世界上最强的纤维-KEVLAR抗刃防火纤维

1、防護功能纖維第八組組員07 號王琦茵、 08 號陳雅亭10 號吳欣旎、 11 號林安俞14 號許芳慈、 15 號蔡雅竹前言過去幾年，人們不得不研製更堅固先進的盔甲來抵禦不斷升級的武器。然而，儘管有些改進，現代盔甲仍然和古代那些有些相似的缺點。無論是用金屬板還是纖維層製成，盔甲常常很笨重。有些盔甲很堅硬，所以用作手臂、腿和脖子處的防護就有些不切實際。所以，中世紀的盔甲都有縫隙和關節連接，這樣穿戴者才能活動。現代的盔甲一般僅能防護頭部和軀幹。幾千年來，盔甲的基本用途變化不大。首先，它阻止武器或者飛彈接觸身體。其次，它分散武器的能，降低衝擊造成的傷害。儘管不是任何場合下都有效，但盔甲基本上能保護人們

2、免受嚴重傷害或者死亡，尤其是來自那些正式武器。而防護功能纖維是指具有阻燃、抗靜電、防紫外線、防輻射等功能的新型纖維。用這種纖維生產的服裝主要用於特殊工作環境中的人們穿著 ，為其探討為何有特殊材質能抵抗外在力量，使得保護人體不受傷害，並且有效運用在保護肌膚上，深入研究不再像印象中堅硬的印象 ，而是轉變微軟質料的防護功能纖維 。 防護功能纖維是指具有阻燃、抗靜電、防紫外線、防輻射等功能的新型纖維。用這種纖維生產的服裝主要用於特殊工作環境中的人們穿著 ，為其探討為何有特殊材質能抵抗外在力量，使得保護人體不受傷害。克維拉 KEVLAR?克維拉是杜邦公司註冊的商標，由斯蒂芬妮 ?柯歐拉克發明，學名是聚對

3、苯二甲酸苯酯醯胺（ poly paraphenylene terephthalamide）。它是帶有芳香族的塑膠纖維（芳香族是指帶有苯環的有機化合物），重複單位的化學式是COC6H4 CONHC6H4 NH，醯胺基團以對位結構接在苯環上，在同等重量的條件下，強度是鋼絲的5 倍強度， E 級玻璃纖維的 2.5 倍強，鋁的 10 倍強度，它可以提供種種不同型式的變化; 因它獨一無二的特性, 耐高溫 , 高抗拉 , 高模度 (硬度 ), 低延伸率 , 耐衝擊和耐化學劑等高性能, 從原絲 , 捻紗 (Ripcord), 編織(平織 /針織 ), 外加樹脂 (coating) 或和其他材質複合(comp

4、osite)都能提供不同的功能。KEVLAR? 在溫度性能上有很高的穩定性，不僅能在負196(-320)到正 204(400)的溫度範圍內連續使用而不會有很明顯的變化或減損 ; 同時，還具有不溶解，防火性 (不助燃 )，只會在 427開始碳化，而且即使在負 196的低溫，也沒有變脆和性能損失的現象。以及能忍受溫度高達 538 (1000 )短暫時間接觸的優異耐溫性能。KEVLAR? 亦可運用來補強許多現今商業化的高分子材料，並且和玻璃纖維補強的材料一樣容易加工處理，使用KEVLAR? 補強比用玻璃纖維輕30%35%，並且有 2.5 倍強的鋼性，而 KEVLAR? 與碳纖維共同補強的複合材料亦具

5、有優異的壓縮強度。特性1.在很輕的重量提供高抗張, 高拉力的功能2.低延伸率 , 高模數 , 不易斷裂3.低導電性4.高抗化學劑5.低熱縮6.高抗拉斷力7.高穩定性8.高抗切割9.抗燃性 , 只會碳化(自動熄火 )未來發展性原先的計畫是想用克維拉來當汽車輪胎的材料 。但那時候的輪胎都使用鋼絲做加強材料，如果改換克維拉，輪胎公司就得重新設計模型，改變所有的生產程序，不見得划算。因此輪胎公司並沒有採用克維拉。杜邦公司於 1971年成立一個團隊來開發克維拉的應用，結果找到二百多種用途。一個最著名的應用是防彈背心（ bulletproof vests），由幾層的克維拉纖維組成。在引進克維拉之前也有人用

6、金屬，如鉛、鋼鐵做防彈背心，但克維拉做的防彈背心輕便且效果好，一上市就大受軍警人員歡迎。一群有心人更成立克維拉存活者俱樂部，統計有多少人因為穿了克維拉防彈背心而逃過死神的手掌，到 2002年已經超過 5 千人。克維拉可以說是高科技的材料，它耐高溫，強硬度比鋼鐵高 5 倍，而質量比玻璃纖維fiberglass）還輕。它的用途除防彈背心外、還包括保護手套、安全帽、消防隊用的衣服、汽車剎車墊、輪胎 （汽車與腳踏車） 、輪船、輕便飛行器、海底電纜、橋梁等。防弹衣的主要材料 超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纖維 (UHMWPE)工程期限： 1985 年 2020 年超高分子量聚乙烯纖維 (簡稱 UH

7、MWPE)，又叫高強 PE 纖維，是當今世界三大高科技纖維（碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維）之一，也是世界上最堅韌的纖維。其 ?輕薄如紙、堅硬如鋼 ?，強度是鋼鐵的 15 倍，是目前製造防彈衣的主要材料。其分子量在 150 萬至 800 萬之間，是普通纖維的數十倍，這也是它名字的由來，具有極其優異的性能。超高分子量聚乙烯纖雛與其他工程塑料相比，主要存在耐熱性、剛度和硬度偏低等不足，但可以通過 ?填充 ?和?交聯?等方法來改善；從耐熱性來看， UHMWPE 的熔點（ 136）與普通聚乙烯大體相同，但因其分子量大，熔融粘度高，故加工難度大。超高分子量聚乙烯纖雛與其他工程塑料相比，主要存在耐熱性

8、 、剛度和硬度偏低等不足 ，但可以通過 ?填充?和?交聯 ?等方法來改善；從耐熱性來看， UHMWPE 的熔點（ 136）與普通聚乙烯大體相同，但因其分子量大，熔融粘度高，故加工難度大。特性1、結構緻密具有很強的化學惰性，強酸堿溶液及有機溶劑對其強度沒有任何影響。2、密度只有 0.97 克 /立方釐米，能漂浮水面。3、吸水率很低，在成型加工前一般不必乾燥處理。4、具有極好的耐氣候老化性，抗紫外線，經過日曬 1500 小時後，纖維強度保持率仍然高達 80%。5、對放射線具有優良的遮蔽效果，故可用作核電站的遮蔽板。6、耐低溫，在液氦溫度（-269）下仍具有延展性，而芳綸纖維到-30便失去防彈效能；

9、在液氮中（ -195）也能保持優異的衝擊強度，這一特性是其他塑膠所沒有的，因而能夠用作核工業的耐低溫部件。7、超高分子量聚乙烯纖雛的耐磨耐彎曲性能、張力疲勞性能也是現有高性能纖維中最強的，具有突出的抗衝擊和抗切割韌性。一根只有頭髮四分之一粗的超高分子量聚乙烯纖維，用剪刀都難以剪斷。加工完成的紡織物必須用特殊機器才能切割。8、UHMWPE 還具有優良的電氣絕緣性能。9、衛生無毒，可用於接觸食品和藥物。發展性該纖維已經廣泛應用於武器研發、航空航太、航海、電子、兵器、造船、建材、體育、醫療等諸多領域 。因此高性能纖維的發展是一個國家綜合實力的體現，也是建設現代化強國的重要物資基礎。概況目前超高分子量

10、聚乙烯纖在世界範圍內屬於稀缺物資，全世界年需求量約 5 萬噸，其中美國占 70%。但具備生產能力的僅有荷蘭帝斯曼公司（ DSM）、美國霍尼韋爾公司 (Honeywell)、日本東洋紡公司（ Toyobo）、日本三井石化公司，和中國的數家公司。全世界產量總和僅有 10000 噸左右。據專家預測，未來 10 年內超高分子量聚乙烯纖維每年的市場年需求量將在 10 萬噸以上，市場潛力巨大。儘管荷蘭帝斯曼公司、美國霍尼韋爾公司和日本三井公司近幾年多次增建擴產，產量以每年 8%以上的速度遞增，但仍不能滿足市場需求。UHMWPE 纖維編織體江蘇中益超高分子量聚乙烯碳納米管複合纖維ZY-102大 力馬 （ D

11、yneema ）纖 維：在 1979 年， 荷蘭 的皇 家 DSM 公 司研 發 出超強 纖維 Dyneema ， Dyneema 是超 高分 子量 聚乙 烯纖 維（ Ultra high molecular weight polyethylene ） ，一 般的 聚乙 烯材 料其 平均 分子 量為 2 到 30 萬 之間 ，而超高分子量聚乙烯纖維其分子量則高達 2至 6百萬，其單位質量的抗張強度約為鋼鐵的十五倍。其強韌的原理是因它是一種單向複合材料，由 數層 Dyneema 纖維 層構 成，每 層 纖維 的方 向均 與相 鄰層 中 的纖維相垂直。這種單向結構使其能將受子彈或其他武器衝擊的能量

12、，可更快和更高效率地沿著纖維分散開來。特性1.優越的機械剛度和韌度、抗極端溫度和濕度性能2.用於船舶防護的較好的水中浮動性。3.目前市場上最輕質的材料4.可為抵禦包括衝擊步槍和爆炸裝置在內的彈藥威脅提供強大的防護。5.與 Kevlar 材 料相 比 其重 量大 幅度 減輕 且具 有較 優的 抗水 與耐 紫 外線性。發展性大力馬(DYNEEMA)在所謂的高性能纖維中，截至目前為止，依然是最輕、最強的超高拉力高彈性纖維，優異的力學性質，加上拔群的抗紫外線能力，同時兼具耐化學浸蝕的安定性，是人類科技最先進的素材，全球唯有美、日、荷 製造生產，目前最常見於繩索、釣魚線。與其它纖維之比較輕韌無比與一般布

13、線、碳纖線、玻纖、鋼絲比較大力馬既輕又強韌，同樣直徑的細線材，自高空垂吊直到材料本身的重量拉斷測試用的線材時，大力馬之長度足足有鋼絲之八倍。在深海垂釣時，此一輕韌之特性，亦讓電動捲線器負荷減至最低。大力馬繩新式防彈衣液體防彈衣新式防彈衣的液體防彈衣 液體防彈衣採用美國陸軍研究實驗室和特拉華州立大學合成物質研究中心的科學家用新型奈米科技研製出來的剪切增稠液體(STF)，平時穿在身上就像普通衣服一樣，但在被子彈或炮彈碎片擊中的瞬間就能變成堅硬的防護物 。美英陸軍希望儘早在投入使用的新作戰服中加入這種液體防護材料，以抵禦反美武裝的 “路邊炸彈 ”。 剪切增稠液體能使織物變得無比強韌，可以抵禦尖釘、刺

14、刀和子彈的襲擊，同時又不改變織物的重量、舒適度和彈性。目前一種採用 STF 材料的防護衣已經過試驗，能夠防止炸彈碎片和低速子彈。液體防護衣分散了子彈產生的衝擊力製作液體凱芙拉防彈衣也非常容易，只需將這種液體浸透到凱芙拉所有材質層即可。凱芙拉防彈衣原有的纖維既可以固化 STF ，也可以提供額外的防護。含有STF 的防彈衣與傳統凱芙拉防彈衣一樣可以用水浸泡、摺疊或縫製。魏特茲爾博士透露，液體防彈衣的首要特點就是更為靈活輕巧，不會影響機動中單兵的任何戰術動作。這種最新防彈材料目前尚在實驗室研究後期階段 ，最新問世的一批產品首先用於製作士兵的防彈袖套和褲子。除此之外，輕質液體防彈衣還可成為運送彈藥的箱

15、具、防爆器材的理想製作材料。而且，它也可以用於一些特殊用途，如傘兵的跳傘靴，如果靴底用浸泡過，就能增強跳傘觸地時的減震性能。優點利用剪切增稠液體處理升級的新型防彈衣柔軟堅韌，可以製造連袖子帶褲腿的全套衣服，保護軍人的任何部位，無論人的身體如何彎曲防彈衣的防護性能都不會受損。至可以用在傘兵靴上，這種靴子在碰撞時可以變硬，從而保護傘兵的腳踝。2.該技術利用 STF 抗剪稠密液體 (當受到外壓時，分子會緊緊結合在一起)和凱芙拉縴維等增強材料。現在的軍用防彈衣非常厚重，限制了士兵的靈敏性，這會給阿富汗等戰爭地區帶來很大不便。3.這種新型液體防彈衣需要的材料更少，這意味著防彈衣會更薄、更輕，因此可以用它

16、包裹更大範圍的身體，而且士兵的靈活性不會受到太大幹擾。4.該技術與傳統的凱芙拉縴維防彈衣結合，會增強士兵作戰的靈活性，並使防彈衣的厚度減少多達 45%。測試過程中，科學家以每秒 300 多米的速度向兩種材料發射滾珠一種是 31 層厚的未經處理的凱芙拉縴維 ，另一種是 10 層凱芙拉縴維與抗剪稠密液體的結合物。佩尼說與這種液體結合的凱芙拉縴維的反應更快，而且撞擊點的深度更淺一些。傳統防彈衣是用很多層常規的凱芙拉縴維製成，非常厚重，會對士兵的行動產生干擾，使他們更易疲勞。5.液體防護衣里的液體與凱芙拉縴維結合后，它會對滾珠的運動產生干擾，分散了物體表面受到的衝擊力 。專家希望這項研究成果也可以應用

17、到其他的防護用品上。原理剪切增稠液體 ?其實是一種處在固液混合狀態的奈米粒子溶劑 ，很少存在於同一種物質中。利用它製造的防護服通常被叫做 ?液體裝甲 ?，?剪切增稠液體?滲入織物中，通常狀態下是以液態形式存在，但是，織物一旦受到衝擊、壓緊， ?剪切增稠液體 ?就變成堅硬的固體，使織物更強韌，難以被穿透。因此，利用 ?剪切增稠液體 ?製造的新型防彈衣，平時柔軟舒適，一旦遭到刀等利物砍、刺，或高速子彈、彈片衝擊，就在受到衝擊的瞬間變得堅韌無比，而且能將衝擊力沿織物迅速分散開來，大大降低單位面積的壓強。當衝擊力消失之後， ?剪切增稠液體 ?又恢復液體狀態，織物也重新變軟。不受衝擊：粒子互不干擾呈液態

18、，當運動緩慢時，硬質粒子能夠到處運動，因此剪切增稠液體呈現液態，但當運動迅速的時候 ，硬質粒子互相碰撞 ，阻礙了彼此的運動 ，因此剪切增稠液體變得強韌。當抗剪稠密液體受到衝擊時，組成這種材料的分子的結合方式，跟奶蛋糊類似。用湯匙攪動奶蛋糊的例子，是這項技術的最好解釋。湯匙攪奶蛋糊時，會感覺湯匙受到了阻力。當液體防護衣里的液體成分結合在一起時，你會感到明顯的阻力。你攪拌的越快，奶蛋糊變得就越硬，因此當子彈高速撞上該材料時，它會迅速變硬，吸收撞擊產生的衝擊力。英國科學家利用被戲稱為防彈奶蛋糊的物質，已經製成一種液體防護衣，這種防護衣在受壓後會自動變硬，吸收撞擊在它表面的彈片產生的衝擊力。研究人員把他們推導出來的一個秘密化學公式與傳統的凱芙拉縴維結合，製成這種 超級護甲。當這種衣物的粘性物質與傳統的凱芙拉縴維粘貼在一起，可以吸收子彈產生的衝擊力，並通過變稠，對撞擊做出反應。他們希望利用這種物質，為前線的士兵製作更輕、韌性更好和更有效的防護背心。專家之所以會將這種液體稱作防彈奶蛋糊，是因為它的分子的結合方式和變稠方式，跟攪拌中的甜點奶蛋糊一樣。發展性剪切增稠液體的用途非常廣泛，可以用於製造防護服、汽車裝甲、頭盔和手套，不但能夠為軍人和警察提供保護，也能為其他危險行業人員，如礦工、建築工人等提供更舒適的工作服。這種新型材料還可以被製成防爆毯，覆蓋在可疑包裹或未爆炸的軍火上，