤维具有阻燃性，但可以被点燃。当火源被移除时，燃烧通常会停止。然而，纸浆一旦被点燃，可能会继续燃烧。^[5]紫外线效应：凯夫拉纤维对紫外线敏感。长时间暴露后，未受保护的线会从黄色变成棕色。长时间暴露在紫外线下也会导致机械性能损失，具体取决于波长、暴露时间、辐射强度和产品几何形状。^[5]

应用领域产品功能特点军事军用防弹衣防弹采用多重防护措施，既能保证高刚性和机械强度，又具备高耐久性、高强度以及高耐温性能，在恶劣环境下仍能保持出色的防护效果军事头盔保护头部车辆装甲抵御穿甲弹和导弹消费品摩托车装备安全保障凯夫拉具有卓越的耐磨和抗穿刺特性，可以有效提升抗冲击性能，降低磨损程度，同时提供穿刺防护和抗撕裂功能。它还具备极高的耐火性和耐热性，即使在持续的压力和应变环境下，也能保持其高性能品质，展现出强大的抗拉性能工作手套和设备，保护工人服装及配饰耐用安全航空航天飞机舱内地板和内饰隔热防火凯夫拉蜂窝芯为飞机制造商带来了显著的重量减轻。这些蜂窝材料不仅具有较轻的重量，还具备极低的导电性和卓越的耐火性能，从而满足了航空行业对安全标准的高要求。它们优越的隔热和隔音特性也有助于提升乘客的舒适度着陆装置门高效的飞机交付翼盒和控制面提高寿命生命防护领域轻型消防战斗服提高强度凯夫拉纤维助力制造商提升轻型消防战斗服外层与热衬层系统的整体耐用性和强度。在保持相同重量的前提下，其强度为钢材的五倍，同时具备轻便、舒适及隔热性能光纤全介质自承式光缆数据传输凯夫拉具有卓越的拉伸模量和紧凑的电缆尺寸，实现了用更少量材料制作出更强韧的光缆。具备出色的抗电磁干扰、防湿度和温度波动特性，确保在各种天气条件下实现精确的数据传输，将其表面采用超吸水聚合物处理后，可实现阻水与增强功能的完美结合阻水织线阻止水分进入光缆汽车轮胎延长产品寿命凯夫拉助力打造卓越的高速稳定性和操控性能，同时降低滚动阻力。凯夫拉轮胎还具备更多优势，如行驶过程中更加安静、转动惯量降低，从而减轻发动机负担，最终提高燃油效率，凯夫拉还有助于提高汽车部件的安全性、性能和耐用性汽车软管和皮带加固提高性能矿业采矿传送带提高效率凯夫拉能增加使用寿命，降低滚动阻力和能耗，减少拼接数量，减少拼接时间和成本，实现传送系统设计灵活性，提高运输能力（效果更好的U型），降低寿命期内的蠕变现象，在极端环境条件下实现正常运行等特点粘合、密封、涂料等环境粘合剂、密封剂、涂料黏性提高、降低成本凯芙拉纤维作为一种纤维触变胶，能够实现更优秀的粘度控制并降低成本。其通过纤维与细微纤维丝的无序排列和物理缠结，使粘度得以提升。这种独特的触变机制能有效控制粘度，且不受后续加工或老化过程的影响。凯芙拉纤维适用于从低温至350°C（662°F）的广泛温度范围，并且在大多数常见化学品（如有机溶剂）中表现出惰性特性绳索和线缆撕裂绳切割线路将凯夫拉材质的撕裂绳置于光缆护套外层，有助于技术人员轻松获取光纤线路内部，无需使用可能损害光纤的切割工具。凯夫拉剥离绳具备卓越的拉伸强度和较小的直径，能迅速、锐利地切割开聚乙烯、PVC或钢甲制成的护套。在可靠性方面，无其他电缆撕裂绳材料能与凯夫拉相提并论参考资料：^{[4][27][28][4]}

凯夫拉纤维非常难以销毁，在垃圾填埋场中需要长时间分解时间。另外，凯夫拉纤维的主要生产原料中的浓硫酸，对动植物有剧毒而且使用困难，处置或使用不当时产生的危害较大，这对凯夫拉的可持续性发展产生了影响。^[29]

凯夫拉的回收利用率是100%，并且有很多公司（例如Ballistic Recycling）专门从事凯夫拉的回收。当凯夫拉被回收后，它被切成3~6毫米的纤维，然后重新纺丝、制浆等并形成新产品。^[29]

对位芳纶（凯夫拉）应用标准按照应用领域分类，可以分为5大类：防护类标准、摩擦密封类标准、光缆增强类标准、橡胶骨架材料类标准和通用织物复材类标准，各类国际、地区、国家及行业标准构成了对位芳纶应用的标准体系。^[30]