Главная Отчетность

Кевлар – ткань для героев. Кевларовая ткань Что такое кевлар и откуда он пришел

Высокопрочное волокно элегантно вписалось в современную жизнь. Немногие знают, что именно представляет собой данное химическое соединение. Материал, изначально синтезированный для шин автомобилей, быстро распространился, найдя свою нишу в других сферах. Впрочем, обо всем по порядку.

Кто изобрел кевлар?

Впервые синтез был произведен в 1965 году сотрудницей химического концерна Dupont Стефани Кволек. Она занималась пара-арамидами. Очередным заданием было получить прочные полимерные нити, чтобы заменить корд из стали в шинах автомобилей.

Кволек решила изменить технологию, применив раствор пара-арамида, а не цельное вещество. Внешний вид получившейся субстанции не отвечал никаким требованиям. Инженер отказывался заливать в машину мутный раствор, напоминающий самогон, вместо темной патоки. Но женщина смогла убедить его пойти на эксперимент.

Удивлению химиков не было предела: оборудование беспрепятственно вытягивало нить. Когда пришли результаты тестирования получившейся пряжи, Стефани решила, что прибор вышел из строя, так как высокие цифры не свойственны синтетическим полимерам. Но, повторные исследования твердили свое – по прочности вещество превосходит сталь.

Какими свойствами обладает материал кевлар?

Цель достигнута! Пряжа заменит тяжелый металлический сплав в шинах. Дальнейшие исследования принесли еще больше приятных неожиданностей.

Оказалось, качества нитей ухудшаются только под постоянным действием высоких температур. При температуре 160 градусов, прочность начнет сокращаться на 10-20 %, через 20 суток. Чтобы полимер подвергся разложению, необходима температура свыше 430 градусов. Низкие температуры только увеличивают показатели прочности и эластичности волокна.

Помимо этого, материал имеет следующие характеристики:

небольшой вес и маленькая плотность – метр кевларовой ткани весит до 60 г;
стойкость к действию растворителей;
низкая электропроводность;
устойчивость к коррозии;
стойкость к механическому воздействию.

Наряду с преимуществами, есть небольшие недостатки:

впитывание влаги и подверженность ее влиянию;
снижение эксплуатационных свойств, при воздействии ультрафиолета.

Углеволокно превосходит кевлар по показателям прочности и устойчивости к температурам. Попытки объединить эти два материала, привели к отрицательным последствиям. Такие ткани потяжелели, стали восприимчивее к воде, потеряли прочность.

Где применяется кевлар?

Волокно используют в различных целях и сферах:

изготовление шин и кузовов автомобилей;
укрепление кабелей (медных и оптоволоконных);
кораблестроение;
космическая и авиационная промышленность;
изготовление ортопедических изделий;
спортивный инвентарь;
одежда;
музыкальные инструменты;
средства защиты для силовых подразделений, военных, работников (при выполнении должностных обязанностей в экстремальных условиях).

Какая изготавливается одежда из кевлара?

Различную спецодежду и спортивную форму усиливают отдельными нитями.

Тактические перчатки из кевлара являются потомком кастета. Они обеспечат сокрушающий удар и сохранят руку от повреждений. Изделия популярны у бойцов и гражданского населения. Их эффективно одевать при работе в условиях высокой температуры, с металлами, острыми предметами.

Производится усиление наколенников и налокотников. Страйкболисты применяют футболки со вставками, мотоциклисты – носят волокнистые шлемы. Незаменимым помощником для работы лесорубов станет куртка из кевлара. Любой одежде можно придать дополнительной прочности, но эти варианты наиболее распространены.

Разработка средств защиты от огнестрельного оружия проводилась в четыре этапа. Сначала, выясняли способность волокна на выполнение этой миссии. Затем, рассчитывали количество слоев, необходимых для защиты от пуль различных калибров, выпущенных с различного расстояния. Первая модель появилась в 1973 году. Всплыли все недостатки волокна. Завершающим этапом стала разработка бронежилета из кевлара, устойчивого к влаге и ультрафиолету.

Судостроение

Авиационная промышленность

Температурные свойства

Теги: Кевлар, изготовитель кевлара, производство кевлара, кевлар, производитель кевлара, военные типа кевлара, баллистические кевлар, пулестойкость кевлара, защитные свойства кевлара, Арамидная ткань, арамидные ткани, гибридные ткани, арамиды Кевлар идет на конвейерные ленты арамидные ткани для пожарной одежды
Кевлар на бронежилеты

Сегодня Кевлар применяется в производстве продукции, требующей высоких показателей износостойкости материалов: альпинистские верёвки, оттяжки, шлемы, верх обуви, рюкзаки, лыжи, перчатки, а так же для изготовления спецодежды. Волокно Кевлар имеет небольшой вес и высокую стойкость к различного рода воздействиям. Обладает такими свойствами, как негорючесть и термостойкость. По данным, разработчиков, волокна Кевлар при равном весе в пять раз прочнее стали.

На фотографии пуля не смогла пробить арамидные ткани (кевлар).

Широкое использование кевлара находит:

Детская спортивная одежда, хоккейная форма.
Вкладыши в одежду в места повышенного износа.
Вкладыши в места вероятных трамв (колени, локти),
вероятные места поражения ножом (корманы, живот).
Хорошая защита от травматики (травматического оружия)
при конфликтах на дорогах.

Лучшая защита от пореза.
Перчатки, мотоциклетная, байкерская отдежда.
Хорошо идет даже на мощные музыкальные динамики и пожарную форму так как не горит.

Изначально материал разрабатывался для армирования автомобильных шин, в этом качестве он используется и теперь. Кроме того, кевлар используют как армирующее волокно в композитных материалах, которые получаются прочными и лёгкими.

Кевлар используется для армирования медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп.

Кевларовое волокно также используется в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям, из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для мотоспорта, сноубординга и т.п.).

В спецодежде ткань с кевларовым волокном используют в основном для усиливающих накладок в области колен (наколенники) и области локтей. Т.к. кевларовая ткань имеет высоки показатели на истираемость, то в её используют в одежде в тех местах где больше всего нагрузка на истираемость, порезы и проколы.

Структура кевлара. Высокая степень упорядоченности полимера и прочность обеспечиваются межмолекулярными водородными связями.

Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления пуленепробиваемых жилетов. Это одно из самых известных применений кевлара.

В 1970-е годы одним из наиболее значительных достижений в разработке бронежилетов стало применение армирующего волокна из кевлара. Разработка бронежилета из кевлара Национальным институтом правосудия (National Institute of Justice) происходила в течение нескольких лет в четыре этапа. На первом этапе волокно тестировалось, чтобы определить, способно ли оно остановить пулю. Второй этап заключался в определении количества слоев материала, необходимого для предотвращения пробивания пулями различного калибра и летящими с разной скоростью, и разработке прототипа жилета, способного защищать сотрудников от наиболее распространенных угроз: пуль калибра.38 Special и.22 Long Rifle. К 1973 году был разработан жилет из семи слоев волокна из кевлара для полевых испытаний.

Судостроение

В последнее десятилетие кевлар получил распространение в судостроении. Из-за технологических сложностей и цены на кевлар, его применяют выборочно. Например, только в килевой части или по швам. Многие производители (такие, как верфи BAIA Yachts, Blue water, Danish yacht, Zeelander Yachts), делая в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование кевлара. Лидером в производстве яхт из кевлара считается Итальянская верфь Cranchi, которая производит яхты из кевлара размером от 11 до 21 метра.

Авиационная промышленность

Кевлар применяется в конструкции ряда беспилотных летательных аппаратов (например, RQ-11) для повышения защиты.

Температурные свойства

Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196 °C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.

При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430—480 °C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры

Кевлар является зарегистрированным товарным знаком пара-арамидного синтетического волокна, он принадлежит к обширной группе арамидных волокон, таких как Nomex и Technora. Разработанный специалистами в компании DuPont в 1965 году, этот высокопрочный материал был впервые коммерциализирован в начале 1970-х годов и использовался в качестве замены стали в гоночных шинах. Как правило, кевлар распространяется в форме тросов или ткани, которая может быть использована самостоятельно или в качестве элемента в составных композитных материалах.

В настоящее время кевлар имеет множество применений, начиная от велосипедных шин и парусов яхт и прочих судов до бронежилетов (из-за высокого отношения прочности на растяжение к весу; по этому показателю кевлар в 5 превосходит сталь). Он также используется протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп. Из кевлара делают диффузоры акустических динамиков.

Аналогичное волокно, которое называлось Twaron, с примерно такой же химической структурой было разработано специалистами компании Akzo в 70-х годах прошлого века, его коммерческое производство началось в 1986 году. В настоящее время волокно Twaron производит компания Teijin.

Полипарафенилентерефталамид - который и продается под брендом кевлар - был изобретен американским химиком польского происхождения Стефани Кволек во время ее работы в DuPont. Причиной начала разработки нового вещества стал назревавший в то время дефицит бензина. В 1964 году группа Кволек начала поиски нового легкого и прочного волокна для использования в легких, но при этом прочных шинах. В то время она работала с рядом полимеров - полибензамидом и поли/п-фенилен терефталатом. На базе этих компонентов исследовательница смогла получить волокно, которое, в отличие от нейлона, не являлось ломким. Уже к 1971 году был получен современный образец кевлара. Тем не менее, Кволек не принимала активного участия в разработке изделий из кевлара и способов его применения.

1 История
2 Производство
3 Структура и свойства
4 Тепловые свойства
5 Применения
5.1 Защита
5.1.1 Криогеника
5.1.2 Броня
5.1.3 Средства индивидуальной защиты
5.2 Спортивный инвентарь
5.2.1 Обувь
5.3 Музыка
5.3.1 Звуковое оборудование
5.3.2 Струны
5.3.3 Барабаны
5.4 Другие области применения
5.4.1 Танцы с огнем
5.4.2 Сковороды
5.4.3 Веревки, кабели, оболочки
5.4.4 Выработка электроэнергии
5.4.5 Строительство зданий
5.4.6 Тормоза
5.4.7 Температурные компенсаторы и шланги
5.4.8 Физика элементарных частиц
5.4.9 Смартфоны
6 Композитные материалы

Производство

Кевлар синтезируется в растворе из мономеров фенилен-1.4-диамина (пара-фенилендиамин) и терефталоилхлорида при помощи реакции конденсации. Соляная кислота является в данном случае побочным продуктом. В результате получается вещество с особенностями жидких кристаллов, полимерные цепи которого ориентируются в одном направлении, что позволяет сформировать прочное волокно. Первоначально в качестве растворителя для полимеризации использовался гексаметилфосфорамид (ГМФА), но по соображениям безопасности специалисты DuPont заменили его раствором N-метил-пирролидона и хлористого кальция. Поскольку данный техпроцесс уже был запатентован компанией Akzo (см. выше) для производства Twaron, данный шаг DuPont послужил причиной начала судебного разбирательства в области патентного права.

Реакция фенилен-1.4-диамина (пара-фенилендиамин) и терефталоилхлорида, результатом которой является кевлар

Производство кевлара (полипарафенилентерефталамида) является относительно дорогостоящим процессом из-за трудностей, связанных с использованием концентрированной серной кислоты, необходимой для поддержания нерастворимого в воде полимера в растворе в процессе его синтеза и образования волокон.

Доступно несколько сортов кевлара:

Кевлар K-29 - применяется в промышленных приложениях, таких как кабели, заменители асбеста, тормозные колодки, броня для тела / транспортного средства;

Кевлар K49 - материал с высоким модулем упругости, который используются при создании кабелей и веревок;

Кевлар K100 - цветная версия кевлара;

Кевлар K119 - обладает высоким удлинением, гибкостью и относительно высокой усталостной прочностью;

Кевлар K129 - характеризуется более высокой прочностью, по сравнению со стандартным кевларом; широко используется для баллистических приложений;

Кевлар AP - прочность на растяжение на 15% выше, чем у K-29;

Кевлар XP - комбинация легковесной смолы и волокон KM2;

Кевлар KM 2 - улучшенные баллистические характеристики, применяется при создании брони.

Воздействие ультрафиолетовой составляющей солнечного света ведет к деградации и распаду кевлара. Поэтому он редко используется на открытом воздухе без защиты от солнечных лучей.

Структура и свойства

После образования волокон кевлара их прочность на растяжение составляет около 3620 МПа, а относительная плотность 1,44. Своей высокой прочностью полимер обязан множеству связей между мономерами. Эти связи имеют большее влияние свойства на кевлара, чем ван-дер-ваальсовы силы и длина цепи, которые обычно влияют на свойства других синтетических полимеров и волокон, таких как Dyneema. Наличие солей и некоторых других примесей, особенно кальция, может повлиять на свойства конечного продукта, и при производстве стараются избежать включения примесей в состав кевлара.

Тепловые свойства

Кевлар сохраняет прочность и упругость до криогенных температур (-196 ° C). На самом деле при низких температурах он становится немного прочнее. При более высоких температурах прочность на растяжение сразу же уменьшается примерно на 10-20%, а через несколько часов непрерывного теплового воздействия прочность на растяжения снижается еще сильнее. Например, при 160 ° C (320 ° F) снижение прочности на 10% происходит примерно после 500-часового теплового воздействия. При 260 ° C (500 ° F) 50%-ное снижение прочности происходит после 70 часов воздействия источника тепла.

Применения

Защита

Криогеника (физика низких температур)

Кевлар часто используется в области физики низких температур. Это обусловлено его низкой теплопроводностью и высокой прочностью по сравнению с другими материалами, которые применяются для создания подвесов. Чаще всего кевлар используется для отделения емкости с парамагнитными солями от сердечника сверхпроводящего магнита для того, чтобы свести к минимуму утечки тепла в парамагнитный материал. Он также используется при создании [конструктивных] элементов жесткости или структурной поддержки для объектов, где требуются низкие утечки тепла.

Броня

Кевлар является довольно известным и популярным компонентом личной брони, такой как боевые шлемы, баллистические маски для защиты лица и баллистические жилеты. В качестве ключевого компонента шлема и бронежилета типа PASGT и их аналогов, которые используется вооруженными силами Соединенных Штатов с 1980 года, выступает кевлар. Другие военные применения включают пуленепробиваемые маски, которые используются караульными, и подшлемники, которые используются для защиты экипажей бронетанковой техники. Даже в авианосцах класса "Нимиц" броня из кевлара используется вдоль жизненно важных пространств. Если рассматривать гражданское применение материала, необходимо отметить, что он используется в снаряжении для защиты работников органов экстренного реагирования, если сфера их деятельности подразумевает контакты с объектами, имеющими высокую температуру (например, борьба с огнем). К данной области также относятся бронежилеты из кевлара, которыми пользуются сотрудники полиции, сил собственной безопасности частных организаций и бойцы спецназа.

Средства индивидуальной защиты

Кевлар используется для изготовления перчаток, рукавов, курток, ковбойских "наштанников" и других элементов одежды, которые предназначены для защиты пользователей от порезов, ссадин и воздействия тепла. Защитное снаряжение из кевлара зачастую значительно легче и тоньше, чем аналоги, которые сделаны из более традиционных материалов.

Спортивный инвентарь

Он используется в качестве внутренней обкладки для некоторых велосипедных шин, что ведет к предотвращению проколов. В настольном теннисе слои кевлара добавляются на ракетки, чтобы увеличить отскок и добиться снижения веса. Он используется при производстве безопасной одежды для мотоциклистов, особенно в элементах защиты плеч и локтей. В Кюдо - японское искусство стрельбы из лука - волокна кевлара могут использоваться при создании тетивы. В данном случае материал выступает в качестве альтернативы более дорогим волокнам конопли. Этот материал наиболее часто используется при создании несущих тросов для парапланов. В фехтовании он используется для создания защитных курток, брюк, нагрудников и элементов масок. Теннисные ракетки зачастую также содержат элементы из кевлара. Он используется даже в парусах для гоночных лодок с высокой производительностью. Кевлар все чаще используется в "пето" - мягком покрытии, которое защищает лошадей пикадоров на арене.

Обувь

Впервые в обувной индустрии достижениями в области технологии создания продуктов на базе кевлара воспользовалась компания Nike. Ее специалисты применили кевлар в серии кроссовок Elite Series II (усовершенствованный вариант более ранней версии баскетбольных кроссовок). Это было сделано для уменьшения эластичности носка обуви. Ранее для этой цели применялся нейлон, но кевлар расширялся примерно на 1% по сравнению с нейлоном, который расширился примерно на 30%. Подобную обувь компания сейчас выпускает под марками LeBron, HyperDunk и Zoom Kobe VII. Однако эти кроссовки были представлены в ценовом диапазоне, который намного выше, чем средняя стоимость баскетбольной обуви.

Кевлар также использовался в качестве нашивок для контроля скорости в некоторых моделях Soap Shoes, а также послужил в качестве материала для шнурков футбольных бутс премиум-класса Adidas F50 adiZero Prime.

Музыка

Звуковое оборудование

Также было установлено, что кевлар имеет полезные акустические свойства. В настоящее время ткани на его основе применяются при создании диффузоров акустических динамиков (низких и средних частот). Кроме того, кевлар используется в качестве силового элемента в волоконно-оптических кабелях, таких как те, которые используются для передачи аудио данных.

Струны

Кевлар можно использовать в качестве акустического ядра в струнах для струнных инструментов. Физические свойства кевлара придают струнам прочность, гибкость и стабильность. На сегодняшний день единственным производителем этого вида струн является компания CodaBow.

Барабаны

Иногда кевлар используется в качестве материала для маршевых малых барабанов (со струнами вдоль нижней мембраны). Его использование позволяет добиться очень высокого натяжения, в результате чего на выходе имеем довольно чистый звук. Как правило, кевлар покрывают слоем смолы для герметичности, а поверх добавляется слой нейлона, чтобы обеспечить плоскую ударную поверхность.

Другие области применения

Танцы с огнем

Фитили для реквизита танцев с огнем создаются из композитных материалов, в которых содержится кевлар. Кевлар сам по себе плохо впитывает горючие вещества, поэтому его смешивают с другими материалами, такими как стекловолокно или хлопок. Высокая термостойкость позволяет повторно использовать фитили из кевлара довольно много раз.

Сковороды

Иногда кевлар используется в качестве заменителя тефлонового покрытия некоторыми производителями антипригарных сковород.

Веревки, кабели, оболочки

Кевлар используется в плетеных канатах и кабелях, где волокна из кевлара группируются параллельно, а с внешней стороны покрываются полиэтиленовой оболочкой. Кабели используются в подвесных мостах. Кевлар широко используется в качестве защитной внешней оболочкой для волоконно-оптического кабелей (материал защищает кабель от повреждения и перекручивания).

Плетеные оболочки из кевлара производят следующие компании:

A.W. Chesterton Company (chesterton.com). Ее продукт под маркой Chesterton 1740 является промежуточной оплеткой из кевларового волокна и политетрафторэтилена (тефлон, ПТФЭ). Основные характеристики Chesterton 1740: температурные пределы - 260 °C (500 °F), химическая стойкость - рН 4-11, предел по давлению 20 бар/г (300 фунтов на квадратный дюйм). Каждая нить волокна индивидуально покрывается ПТФЭ для того, чтобы лучше рассеивать тепло. Производитель Chesterton 1740 предлагает различные комбинации компонентов промежуточной оплетки, что позволяет добиться нужного сопротивления давлению, воздействию температуре, химических веществ и износа.

Компания Diflon (diflo n.it) предлагает плетеные оболочки KV series (-100 - 400 °C; 50 - 100 бар), состоящие из кевларового волокна и политетрафторэтилена. Оболочки отличаются повышенной термостойкостью. Эта оболочка не окрашивает прилегающие поверхности, имеет низкий коэффициент трения и рассеивает тепло. Применения: очистка сточных вод, система шлюзования, клапаны низкого давления, валы поршневых двигателей, работа с кислотами, щелочами, маслом. Продукт имеет универсальное применение, кроме работы с кислородом, сильными щелочами и окислителями. Продукт подходит для предприятий бумажной промышленности, нефтехимической и химической промышленности и станций электропередач.

Продукт DEPAC Anstalt Establishment (depac.at) является отличной альтернативой оплетке на основе асбеста. Кевларовая оплетка особенно эффективна при работе с твердыми материалами и в бумажной промышленности, на сталелитейных заводах, очистных сооружениях и в сахарной промышленности. Специальное 4-элементное высокоплотное диагональное плетение DEPAC сочетает в себе химическую стойкость с высокой прочностью, что гарантирует оптимальное уплотнение с минимальным контактным давлением.

Выработка электроэнергии

Кевлар был использован учеными из Технологического института Джорджии (США) в качестве базы для эксперимента по созданию одежды, способной генерировать электроэнергию. Это было сделано путем переплетения нанопроводов оксида цинка в ткани. В случае успеха проекта, новая ткань будет генерировать около 80 милливатт на квадратный метр.

Строительство зданий

Убирающаяся крыша из кевлара площадью более 5.5 тыс. квадратных метров была ключевой частью проекта Олимпийского стадиона в Монреале на летних Олимпийских играх 1976 года. Это сооружение было невероятно неудачным, так как крыша была завершена с опозданием на десять лет, а еще через десять лет (в конце мая 1998 года) после ряда проблем ее пришлось заменить.

Тормоза

Штапелированное волокно было использовано в качестве замены асбесту в тормозных колодках. Пыль, которая является побочным продуктом работы из тормозов на базе асбеста, отличается высокой токсичностью, в то время волокно из арамида являются более удачным вариантом.

Температурные компенсаторы и шланги

Кевлар может применяться в качестве армирующего слоя в резиновых сильфонных трубных компенсаторах и резиновых шлангах, которые предназначены для использования в условиях высоких температур и должны отличаться высокой прочностью. Он также может использоваться в виде слоя оплетки, используемой на внешней стороне пожарного шланга, чтобы добавить последнему большую степень защиты от острых предметов.

Физика элементарных частиц

Тонкое окно из кевлара было использован в ходе эксперимента NA48 в ЦЕРН. Материал применялся, чтобы отделить вакуумную камеру от камеры с атмосферным давлением. Серия экспериментов по физике элементарных частиц NA48 касалась изучения механизма распадов каонов. Участие в научной работе принимали более 100 физиков, преимущественно из Западной Европы и России (ОИЯИ).

Смартфоны

Линейка смартфонов Motorola RAZR отличается наличием задней части корпуса из кевлара. Разработчики устройства отдали предпочтение этому материалу перед другими, такими как углеродное волокно, благодаря его устойчивости к механическим воздействиям и отсутствию помех для передачи сигнала.

Композитные материалы

Арамидные волокна широко используются для армирования композитных материалов, часто тот же кевлар используется в сочетании с углеродным волокном и стекловолокном. Матрицей для высокопроизводительных композитов, как правило, служит эпоксидная смола. Типичные области применения включают производство монококов для гоночных болидов серии F1 (тип пространственной конструкции, в которой (в отличие от каркасных или рамных конструкций) внешняя оболочка является основным и, как правило, единственным несущим элементом); вертолетных лопастей, инвентаря для тенниса, настольного тенниса, бадминтона и сквоша, производство байдарок, бит для крикета, клюшек для хоккея на траве и палок для лакросса.

Данное торговое наименование было дано фирмой «DuPont», которая сама же и выпускает так называемые . Впервые кевларовые волокна были разработаны практически под конец ХХ века под предводительством Стефани Кволека, и целью их создания было получение не только более прочного материала для автошин, но и менее грузного.

Свойства ткани кевлар

Полученные нити, можно сказать, обладают суперпрочной структурой, превышающей крепкость стали аж в пять раз, а по жесткости доминируют в сравнении со стекловолокном. Будучи безопасным для здоровья своего носителя, эта материя почти безразлична к перепадам температур и не теряет своих свойств, также он не возгорается и не плавится.

Подобные изделия способны защитить от ударов и порезов, при этом они не являются проводниками электричества. Но, несмотря на все это, слабые моменты у них тоже имеются: так, воздействие солнца и влаги негативно сказывается на качестве волокон, хотя сегодня их покрывают специальным оберегающим слоем.

Правильный уход и применение

Учитывая все эти показатели, нужно иметь в виду, что частая стирка (даже химическая чистка) не пойдут на благо вещи из ткани кевлар, поэтому делать это нужно по необходимости. Так как кевлар стоек к термическим обработкам, его спокойно можно гладить, но сушить лучше в тени, подальше от дневной звезды.

Область, где используют эти нити, все больше и больше расширяется: их стали добавлять вперемешку с другими элементами, чтобы придать вещам высокие показатели прочности. Выпускаются разные виды защитных спецодежд, бронижилетов, шин, защитные перчатки, джинсы и многое другое. Хоть и прогресс постоянно наступает на пятки, кевлар можно заслуженно назвать современной тканью, которая обеспечит своему хозяину защиту от повреждений и сохранит чувство безопасности.

Кевла́р (англ. Kevlar) - торговая марка пара-арамидного (полипарафенилен-терефталамид) волокна, выпускаемого фирмой DuPont. Кевлар обладает высокой прочностью (в пять раз прочнее стали, предел прочности σ0= 3620 МПа). Впервые кевлар был получен группой Стефани Кволек в 1964, технология производства разработана в 1965 году, с начала 1970-x годов начато коммерческое производство.

Непрерывное волокно: Арамидные волокна

Арамидные волокна относятся к классу ароматических полиамидных волокон. Они представляют собой химические волокна, полученные на основе линейных волокнообразующих полиамидов, в которых не менее 85 % амидных групп непосредственно связано с двумя ароматическими кольцами. Такие волокна отличаются высокими значениями прочности, модуля упругости, теплостойкости и химстойкости. Впервые они стали известны под маркой «кевлар».

Получение и производство

Арамидные волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации в растворе при низкой температуре (5... 10 °C). Полимер получают добавлением к раствору реагентов при интенсивном перемешивании. Полимер выделяется из исходного раствора в виде геля или крошки, затем он промывается и высушивается.

Полученный полимер растворяется в одной из сильных кислот, например, в концентрированной серной кислоте. Из раствора полимера методом экструзии через фильеры формуются волокна и нити. Температура формования 50 ... 100 °C. Экструдированные волокна проходят небольшую воздушную прослойку (5-20 мм) и попадают в осадительную ванну с холодной водой (менее 4 °C). Волокно промывается, собирается на приемном устройстве и высушивается. На выходе из осадительной ванны волокно может подвергаться дополнительной обработке (вытягивание, термообработка) для повышения его механических характеристик. Свойства волокон могут зависить от состава исходного сырья, свойств использованных растворителей, условий технологического процесса получения волокон и условий термообработки сформованных нитей.

Волокно кевлар представляет собой кристаллизующийся полимер. Химическая структура волокна отличается высокой степенью ориентированности и жесткости. Эти характеристики, в частности, обусловлены наличием в структуре большого количества ароматических (бензольных) колец. По своей структуре волокно кевлар может быть отнесено к сетчатым полимерам.

Жесткие полимерные цепи находятся в распрямленном состоянии и образуют очень плотную упаковку в объеме волокна, что определяет высокие механические свойства волокна типа кевлар. Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность волокон, а наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает химическую стабиль-ность волокон. Благодаря жесткой сетчатой структуре макромолекул арамидные волокна при нагревании не испытывают никаких фазовых превращений вплоть до температуры термического разложения.

Волокна кевлар производятся в виде технических нитей с различной линейной плотностью и структурой. Число элементарных волокон в типичных нитях может меняться от 130 до 1000 при изготовлении тканей и от 500 до 10000 при изготовлении канатов и корда. Кевлар выпускается также в виде пряжи, ровинга и тканей. Волокна непрозрачны, обычный диаметр около 11 мкм.

Свойства арамидных волокон

Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов и т. п. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению с углеродными и стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании текстильных производств.

Арамидные волокна отличаются наиболее высокими значениями прочности и модуля упругости среди органических волокон.

Повышение температуры приводит к снижению прочности арамидных волокон от 3,5 ГПа до 2,7 ГПа. Волокна практически не проявляют ползучести под нагрузкой. Во всем интервале нагрузок вплоть до разрушения зависимость напряжений от деформаций является линейной. На свойства арамидных волокон заметное влияние оказывает скручивание нитей: при повышении степени кручения модуль упругости и прочность волокон заметно снижаются. Полагают, что этот эффект связан с поверхностным повреждением волокон при скручивании. Это предположение подтверждается результатами испытаний волокон на усталость, которые показывают, что волокна могут выдерживать большое число циклов нагружения, если они не испытывают поверхностного трения. При наличии такого трения долговечность волокон очень невысока.

Влияние различных факторов на механические свойства КМ, армированных арамидными волокнами

Влияние связующего на механические свойства композита определяется в основном двумя параметрами: адгезией и модулем упругости. Эти два фактора влияют на тип разрушения КМ и, в конечном счете, определяют уровень прочностных свойств композита. Низкомодульные связующие обычно не способны обеспечить перераспределение нагрузки между армирующими волокнами во всем объеме композита. При этом отдельные волокна деформируются независимо друг от друга. Разрушение (разрыв) одного волокна в таких случаях может привести к значительному перераспределению нагрузки в его окрестности и перенапряжению соседних волокон. Как следствие, в таких случаях часто наблюдается лавинообразный процесс разрушения материала. Средняя прочность волокна в композите оказывается низкой.

Если же выбранное сочетание адгезии и модуля упругости обеспечивает приблизительно равномерное распределение нагрузок между всеми волокнами материала, то средняя (эффективная) прочность композита будет иметь более высокое значение. Обычно на практике удается реализовать некоторое среднее значение потенциальной прочности материала.

С увеличением объемного содержания волокна прочность материала обычно сначала увеличивается, а при достижении некоторого уровня наполнения стабилизируется или даже снижается.

Повышение температуры приводит к некоторому снижению прочности микропластиков из арамидных волокон. Понижение температуры на прочностные свойства практически не влияет.

Зависимость напряжений от деформаций композитов на основе арамидных волокон близка к линейной. Выдерживание образцов изготовленных из однонаправленного композита на основе арамидных волокон под постоянной нагрузкой в течение длительного времени сопровождается увеличением их деформации - ползучестью. С увеличением уровня нагрузки деформация, обусловленная ползучестью, растет, причем, при продолжительном нагружении зависимость деформации от времени становится линейной для широкого интервала начальных нагрузок.

Жесткость и прочность композиционных волокнистых материалов (КВМ) на основе арамидных волокон при поперечном по отношении к направлению армирования нагружении значительно меньше, чем при нагружении в направлении армирования. Имеются разные данные о характеристиках композита при таком виде нагружении, которые зависят от метода испытаний, но все они показывают, что нагружение в поперечном направлении является невыгодным с точки зрения использования потенциальных прочностных качеств материала.

Проблема повышения характеристик материала при поперечном нагружении обычно решается путем дополнительного включения в композит армирующих волокон других видов, например, углеродных или стеклянных. Выбор углеродных волокон связан с тем, что их температурные характеристики (коэффициент температурного расширения) сходны с характеристиками арамидных волокон. Такие композиты принято называть «гибридными». Кевлар-углеродные композиты отличаются меньшей стоимостью и меньшей хрупкостью по сравнению с углеродными, что делает их достаточно привлекательными, несмотря на некоторое снижение прочности по сравнению с углеродными материалами.

Еще один способ повышения эксплуатационных свойств однонаправленных композитов - добавление к основному армирующему материалу небольшой объемной доли коротко нарезанных волокон (штапеля). Такие волокна ориентированы в материале менее однородно по сравнению с длинными волокнами и обеспечивают дополнительное перераспределение нагрузок в объеме материала помимо связующего. Предел прочности и модуль упругости таких материалов обычно ниже, чем у однонаправленных, но работа, которую необходимо затратить на их разрушение значительно выше (примерно в полтора раза).

Композиты на основе арамидных волокон

Высокие механические свойства арамидных волокон сами по себе еще не гарантируют наличия высоких механических свойств у композитов на их основе. Характеристики композита во многом определяются взаимодействием волокон со связующим. Такое взаимодействие приводит к перераспределению внешних нагрузок между элементами структуры армирования композита. Поэтому оценка характеристик композита должна проводиться не только по свойствам его компонентов, но и по свойствам некоторых характерных объемов материала, обладающих всеми характерными характеристиками композита: структурой армирования, объемным соотношением компонентов и т. п.

На практике в качестве таких характерных объемов часто рассматривают стренги (жгуты), пропитанные связующим и подвергнутые отверждению. Такие стренги, предназначенные для проведения экспериментальных исследований свойств композита, называют «микропластиками». Технология изготовле¬ния микропластиков повторяет технологию изготовления реальных изделий из композита за исключением объемов производства. При проведении подобных исследований необходимо учитывать, что на их результаты могут оказывать влияние такие факторы, как толщина стренги (жгута), метод испытаний и другие факторы. Влияние размеров образцов на результаты испытаний является одним из наиболее неприятных факторов, существенно затрудняющих анализ экспериментальных данных. Такое влияние обычно плохо поддается оценке и носит название «масштабного эффекта».

Применение КВМ на основе арамидных волокон

КВМ на основе арамидных волокон (кевлара) применяются в авиации при изготовлении частей несущих конструкций, переборок, дверей, полов, обтекателей. При изготовлении военной техники и снаряжения эти материалы находят применение при производстве корпусов ракетных двигателей, пулезащитной одежды, легких бронеплит и т. п. Применение кевлара в данных изделиях связано с малой плотностью и высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

Невысокая плотность, хорошие демпфирующие свойства, гибкость способствуют применению кевлара при изготовлении спортивного снаряжения: лодок, клюшек и т. д.

Волокна кевлара в чистом виде либо в сочетании с каучуком используются при изготовлении канатов, которые находят применение в судостроении и горном деле, где они используются вместо стальных канатов. Достоинствами таких канатов являются малый вес, высокая прочность, высокая коррозионная стойкость и хорошие электроизоляционные свойства. Кевлар находит применение при изготовлении шин в качестве корда, где сочетание таких свойств, как малая плотность, хорошая вибростойкость, высокая прочность и коррозионная стойкость делают его более выгодным по сравнению с кордом из вискозных, полиэфирных волокон и стальной проволоки.

Статьи по теме