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凱夫拉
Kevlar(對位芳綸)是一種強韌、耐熱的合成纖維,與其他芳綸(如Nomex和Technora)有關。1965年,杜邦公司的斯蒂芬妮·克沃萊克(Stephanie Kwolek)開發(fā),這種高強度材料于1970年代初 用于商業(yè)用途,作為賽車輪胎中鋼的替代品。它通常被紡成繩索或織物片,可以用作繩索或織物片,或用作復合材料成分的成分。
凱夫拉爾有許多應用,從自行車輪胎和賽車帆到防彈背心,所有這些都是由于其高抗拉強度重量比;按照這個標準,它的強度是鋼的五倍。[2]它還用于制作承受高沖擊的現(xiàn)代行進鼓頭;以及系泊纜繩和其他水下應用。
阿克蘇在1970年代開發(fā)了一種名為Twaron的類似纖維,具有相同的化學結構;Twaron于1986年開始商業(yè)生產(chǎn),由帝人生產(chǎn)。
歷史
聚對苯二酰胺 (K29) – 品牌為 Kevlar – 由美國化學家 Stephanie Kwolek 在杜邦公司工作時發(fā)明,當時預計會出現(xiàn)汽油短缺。1964 年,她的團隊開始尋找一種新的輕質強力纖維,用于制造輕質但堅固的輪胎。[7]她一直在研究的聚合物,聚對苯二甲酸對苯二甲酸酯和聚苯甲酰胺[8],在溶液中形成液晶,這在當時的聚合物中是 的。
溶液是“渾濁的,攪拌時呈乳白色,粘度低”,通常被扔掉。然而,Kwolek 說服了運行噴絲頭的技術人員 Charles Smullen 測試她的解決方案,并驚訝地發(fā)現(xiàn)纖維不會破裂,這與尼龍不同。她的主管和實驗室主任明白了她的發(fā)現(xiàn)的重要性,高分子化學這一新領域迅速出現(xiàn)。到 1971 年,引入了現(xiàn)代凱夫拉爾。[7]然而,Kwolek 并沒有積極參與開發(fā) Kevlar 的應用程序。
1971年,時任美國國家執(zhí)法與刑事司法研究所(National Institute for Law Enforcement and Criminal Justice)科學技術主任的萊斯特·舒賓(Lester Shubin)[10]建議用凱夫拉纖維代替防彈背心中的尼龍。[11]在凱夫拉爾(Kevlar)推出之前,由尼龍制成的防彈夾克為用戶提供的保護要有限得多。舒賓后來回憶起這個想法是如何形成的:“我們把它折疊了幾次,然后對著它射擊。子彈沒有穿過。在測試中,他們將凱夫拉爾綁在麻醉的山羊身上,并射擊它們的心臟,脊髓,肝臟和肺部。他們監(jiān)測山羊的心率和血氣水平,以檢查肺部損傷。24小時后,一只山羊死亡,其他山羊的傷口沒有生命危險。[12][13][需要驗證]舒賓獲得了500萬美元的資助,用于研究防彈背心中使用這種面料。
凱夫拉149是由杜邦的雅各布·拉希賈尼(Jacob Lahijani)在1980年代發(fā)明的
生產(chǎn)
凱夫拉爾是由單體 1,4-亞苯基二胺(對苯二胺)和對苯二甲酰氯在縮合反應中的溶液中合成的,產(chǎn)生鹽酸作為副產(chǎn)物。結果具有液晶行為,機械拉伸使聚合物鏈沿纖維的方向定向。六甲基磷酰胺 (HMPA) 是最初用于聚合的溶劑,但出于安全考慮,杜邦將其替換為 N-甲基吡咯烷酮和氯化鈣的溶液。由于阿克蘇(Akzo)在生產(chǎn)Twaron時已獲得該工藝的專利(見上文),因此隨之而來的是一場專利戰(zhàn)。[15]
凱夫拉纖維的生產(chǎn)成本高昂,因為使用濃硫酸會產(chǎn)生困難,而濃硫酸是在合成和紡絲過程中將水不溶性聚合物保持在溶液中的必要條件。[16]
有幾種等級的凱夫拉纖維可供選擇:
Kevlar K-29 – 在工業(yè)應用中,例如電纜、石棉替代品、輪胎和剎車片。
Kevlar K49 – 用于電纜和繩索產(chǎn)品的高模量。
凱夫拉 K100 – 凱夫拉的彩色版本
Kevlar K119 – 更高的伸長率、柔韌性和更抗疲勞性
Kevlar K129 – 更高的韌性,適用于防彈應用
Kevlar K149 – 用于彈道、裝甲和航空航天應用的 韌性[17][18]
Kevlar AP – 抗拉強度比 K-29 高 15%[19]
Kevlar XP – 重量更輕的樹脂和 KM2 加纖維組合[20]
Kevlar KM2 – 增強了裝甲應用的防彈性能[21]
陽光中的紫外線成分會降解和分解凱夫拉纖維,這是一個被稱為紫外線降解的問題,因此在沒有陽光保護的情況下,它很少在戶外使用。[22]
結構與性能
當凱夫拉紡絲時,所得纖維的拉伸強度約為 3,620 MPa (525,000 psi),[23] 相對密度為 1.44 (0.052 lb/in3)。聚合物的高強度歸功于許多鏈間鍵。這些分子間氫鍵在羰基和 NH 中心之間形成。額外的強度來自相鄰鏈之間的芳香族堆積相互作用。這些相互作用對凱夫拉爾的影響大于范德華相互作用和鏈長,范德華相互作用和鏈長通常會影響其他合成聚合物和纖維(如超高分子量聚乙烯)的性能。鹽和某些其他雜質(尤其是鈣)的存在可能會干擾鏈相互作用,因此應注意避免在其生產(chǎn)中夾雜。凱夫拉爾的結構由相對堅硬的分子組成,這些分子往往形成大部分平面片狀結構,更像絲蛋白。[24]
熱性能
凱夫拉纖維在低溫(-196°C(-320.8°F))下仍能保持其強度和彈性:事實上,它在低溫下略強。在較高的溫度下,抗拉強度立即降低約 10-20%,幾個小時后,強度逐漸進一步降低。例如:忍受160°C(320°F)500小時,其強度降低約10%;并承受 260 °C (500 °F) 70 小時,其強度降低約 50%。[25]
應用
科學
凱夫拉爾(Kevlar)通常用于低溫領域,因為它的導熱系數(shù)低,相對于其他用于懸浮目的的材料具有高強度。它最常用于將順磁性鹽外殼懸掛在超導磁芯軸上,以 程度地減少順磁性材料的任何熱量泄漏。它也被用作熱支架或結構支撐,用于需要低熱量泄漏的地方。
歐洲核子研究中心(CERN)的NA48實驗使用了一個薄的凱夫拉窗,在接近大氣壓的容器中分離真空容器和容器,兩者的直徑均為192厘米(76英寸)。該窗口提供了真空密封性,并結合了相當少量的材料(僅為輻射長度的0.3%至0.4%)。[需要引證]
保護
凱夫拉是個人盔甲的眾所周知的組成部分,例如戰(zhàn)斗頭盔、防彈面罩和防彈背心。美國 使用的 PASGT 頭盔和背心使用凱夫拉爾作為其結構的關鍵部件。其他軍事用途包括防彈面罩和用于保護裝甲戰(zhàn)車乘員的防剝落襯墊。尼米茲級航空母艦在重要區(qū)域使用凱夫拉加固。民用應用包括:消防員所穿的高耐熱制服、警察、保安和特警等警察戰(zhàn)術隊所穿的防彈衣。[26]
凱夫拉爾用于制造手套、袖子、夾克、夾克和其他衣物[27],旨在保護用戶免受割傷、擦傷和高溫。基于凱夫拉爾的防護裝備通常比由更傳統(tǒng)材料制成的等效裝備更輕、更薄。
它用于摩托車安全服,尤其是在肩膀和肘部等具有襯墊的區(qū)域。在擊劍運動中,它用于防護夾克、馬褲、塑料衫和面罩的圍兜。它越來越多地被用于 peto,這是一種帶襯墊的覆蓋物,可以保護斗牛場中 picadors 的馬匹。速滑運動員還經(jīng)常穿著凱夫拉織物的底層,以防止在跌倒或碰撞時溜冰鞋可能受傷。
運動
在弓道或日本射箭中,它可能用于弓弦,作為更昂貴的[28]大麻的替代品。它是滑翔傘懸掛線使用的主要材料之一。[29]它被用作一些自行車輪胎的內襯,以防止刺穿。在乒乓球比賽中,凱夫拉爾的層數(shù)被添加到定制的層狀葉片或槳中,以增加彈跳并減輕重量。網(wǎng)球拍有時用凱夫拉爾纖維串起來。它用于高性能賽艇的帆。
2013 年,隨著技術的進步,耐克 在鞋子中使用了 Kevlar。它推出了Elite II系列[30],通過在前部和鞋帶中使用Kevlar,對其早期版本的籃球鞋進行了改進。與傳統(tǒng)使用的尼龍相比,這樣做是為了降低鞋尖的彈性,因為凱夫拉纖維膨脹了約 1%,而尼龍膨脹了約 30%。該系列的鞋子包括 LeBron、HyperDunk 和 Zoom Kobe VII。然而,這些鞋子的價格范圍遠高于籃球鞋的平均成本。它還被用于阿迪達斯 F50 adiZero Prime 足球鞋的鞋帶。
包括 Continental AG 在內的幾家公司生產(chǎn)帶有 Kevlar 的自行車輪胎,以防止穿刺。[31]
1984年,湯姆·里奇(Tom Ritchey)在自行車運動中引入折疊胎圈自行車輪胎,[32][循環(huán)參考]使用凱夫拉(Kevlar)作為胎圈代替鋼,以減輕重量和增強強度。折疊胎圈的一個副作用是減少了在零售環(huán)境中展示自行車輪胎所需的架子和地板空間,因為它們被折疊并放置在小盒子中。
音樂
Kevlar 還被發(fā)現(xiàn)對揚聲器錐體具有有用的聲學特性,特別是對于低音和中音驅動單元。[33]此外,凱夫拉纖維還被用作光纖電纜的加強件,例如用于音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|。[34]
凱夫拉纖維可用作弦樂器弓上的聲學芯。[注35]凱夫拉爾的物理特性為弓的使用者提供了力量、柔韌性和穩(wěn)定性。迄今為止,這種弓的 制造商是 CodaBow。[36]
凱夫拉纖維目前也被用作尾繩(又名尾件調節(jié)器)的材料,尾繩將尾件連接到弓弦樂器的端銷。[注37]
凱夫拉爾有時被用作行進軍鼓的材料。它允許極高的張力,從而產(chǎn)生更清晰的聲音。通常將樹脂倒入凱夫拉爾纖維上,使頭部氣密,并采用尼龍頂層以提供平坦的打擊表面。這是行進軍鼓頭的主要類型之一。Remo 的 Falam Slam 貼片由 Kevlar 制成,用于加固打手敲擊的低音鼓頭。[注38]
Kevlar 用于 Fibracell 的木管樂器蘆葦。這些蘆葦?shù)牟牧鲜呛娇蘸教觳牧系膹秃喜牧?旨在復制大自然建造甘蔗蘆葦?shù)姆绞?。非常堅硬但吸音的凱夫拉纖維懸浮在輕質樹脂配方中。[注39]
汽車
凱夫拉爾有時用于汽車的結構部件,尤其是法拉利 F40 等高價值性能汽車。
短切纖維已被用作剎車片中石棉的替代品。[41]芳綸(如凱夫拉爾)釋放的空氣纖維比石棉制動器少,并且不具有與石棉相關的致癌特性。
其他用途
用于火舞道具的燈芯由復合材料制成,其中含有凱夫拉纖維。凱夫拉爾本身不能很好地吸收燃料,因此它與玻璃纖維或棉花等其他材料混合。凱夫拉爾的高耐熱性使燈芯可以多次重復使用。
凱夫拉爾有時在一些不粘煎鍋中用作特氟龍的替代品。[44]
凱夫拉纖維用于繩索和電纜,其中纖維在聚乙烯套管內保持平行。這些電纜已被用于懸索橋,例如蘇格蘭阿伯費爾迪的橋梁。它們還被用于穩(wěn)定開裂的混凝土冷卻塔,通過周向應用,然后張緊以封閉裂縫。凱夫拉爾被廣泛用作光纖電纜的保護外護套, 因為它的強度可以保護電纜免受損壞和扭結.當在此應用程序中使用時,它通常以商標名稱 Parafil 而聞名。[注45]
凱夫拉爾被佐治亞理工學院的科學家用作發(fā)電服裝實驗的基礎紡織品。這是通過將氧化鋅納米線編織到織物中來完成的。如果成功,新織物每平方米將產(chǎn)生約80毫瓦。[46]
超過 60,000 平方英尺(5,600 m2)的凱夫拉可伸縮屋頂是 1976 年夏季 會蒙特利爾奧林匹克體育場設計的關鍵部分。它非常不成功,因為它晚了 10 年完工,并在 10 年后的 1998 年 5 月在一系列問題后被替換。[47][48]
凱夫拉爾纖維可以作為橡膠波紋管、膨脹節(jié)和橡膠軟管中的增強層,用于高溫應用,并具有高強度。它也被發(fā)現(xiàn)作為編織層用于軟管組件的外部,以增加對尖銳物體的保護。[49][50][51]
一些手機(包括摩托羅拉 RAZR 系列、摩托羅拉 Droid Maxx、OnePlus 2 和 Pocophone F1)具有凱夫拉背板,由于其彈性和不受信號傳輸干擾,因此選擇它而不是碳纖維等其他材料。[52]
凱夫拉纖維/環(huán)氧樹脂基復合材料與其他纖維相比具有高比強度和輕質,可用于海流渦輪機 (MCT) 或風力渦輪機。[53]
復合材料
芳綸纖維廣泛用于增強復合材料,常與碳纖維和玻璃纖維結合使用。高性能復合材料的基體通常是環(huán)氧樹脂。典型應用包括一級方程式賽車的硬殼式車身、直升機旋翼葉片、網(wǎng)球、乒乓球、羽毛球和壁球拍、皮劃艇、板球棒以及曲棍球、冰球和棍網(wǎng)球棒。[54][55][56][57]
凱夫拉爾 149 是最堅固的纖維,結構最結晶,是飛機制造某些部分的替代品。[注59]機翼前緣是一種應用,凱夫拉纖維比碳纖維或玻璃纖維更不容易在鳥類碰撞中斷裂。
重量輕,性能高 — Kevlar Fiber
凱夫拉纖維用途廣泛且堅固,不僅僅是一系列線。杜 邦®™凱夫拉纖維用于各種服裝、配飾和設備,以幫助使它們更安全、更耐用。在同等重量的基礎上,它的強度是鋼的五倍,是防護服和配飾的 纖維。
凱夫拉纖維和長絲有多種類型,每種纖維都有自己獨特的性能和性能特征,可滿足不同的保護需求。
什麼是KEVLAR
杜邦™KEVLAR 是芳香族聚酰胺家族中的一種有機纖維。
全芳聚酰胺(芳綸)的獨特的性質及其獨特化學成分使它們 —
尤其是KEVLAR — 與其它商業(yè)化的人造纖維區(qū)分開來。
KEVLAR 具有獨特的高強度、高模量、高韌性,以及熱穩(wěn)
定性。它的開發(fā)是針對要求日益嚴苛的工業(yè)和高科技應用。
如今,許多種KEVLAR產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用在眾多行業(yè)。
本指南所涵蓋的內容主要包括KEVLAR 工業(yè)用紗的技術
信息,以及關於KEVLAR 短纖維的一些基本信息。如果您
需要瞭解其它任何信息,包括關於KEVLAR 的諸多應用
以及特定構成的信息,請您與您的杜邦銷售代表取得聯(lián)繫
KEVLAR® 的開發(fā)以及分子結構
在20世紀60年代中期,尼龍和聚酯代表了合成纖維的先進
水平。但是為達到最大韌性(斷裂強度)及初始模量,聚合物
分子必須呈伸展鏈結構,並且有幾乎完整的結晶堆砌。柔性
分子鏈的聚合物如尼龍和聚酯,只能在熔融紡絲之後通過
機械拉伸的方法才能夠達到此效果。由於這需要分子鏈在
固相解纏並進行取向,所以韌性和模量水平遠達不到理論上
的可能數(shù)值。
1965年,杜邦的科學家們發(fā)明了一種新的生產(chǎn)方法,照此方
法生產(chǎn)出的聚合物鏈幾乎具有完整的伸展性。他們發(fā)現(xiàn)由於
聚對苯甲酰胺分子主鏈具有簡單的重複性而能夠形成液晶
溶液。主鏈的結構要求主要是苯環(huán)的對位而形成棒狀的分子
結構。這些開發(fā)成果引導我們發(fā)展成為目前的KEVLAR®。
為了對液晶態(tài)的聚合物與柔性的可熔融聚合物之間的區(qū)別
進行闡述,我們可以設想當棒狀的聚合物分子溶解時將會
發(fā)生何種情況,而具有柔性鏈的分子溶解時又將發(fā)生何種
情況。對於具有柔性鏈的聚合物來說,在溶液中呈無規(guī)捲曲
的構型,即使提高此種聚合物的濃度,也不會提高有序性。
相反,對於剛性聚合物來說,當濃度增加時,棒狀結構將會
開始並排形成平行的排列結構。然後,內部聚合物分子鏈高
度有序排列的相疇出現(xiàn),而相疇與相疇之間是無規(guī)排列的。
液晶聚合物溶液受剪切時呈現(xiàn)出獨特的特征。這種特性為
纖維的生產(chǎn)和加工開闢了新的天地。當該溶液流經(jīng)噴絲頭
(噴嘴)時,在剪切力的作用下,那些無規(guī)取向的相疇將完全
沿著剪切的方向取向,並且呈現(xiàn)出幾乎完美的分子取向。
KEVLAR® 的由剪切引起的取向的鬆弛極其緩慢,因此這種
超分子結構在初生絲結構中幾乎完全保留下來。此過程是一
種新穎的、低能耗的形成高取向性聚合物分子的方法,可以
生產(chǎn)出非常強的纖維。
杜邦利用此技術開發(fā)出一種聚對苯二甲酰對苯二胺纖維,
此種纖維在1971年以KEVLAR® 命名商品化。
KEVLAR® 在FDA中的應用
食品及藥物管理局(FDA)針對KEVLAR® 的使用對食品添加劑
規(guī)範作出了補正。這些規(guī)範指出如今許多種類型的KEVLAR®
產(chǎn)品可以安全地使用,它們可以做為與食品反復接觸的器
具,或器具中的成分。為確定FDA規(guī)範中所包含的是哪些特
定的KEVLAR® 產(chǎn)品,請與您的杜邦銷售代表聯(lián)系。
水和pH值對KEVLAR® 的影響
水解及pH穩(wěn)定性
當KEVLAR® 接觸強酸和強堿時將會發(fā)生降解。在中性pH
值(pH值為7)下,纖維在149?F(65?C)溫度中暴露超過200
天時,其強力幾乎保持不變。pH值越是偏離pH7,強力的
損失就越大。偏離中性同等數(shù)值的pH值水平下,酸性條件比
堿性條件所造成的降解更為嚴重。
在不同pH值水平的飽和水蒸氣中也能觀察到類似的情況。
在309?F(154?C)溫度中暴露16個小時所得的結果表明,在pH6
到pH7時強度保持最大,而酸側的下降更為迅速(圖2.1)。
KEVLAR® 在飽和蒸汽中的抗水解性通過一個密封的試管
(“氣罐”)試驗測得。將一束KEVLAR® 紗線(1500旦尼爾)
保持在280?F(138?C)的pH7的飽和水蒸汽中放置不同長度的
時間。通過與室溫下測得的強度值比較來計算強度的損失
(圖2.2)。
回潮率
回潮率是指在某個給定的溫度和濕度水平下,大多數(shù)纖維
吸收周圍空氣中的水分或向周圍空間散發(fā)水分,直至達到
某個平衡含濕率時為止的特性。相對濕度(RH)對KEVLAR®
吸收水分的速度以及所達到的平衡水平有明顯的影響。相對
濕度越高,KEVLAR® 最初回潮吸收水分就越快,最終的
平衡水平也越高。
經(jīng)過干燥處理的KEVLAR® 紗線,其所達到的平衡含濕量水平
比沒有經(jīng)過干燥的來得要低。從圖2.3種可以看出KEVLAR®
29的這種變化。圖2.4說明了相對濕度對KEVLAR® 49的紗線
干燥紗線平衡含濕率的影響。此種關係在整個濕度範圍內呈
直線變化。
含濕率對KEVLAR® 的強伸性能基本沒有影響。
KEVLAR® 的熱性能
分解溫度
KEVLAR® 不會熔化;升溫速度為10?C/分鐘時,在空氣中的
分解溫度約427?C至482?C,而在氮氣下大約在538?C分解。
分解溫度隨不同的升溫速率和暴露時間而不同。
圖2.5和2.6分別給出了KEVLAR® 49在空氣中和在氮氣中的熱
失重分析曲線(TGA)。TGA曲線由一臺測量重量損失的儀器
測定,重量損失作為單位時間溫度升高的一個函數(shù)。此種
分析也可以在空氣或其它不同氣體中進行。
對於KEVLAR® 而言,當溫度升高時,重量將會立即下降,
這是由於水揮發(fā)的原因。然後此曲線將保持相對平坦,直至
發(fā)生分解時觀察到有明顯的重量損失。
高溫對強伸性能的影響
升高溫度將降低KEVLAR® 纖維以及其它有機纖維的模量、
抗張強度以及斷裂伸長率。當在300?F - 350?F(149?C至
177?C)或更高溫度下長期使用KEVLAR® 時,應將此因素
考慮在內。
圖2.7和2.8分別比較了高溫對KEVLAR® 和其它纖維的抗張
高溫對尺寸穩(wěn)定性的影響
當暴露在熱氣或熱水中時,KEVLAR ® 不像其它有機纖維
那樣將發(fā)生收縮。大多數(shù)其它纖維將會發(fā)生不可逆的收縮。
KEVLAR® 的纖維軸向方向的熱膨脹係數(shù)(CTE)非常小,且為
負值。KEVLAR® 的CTE值取決於測量技術、樣品的制備
以及測試方法(表II-4)。
燃燒熱值
KEVLAR® 的燃燒熱值通過愛默生氧彈式量熱計進行測量。
表II-5對KEVLAR® 的燃燒熱值與其它聚酰胺的燃燒熱值,以及
製備剛性複合材料的一種環(huán)氧樹脂的燃燒熱值進行了比較。
比熱
KEVLAR® 的比熱明顯受到溫度的影響。從圖2.9可以看出,
當溫度從32?F(0?C)上升到392?F(200?C)時,其比熱的增加
超過兩倍。溫度再上升時則趨向於緩和。
低溫條件的影響
暴露在極冷條件下時(-50?F[-46?C]),KEVLAR® 的強伸性能
不會受負面影響(表II-6)。在如此低的溫度下,模量增加以及
斷裂伸長率輕微下降是因為分子剛性稍有增加所致。
極冷條件的影響
KEVLAR® 在溫度低至-320?F(-196?C)時也不會發(fā)生脆化或
降解。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產(chǎn)生廢氣的特征
KEVLAR® 具有固有的難燃性,但是能夠點燃(極限氧指數(shù)
為29)。當火源撤走之後,通常情況下將停止燃燒;但若是
漿粕或其飛塵被點燃,則可能繼續(xù)陰燃。在實驗室測試中,
(表II-7),在接觸火源12秒之後撤走火源時,KEVLAR® 織物
將不會繼續(xù)燃燒。當織物厚度增加,余輝時間隨之延長,
但燃燒長度不會增加。不會產(chǎn)生任何“滴落物”,此類“滴落
物”將會使火焰?zhèn)鞑?這是其它有機纖維的一個常見問題。
KEVLAR® 不可用作燃料,任何情況下都不可以有意將其
燃燒。表II-8所給出的實驗室數(shù)據(jù)僅提供KEVLAR® 發(fā)生意外
燃燒時的重要信息。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產(chǎn)生廢氣的特征
KEVLAR® 燃燒時將產(chǎn)生與木材燃燒類似的氧化氣體 — 大
部分是二氧化碳、水以及氮的氧化物。但是也可能產(chǎn)生一氧
化碳、少量的氰化氫以及其它有毒氣體。KEVLAR ® 以及
其它纖維在燃燒不充分條件下所產(chǎn)生氣體的組成如表II-19
所示。如需更多詳細的信息,請參閱KEVLAR® 的材料安全
數(shù)據(jù)表(MSDS)。
強度及彈性模量的影響。
"
Kevlar(對位芳綸)是一種強韌、耐熱的合成纖維,與其他芳綸(如Nomex和Technora)有關。1965年,杜邦公司的斯蒂芬妮·克沃萊克(Stephanie Kwolek)開發(fā),這種高強度材料于1970年代初 用于商業(yè)用途,作為賽車輪胎中鋼的替代品。它通常被紡成繩索或織物片,可以用作繩索或織物片,或用作復合材料成分的成分。
凱夫拉爾有許多應用,從自行車輪胎和賽車帆到防彈背心,所有這些都是由于其高抗拉強度重量比;按照這個標準,它的強度是鋼的五倍。[2]它還用于制作承受高沖擊的現(xiàn)代行進鼓頭;以及系泊纜繩和其他水下應用。
阿克蘇在1970年代開發(fā)了一種名為Twaron的類似纖維,具有相同的化學結構;Twaron于1986年開始商業(yè)生產(chǎn),由帝人生產(chǎn)。
歷史
聚對苯二酰胺 (K29) – 品牌為 Kevlar – 由美國化學家 Stephanie Kwolek 在杜邦公司工作時發(fā)明,當時預計會出現(xiàn)汽油短缺。1964 年,她的團隊開始尋找一種新的輕質強力纖維,用于制造輕質但堅固的輪胎。[7]她一直在研究的聚合物,聚對苯二甲酸對苯二甲酸酯和聚苯甲酰胺[8],在溶液中形成液晶,這在當時的聚合物中是 的。
溶液是“渾濁的,攪拌時呈乳白色,粘度低”,通常被扔掉。然而,Kwolek 說服了運行噴絲頭的技術人員 Charles Smullen 測試她的解決方案,并驚訝地發(fā)現(xiàn)纖維不會破裂,這與尼龍不同。她的主管和實驗室主任明白了她的發(fā)現(xiàn)的重要性,高分子化學這一新領域迅速出現(xiàn)。到 1971 年,引入了現(xiàn)代凱夫拉爾。[7]然而,Kwolek 并沒有積極參與開發(fā) Kevlar 的應用程序。
1971年,時任美國國家執(zhí)法與刑事司法研究所(National Institute for Law Enforcement and Criminal Justice)科學技術主任的萊斯特·舒賓(Lester Shubin)[10]建議用凱夫拉纖維代替防彈背心中的尼龍。[11]在凱夫拉爾(Kevlar)推出之前,由尼龍制成的防彈夾克為用戶提供的保護要有限得多。舒賓后來回憶起這個想法是如何形成的:“我們把它折疊了幾次,然后對著它射擊。子彈沒有穿過。在測試中,他們將凱夫拉爾綁在麻醉的山羊身上,并射擊它們的心臟,脊髓,肝臟和肺部。他們監(jiān)測山羊的心率和血氣水平,以檢查肺部損傷。24小時后,一只山羊死亡,其他山羊的傷口沒有生命危險。[12][13][需要驗證]舒賓獲得了500萬美元的資助,用于研究防彈背心中使用這種面料。
凱夫拉149是由杜邦的雅各布·拉希賈尼(Jacob Lahijani)在1980年代發(fā)明的
生產(chǎn)
凱夫拉爾是由單體 1,4-亞苯基二胺(對苯二胺)和對苯二甲酰氯在縮合反應中的溶液中合成的,產(chǎn)生鹽酸作為副產(chǎn)物。結果具有液晶行為,機械拉伸使聚合物鏈沿纖維的方向定向。六甲基磷酰胺 (HMPA) 是最初用于聚合的溶劑,但出于安全考慮,杜邦將其替換為 N-甲基吡咯烷酮和氯化鈣的溶液。由于阿克蘇(Akzo)在生產(chǎn)Twaron時已獲得該工藝的專利(見上文),因此隨之而來的是一場專利戰(zhàn)。[15]
凱夫拉纖維的生產(chǎn)成本高昂,因為使用濃硫酸會產(chǎn)生困難,而濃硫酸是在合成和紡絲過程中將水不溶性聚合物保持在溶液中的必要條件。[16]
有幾種等級的凱夫拉纖維可供選擇:
Kevlar K-29 – 在工業(yè)應用中,例如電纜、石棉替代品、輪胎和剎車片。
Kevlar K49 – 用于電纜和繩索產(chǎn)品的高模量。
凱夫拉 K100 – 凱夫拉的彩色版本
Kevlar K119 – 更高的伸長率、柔韌性和更抗疲勞性
Kevlar K129 – 更高的韌性,適用于防彈應用
Kevlar K149 – 用于彈道、裝甲和航空航天應用的 韌性[17][18]
Kevlar AP – 抗拉強度比 K-29 高 15%[19]
Kevlar XP – 重量更輕的樹脂和 KM2 加纖維組合[20]
Kevlar KM2 – 增強了裝甲應用的防彈性能[21]
陽光中的紫外線成分會降解和分解凱夫拉纖維,這是一個被稱為紫外線降解的問題,因此在沒有陽光保護的情況下,它很少在戶外使用。[22]
結構與性能
當凱夫拉紡絲時,所得纖維的拉伸強度約為 3,620 MPa (525,000 psi),[23] 相對密度為 1.44 (0.052 lb/in3)。聚合物的高強度歸功于許多鏈間鍵。這些分子間氫鍵在羰基和 NH 中心之間形成。額外的強度來自相鄰鏈之間的芳香族堆積相互作用。這些相互作用對凱夫拉爾的影響大于范德華相互作用和鏈長,范德華相互作用和鏈長通常會影響其他合成聚合物和纖維(如超高分子量聚乙烯)的性能。鹽和某些其他雜質(尤其是鈣)的存在可能會干擾鏈相互作用,因此應注意避免在其生產(chǎn)中夾雜。凱夫拉爾的結構由相對堅硬的分子組成,這些分子往往形成大部分平面片狀結構,更像絲蛋白。[24]
熱性能
凱夫拉纖維在低溫(-196°C(-320.8°F))下仍能保持其強度和彈性:事實上,它在低溫下略強。在較高的溫度下,抗拉強度立即降低約 10-20%,幾個小時后,強度逐漸進一步降低。例如:忍受160°C(320°F)500小時,其強度降低約10%;并承受 260 °C (500 °F) 70 小時,其強度降低約 50%。[25]
應用
科學
凱夫拉爾(Kevlar)通常用于低溫領域,因為它的導熱系數(shù)低,相對于其他用于懸浮目的的材料具有高強度。它最常用于將順磁性鹽外殼懸掛在超導磁芯軸上,以 程度地減少順磁性材料的任何熱量泄漏。它也被用作熱支架或結構支撐,用于需要低熱量泄漏的地方。
歐洲核子研究中心(CERN)的NA48實驗使用了一個薄的凱夫拉窗,在接近大氣壓的容器中分離真空容器和容器,兩者的直徑均為192厘米(76英寸)。該窗口提供了真空密封性,并結合了相當少量的材料(僅為輻射長度的0.3%至0.4%)。[需要引證]
保護
凱夫拉是個人盔甲的眾所周知的組成部分,例如戰(zhàn)斗頭盔、防彈面罩和防彈背心。美國 使用的 PASGT 頭盔和背心使用凱夫拉爾作為其結構的關鍵部件。其他軍事用途包括防彈面罩和用于保護裝甲戰(zhàn)車乘員的防剝落襯墊。尼米茲級航空母艦在重要區(qū)域使用凱夫拉加固。民用應用包括:消防員所穿的高耐熱制服、警察、保安和特警等警察戰(zhàn)術隊所穿的防彈衣。[26]
凱夫拉爾用于制造手套、袖子、夾克、夾克和其他衣物[27],旨在保護用戶免受割傷、擦傷和高溫。基于凱夫拉爾的防護裝備通常比由更傳統(tǒng)材料制成的等效裝備更輕、更薄。
它用于摩托車安全服,尤其是在肩膀和肘部等具有襯墊的區(qū)域。在擊劍運動中,它用于防護夾克、馬褲、塑料衫和面罩的圍兜。它越來越多地被用于 peto,這是一種帶襯墊的覆蓋物,可以保護斗牛場中 picadors 的馬匹。速滑運動員還經(jīng)常穿著凱夫拉織物的底層,以防止在跌倒或碰撞時溜冰鞋可能受傷。
運動
在弓道或日本射箭中,它可能用于弓弦,作為更昂貴的[28]大麻的替代品。它是滑翔傘懸掛線使用的主要材料之一。[29]它被用作一些自行車輪胎的內襯,以防止刺穿。在乒乓球比賽中,凱夫拉爾的層數(shù)被添加到定制的層狀葉片或槳中,以增加彈跳并減輕重量。網(wǎng)球拍有時用凱夫拉爾纖維串起來。它用于高性能賽艇的帆。
2013 年,隨著技術的進步,耐克 在鞋子中使用了 Kevlar。它推出了Elite II系列[30],通過在前部和鞋帶中使用Kevlar,對其早期版本的籃球鞋進行了改進。與傳統(tǒng)使用的尼龍相比,這樣做是為了降低鞋尖的彈性,因為凱夫拉纖維膨脹了約 1%,而尼龍膨脹了約 30%。該系列的鞋子包括 LeBron、HyperDunk 和 Zoom Kobe VII。然而,這些鞋子的價格范圍遠高于籃球鞋的平均成本。它還被用于阿迪達斯 F50 adiZero Prime 足球鞋的鞋帶。
包括 Continental AG 在內的幾家公司生產(chǎn)帶有 Kevlar 的自行車輪胎,以防止穿刺。[31]
1984年,湯姆·里奇(Tom Ritchey)在自行車運動中引入折疊胎圈自行車輪胎,[32][循環(huán)參考]使用凱夫拉(Kevlar)作為胎圈代替鋼,以減輕重量和增強強度。折疊胎圈的一個副作用是減少了在零售環(huán)境中展示自行車輪胎所需的架子和地板空間,因為它們被折疊并放置在小盒子中。
音樂
Kevlar 還被發(fā)現(xiàn)對揚聲器錐體具有有用的聲學特性,特別是對于低音和中音驅動單元。[33]此外,凱夫拉纖維還被用作光纖電纜的加強件,例如用于音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娎|。[34]
凱夫拉纖維可用作弦樂器弓上的聲學芯。[注35]凱夫拉爾的物理特性為弓的使用者提供了力量、柔韌性和穩(wěn)定性。迄今為止,這種弓的 制造商是 CodaBow。[36]
凱夫拉纖維目前也被用作尾繩(又名尾件調節(jié)器)的材料,尾繩將尾件連接到弓弦樂器的端銷。[注37]
凱夫拉爾有時被用作行進軍鼓的材料。它允許極高的張力,從而產(chǎn)生更清晰的聲音。通常將樹脂倒入凱夫拉爾纖維上,使頭部氣密,并采用尼龍頂層以提供平坦的打擊表面。這是行進軍鼓頭的主要類型之一。Remo 的 Falam Slam 貼片由 Kevlar 制成,用于加固打手敲擊的低音鼓頭。[注38]
Kevlar 用于 Fibracell 的木管樂器蘆葦。這些蘆葦?shù)牟牧鲜呛娇蘸教觳牧系膹秃喜牧?旨在復制大自然建造甘蔗蘆葦?shù)姆绞?。非常堅硬但吸音的凱夫拉纖維懸浮在輕質樹脂配方中。[注39]
汽車
凱夫拉爾有時用于汽車的結構部件,尤其是法拉利 F40 等高價值性能汽車。
短切纖維已被用作剎車片中石棉的替代品。[41]芳綸(如凱夫拉爾)釋放的空氣纖維比石棉制動器少,并且不具有與石棉相關的致癌特性。
其他用途
用于火舞道具的燈芯由復合材料制成,其中含有凱夫拉纖維。凱夫拉爾本身不能很好地吸收燃料,因此它與玻璃纖維或棉花等其他材料混合。凱夫拉爾的高耐熱性使燈芯可以多次重復使用。
凱夫拉爾有時在一些不粘煎鍋中用作特氟龍的替代品。[44]
凱夫拉纖維用于繩索和電纜,其中纖維在聚乙烯套管內保持平行。這些電纜已被用于懸索橋,例如蘇格蘭阿伯費爾迪的橋梁。它們還被用于穩(wěn)定開裂的混凝土冷卻塔,通過周向應用,然后張緊以封閉裂縫。凱夫拉爾被廣泛用作光纖電纜的保護外護套, 因為它的強度可以保護電纜免受損壞和扭結.當在此應用程序中使用時,它通常以商標名稱 Parafil 而聞名。[注45]
凱夫拉爾被佐治亞理工學院的科學家用作發(fā)電服裝實驗的基礎紡織品。這是通過將氧化鋅納米線編織到織物中來完成的。如果成功,新織物每平方米將產(chǎn)生約80毫瓦。[46]
超過 60,000 平方英尺(5,600 m2)的凱夫拉可伸縮屋頂是 1976 年夏季 會蒙特利爾奧林匹克體育場設計的關鍵部分。它非常不成功,因為它晚了 10 年完工,并在 10 年后的 1998 年 5 月在一系列問題后被替換。[47][48]
凱夫拉爾纖維可以作為橡膠波紋管、膨脹節(jié)和橡膠軟管中的增強層,用于高溫應用,并具有高強度。它也被發(fā)現(xiàn)作為編織層用于軟管組件的外部,以增加對尖銳物體的保護。[49][50][51]
一些手機(包括摩托羅拉 RAZR 系列、摩托羅拉 Droid Maxx、OnePlus 2 和 Pocophone F1)具有凱夫拉背板,由于其彈性和不受信號傳輸干擾,因此選擇它而不是碳纖維等其他材料。[52]
凱夫拉纖維/環(huán)氧樹脂基復合材料與其他纖維相比具有高比強度和輕質,可用于海流渦輪機 (MCT) 或風力渦輪機。[53]
復合材料
芳綸纖維廣泛用于增強復合材料,常與碳纖維和玻璃纖維結合使用。高性能復合材料的基體通常是環(huán)氧樹脂。典型應用包括一級方程式賽車的硬殼式車身、直升機旋翼葉片、網(wǎng)球、乒乓球、羽毛球和壁球拍、皮劃艇、板球棒以及曲棍球、冰球和棍網(wǎng)球棒。[54][55][56][57]
凱夫拉爾 149 是最堅固的纖維,結構最結晶,是飛機制造某些部分的替代品。[注59]機翼前緣是一種應用,凱夫拉纖維比碳纖維或玻璃纖維更不容易在鳥類碰撞中斷裂。
重量輕,性能高 — Kevlar Fiber
凱夫拉纖維用途廣泛且堅固,不僅僅是一系列線。杜 邦®™凱夫拉纖維用于各種服裝、配飾和設備,以幫助使它們更安全、更耐用。在同等重量的基礎上,它的強度是鋼的五倍,是防護服和配飾的 纖維。
凱夫拉纖維和長絲有多種類型,每種纖維都有自己獨特的性能和性能特征,可滿足不同的保護需求。
什麼是KEVLAR
杜邦™KEVLAR 是芳香族聚酰胺家族中的一種有機纖維。
全芳聚酰胺(芳綸)的獨特的性質及其獨特化學成分使它們 —
尤其是KEVLAR — 與其它商業(yè)化的人造纖維區(qū)分開來。
KEVLAR 具有獨特的高強度、高模量、高韌性,以及熱穩(wěn)
定性。它的開發(fā)是針對要求日益嚴苛的工業(yè)和高科技應用。
如今,許多種KEVLAR產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用在眾多行業(yè)。
本指南所涵蓋的內容主要包括KEVLAR 工業(yè)用紗的技術
信息,以及關於KEVLAR 短纖維的一些基本信息。如果您
需要瞭解其它任何信息,包括關於KEVLAR 的諸多應用
以及特定構成的信息,請您與您的杜邦銷售代表取得聯(lián)繫
KEVLAR® 的開發(fā)以及分子結構
在20世紀60年代中期,尼龍和聚酯代表了合成纖維的先進
水平。但是為達到最大韌性(斷裂強度)及初始模量,聚合物
分子必須呈伸展鏈結構,並且有幾乎完整的結晶堆砌。柔性
分子鏈的聚合物如尼龍和聚酯,只能在熔融紡絲之後通過
機械拉伸的方法才能夠達到此效果。由於這需要分子鏈在
固相解纏並進行取向,所以韌性和模量水平遠達不到理論上
的可能數(shù)值。
1965年,杜邦的科學家們發(fā)明了一種新的生產(chǎn)方法,照此方
法生產(chǎn)出的聚合物鏈幾乎具有完整的伸展性。他們發(fā)現(xiàn)由於
聚對苯甲酰胺分子主鏈具有簡單的重複性而能夠形成液晶
溶液。主鏈的結構要求主要是苯環(huán)的對位而形成棒狀的分子
結構。這些開發(fā)成果引導我們發(fā)展成為目前的KEVLAR®。
為了對液晶態(tài)的聚合物與柔性的可熔融聚合物之間的區(qū)別
進行闡述,我們可以設想當棒狀的聚合物分子溶解時將會
發(fā)生何種情況,而具有柔性鏈的分子溶解時又將發(fā)生何種
情況。對於具有柔性鏈的聚合物來說,在溶液中呈無規(guī)捲曲
的構型,即使提高此種聚合物的濃度,也不會提高有序性。
相反,對於剛性聚合物來說,當濃度增加時,棒狀結構將會
開始並排形成平行的排列結構。然後,內部聚合物分子鏈高
度有序排列的相疇出現(xiàn),而相疇與相疇之間是無規(guī)排列的。
液晶聚合物溶液受剪切時呈現(xiàn)出獨特的特征。這種特性為
纖維的生產(chǎn)和加工開闢了新的天地。當該溶液流經(jīng)噴絲頭
(噴嘴)時,在剪切力的作用下,那些無規(guī)取向的相疇將完全
沿著剪切的方向取向,並且呈現(xiàn)出幾乎完美的分子取向。
KEVLAR® 的由剪切引起的取向的鬆弛極其緩慢,因此這種
超分子結構在初生絲結構中幾乎完全保留下來。此過程是一
種新穎的、低能耗的形成高取向性聚合物分子的方法,可以
生產(chǎn)出非常強的纖維。
杜邦利用此技術開發(fā)出一種聚對苯二甲酰對苯二胺纖維,
此種纖維在1971年以KEVLAR® 命名商品化。
KEVLAR® 在FDA中的應用
食品及藥物管理局(FDA)針對KEVLAR® 的使用對食品添加劑
規(guī)範作出了補正。這些規(guī)範指出如今許多種類型的KEVLAR®
產(chǎn)品可以安全地使用,它們可以做為與食品反復接觸的器
具,或器具中的成分。為確定FDA規(guī)範中所包含的是哪些特
定的KEVLAR® 產(chǎn)品,請與您的杜邦銷售代表聯(lián)系。
水和pH值對KEVLAR® 的影響
水解及pH穩(wěn)定性
當KEVLAR® 接觸強酸和強堿時將會發(fā)生降解。在中性pH
值(pH值為7)下,纖維在149?F(65?C)溫度中暴露超過200
天時,其強力幾乎保持不變。pH值越是偏離pH7,強力的
損失就越大。偏離中性同等數(shù)值的pH值水平下,酸性條件比
堿性條件所造成的降解更為嚴重。
在不同pH值水平的飽和水蒸氣中也能觀察到類似的情況。
在309?F(154?C)溫度中暴露16個小時所得的結果表明,在pH6
到pH7時強度保持最大,而酸側的下降更為迅速(圖2.1)。
KEVLAR® 在飽和蒸汽中的抗水解性通過一個密封的試管
(“氣罐”)試驗測得。將一束KEVLAR® 紗線(1500旦尼爾)
保持在280?F(138?C)的pH7的飽和水蒸汽中放置不同長度的
時間。通過與室溫下測得的強度值比較來計算強度的損失
(圖2.2)。
回潮率
回潮率是指在某個給定的溫度和濕度水平下,大多數(shù)纖維
吸收周圍空氣中的水分或向周圍空間散發(fā)水分,直至達到
某個平衡含濕率時為止的特性。相對濕度(RH)對KEVLAR®
吸收水分的速度以及所達到的平衡水平有明顯的影響。相對
濕度越高,KEVLAR® 最初回潮吸收水分就越快,最終的
平衡水平也越高。
經(jīng)過干燥處理的KEVLAR® 紗線,其所達到的平衡含濕量水平
比沒有經(jīng)過干燥的來得要低。從圖2.3種可以看出KEVLAR®
29的這種變化。圖2.4說明了相對濕度對KEVLAR® 49的紗線
干燥紗線平衡含濕率的影響。此種關係在整個濕度範圍內呈
直線變化。
含濕率對KEVLAR® 的強伸性能基本沒有影響。
KEVLAR® 的熱性能
分解溫度
KEVLAR® 不會熔化;升溫速度為10?C/分鐘時,在空氣中的
分解溫度約427?C至482?C,而在氮氣下大約在538?C分解。
分解溫度隨不同的升溫速率和暴露時間而不同。
圖2.5和2.6分別給出了KEVLAR® 49在空氣中和在氮氣中的熱
失重分析曲線(TGA)。TGA曲線由一臺測量重量損失的儀器
測定,重量損失作為單位時間溫度升高的一個函數(shù)。此種
分析也可以在空氣或其它不同氣體中進行。
對於KEVLAR® 而言,當溫度升高時,重量將會立即下降,
這是由於水揮發(fā)的原因。然後此曲線將保持相對平坦,直至
發(fā)生分解時觀察到有明顯的重量損失。
高溫對強伸性能的影響
升高溫度將降低KEVLAR® 纖維以及其它有機纖維的模量、
抗張強度以及斷裂伸長率。當在300?F - 350?F(149?C至
177?C)或更高溫度下長期使用KEVLAR® 時,應將此因素
考慮在內。
圖2.7和2.8分別比較了高溫對KEVLAR® 和其它纖維的抗張
高溫對尺寸穩(wěn)定性的影響
當暴露在熱氣或熱水中時,KEVLAR ® 不像其它有機纖維
那樣將發(fā)生收縮。大多數(shù)其它纖維將會發(fā)生不可逆的收縮。
KEVLAR® 的纖維軸向方向的熱膨脹係數(shù)(CTE)非常小,且為
負值。KEVLAR® 的CTE值取決於測量技術、樣品的制備
以及測試方法(表II-4)。
燃燒熱值
KEVLAR® 的燃燒熱值通過愛默生氧彈式量熱計進行測量。
表II-5對KEVLAR® 的燃燒熱值與其它聚酰胺的燃燒熱值,以及
製備剛性複合材料的一種環(huán)氧樹脂的燃燒熱值進行了比較。
比熱
KEVLAR® 的比熱明顯受到溫度的影響。從圖2.9可以看出,
當溫度從32?F(0?C)上升到392?F(200?C)時,其比熱的增加
超過兩倍。溫度再上升時則趨向於緩和。
低溫條件的影響
暴露在極冷條件下時(-50?F[-46?C]),KEVLAR® 的強伸性能
不會受負面影響(表II-6)。在如此低的溫度下,模量增加以及
斷裂伸長率輕微下降是因為分子剛性稍有增加所致。
極冷條件的影響
KEVLAR® 在溫度低至-320?F(-196?C)時也不會發(fā)生脆化或
降解。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產(chǎn)生廢氣的特征
KEVLAR® 具有固有的難燃性,但是能夠點燃(極限氧指數(shù)
為29)。當火源撤走之後,通常情況下將停止燃燒;但若是
漿粕或其飛塵被點燃,則可能繼續(xù)陰燃。在實驗室測試中,
(表II-7),在接觸火源12秒之後撤走火源時,KEVLAR® 織物
將不會繼續(xù)燃燒。當織物厚度增加,余輝時間隨之延長,
但燃燒長度不會增加。不會產(chǎn)生任何“滴落物”,此類“滴落
物”將會使火焰?zhèn)鞑?這是其它有機纖維的一個常見問題。
KEVLAR® 不可用作燃料,任何情況下都不可以有意將其
燃燒。表II-8所給出的實驗室數(shù)據(jù)僅提供KEVLAR® 發(fā)生意外
燃燒時的重要信息。
KEVLAR® 的可燃性、煙氣以及所產(chǎn)生廢氣的特征
KEVLAR® 燃燒時將產(chǎn)生與木材燃燒類似的氧化氣體 — 大
部分是二氧化碳、水以及氮的氧化物。但是也可能產(chǎn)生一氧
化碳、少量的氰化氫以及其它有毒氣體。KEVLAR ® 以及
其它纖維在燃燒不充分條件下所產(chǎn)生氣體的組成如表II-19
所示。如需更多詳細的信息,請參閱KEVLAR® 的材料安全
數(shù)據(jù)表(MSDS)。
強度及彈性模量的影響。
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