Введение

Жаропрочный и прочный ароматический полиамидный волокно кевлар (пара-арамид) – высокопрочный материал, который впервые был коммерчески использован в начале 1970-х годов в качестве замены стали в гоночных шинах. Обычно его прядут в канаты или тканевые полотна, которые могут использоваться как таковые или в качестве компонента композитных материалов. Кевлар находит широкое применение – от велосипедных шин и гоночных парусов до бронежилетов, благодаря исключительному соотношению прочности на разрыв к весу; по этому показателю он в пять раз прочнее стали. Он также используется для изготовления современных барабанных мембран для маршевых барабанов, способных выдерживать сильные удары, а также для швартовых канатов и других подводных применений. Аналогичное волокно под названием Twaron, имеющее ту же химическую структуру, было разработано компанией Akzo в 1970-х годах; коммерческое производство началось в 1986 году, а Twaron производится компанией Teijin.

История

Полипарафенилентерефталамид (K29) – коммерчески известный как кевлар – был изобретен американским химиком Стефани Кволек, работавшей в компании DuPont, в предвидении дефицита бензина. В 1964 году ее группа начала поиск нового легкого и прочного волокна для изготовления легких, но крепких шин. Полимеры, с которыми она работала – поли-п-фенилентерефталат и полибензамид – образовывали жидкие кристаллы в растворе, что было уникальным свойством для полимеров в то время. В 1971 году Лестер Шубин, занимавший пост директора по науке и технологиям Национального института правоохранительных органов и уголовного правосудия, предложил использовать кевлар вместо нейлона для изготовления бронежилетов. До появления кевлара бронежилеты из нейлона обеспечивали гораздо более ограниченную защиту. Позже Шубин вспоминал, как развивалась эта идея: «Мы сложили материал несколько раз и произвели стрельбу. Пули не пробивали его». В ходе испытаний кевлар крепили к обездвиженным козам и стреляли в их сердца, спинной мозг, печень и легкие. Они отслеживали сердечный ритм коз и уровень газов в крови, чтобы выявить повреждения легких. Через 24 часа одна коза умерла, а у остальных были раны, не угрожавшие жизни. Шубин получил грант в размере 5 миллионов долларов на исследование возможности использования ткани в бронежилетах. Кевлар 149 был разработан Джейкобом Лахиджани из компании DuPont в 1980-х годах.

Структура и свойства

Когда кевлар вытягивается в волокно, полученное волокно имеет предел прочности на разрыв около 0,9 и относительную плотность 1,44 (0,052 lb/in3). Полимер обязан своей высокой прочностью многочисленными межцепочечными связями. Эти межмолекулярные водородные связи формируются между карбонильными группами и NH-центрами. Дополнительная прочность обусловлена ароматическим π-π стэкинг-взаимодействием между соседними цепями. Эти взаимодействия оказывают большее влияние на кевлар, чем взаимодействия Ван-дер-Ваальса и длина цепи, которые обычно влияют на свойства других синтетических полимеров и волокон, таких как полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы. Присутствие солей и некоторых других примесей, особенно кальция, может нарушать взаимодействие между цепями, поэтому принимаются меры для предотвращения их попадания в процесс производства. Структура кевлара состоит из относительно жестких молекул, которые склонны образовывать преимущественно плоские, слоевидные структуры, подобные шелковому белку.

Термические свойства

Кевлар сохраняет свою прочность и эластичность даже при криогенных температурах: на самом деле, при низких температурах он становится немного прочнее. При более высоких температурах предел прочности на разрыв сразу же снижается примерно на 10–20%, а по истечении нескольких часов прочность продолжает постепенно уменьшаться. Например, при выдержке в течение 500 часов его прочность снижается примерно на 10%, а при выдержке в течение 70 часов – примерно на 50%.

Наука

Кевлар часто используется в криогенике благодаря низкой теплопроводности и высокой прочности по сравнению с другими материалами, применяемыми для подвесных систем. Чаще всего его используют для подвешивания капсулы с парамагнитной солью к оправке сверхпроводящего магнита, чтобы минимизировать теплопередачу в парамагнитный материал. Он также применяется в качестве теплоизолятора или структурной опоры там, где требуется минимальная теплопередача. В эксперименте NA48 в ЦЕРНе тонкое кевларовое окно использовалось для разделения вакуумной камеры и камеры, находящейся почти при атмосферном давлении, обе одинакового диаметра. Окно обеспечило вакуумную герметичность при относительно небольшом количестве материала (всего 0,3–0,4% длины пробега излучения).

Защита

Кевлар – хорошо известный компонент средств индивидуальной бронезащиты, таких как боевые шлемы, баллистические маски и бронежилеты. Шлем и жилет PASGT, используемые вооруженными силами США, содержат кевлар в качестве ключевого компонента конструкции. Другие военные применения включают пуленепробиваемые маски для лица и защитные подкладки, используемые для защиты экипажей бронетехники. Авианосцы класса "Нимиц" используют кевларовое усиление в критически важных областях. Гражданские применения включают: высокотемпературную униформу пожарных, бронежилеты для полицейских, охранников и тактических групп полиции, таких как SWAT. Кевлар используется для изготовления перчаток, рукавов, курток, штанин и другой одежды, предназначенной для защиты от порезов, истирания и высоких температур. Защитное снаряжение на основе кевлара часто значительно легче и тоньше, чем аналогичное снаряжение из традиционных материалов. Он является одним из основных материалов для строп парапланов. Кевлар используется в качестве внутреннего слоя некоторых велосипедных шин для предотвращения проколов. В настольном теннисе слои кевлара добавляются к индивидуальным накладкам для увеличения отскока и снижения веса. Теннисные ракетки иногда оплетаются кевларом. Он применяется в парусах высокоскоростных гоночных яхт. В 2013 году, с развитием технологий, компания Nike впервые использовала кевлар в обуви. Была выпущена серия Elite II, улучшенная версия баскетбольных кроссовок, в которой кевлар использовался в носовой части и в шнурках. Это было сделано для уменьшения эластичности носка кроссовка по сравнению с традиционно используемым нейлоном, поскольку кевлар расширяется примерно на 1% против 30% у нейлона. В эту линейку вошли модели LeBron, HyperDunk и Zoom Kobe VII. Однако эти кроссовки были выпущены по цене, значительно превышающей среднюю стоимость баскетбольной обуви. Кевлар также использовался в шнурках для футбольных бутс Adidas F50 adiZero Prime. Несколько компаний, включая Continental AG, производят велосипедные шины с кевларом для защиты от проколов. Складные велосипедные шины с кевларовым бортом, представленные Томом Ричи в 1984 году, используют кевлар вместо стали для снижения веса и повышения прочности. Побочным эффектом складного борта является уменьшение площади, необходимой для размещения велосипедных шин в магазине, так как они складываются и упаковываются в небольшие коробки.

Музыка

Также было обнаружено, что кевлар обладает полезными акустическими свойствами для диффузоров громкоговорителей, особенно для басовых и среднечастотных динамиков. Кроме того, кевлар используется как элемент, повышающий прочность, в волоконно-оптических кабелях, таких как те, которые применяются для передачи аудиоданных. Кевлар может использоваться в качестве акустического сердечника в смычках для струнных инструментов. Физические свойства кевлара обеспечивают прочность, гибкость и стабильность для исполнителя, использующего смычок. На сегодняшний день единственным производителем таких смычков является CodaBow. В настоящее время кевлар также используется в качестве материала для хвостовых шнуров (также известных как регуляторы подгрифника), соединяющих подгрифник с упором струнных инструментов. Кевлар иногда используется в качестве материала для маршевых барабанов. Он позволяет создавать чрезвычайно высокое натяжение, что приводит к более чистому звуку. Обычно на кевлар наносится смола для герметизации мембраны, а верхний слой из нейлона обеспечивает ровную поверхность для удара. Это один из основных типов мембран для маршевых барабанов. Пластырь Falam Slam от Remo изготавливается из кевлара и используется для усиления мембран бас-барабанов в месте удара барабанной палочки. Кевлар используется в язычках деревянных духовых инструментов Fibracell. Материал этих язычков – композит из аэрокосмических материалов, разработанный для имитации способа, которым природа создает тростниковые язычки. Очень жесткие, но звукопоглощающие кевларовые волокна суспендированы в легкой смоляной основе.

Автомобильные транспортные средства

Кевлар иногда используется в конструкционных элементах автомобилей, особенно в высококлассных спортивных автомобилях, таких как Ferrari F40. Резаное волокно применяется в качестве замены асбеста в тормозных колодках. Арамиды, такие как кевлар, выделяют меньше волокон, взвешенных в воздухе, чем асбестовые тормоза, и не обладают канцерогенными свойствами, свойственными асбесту.

Другие применения

Фитили для реквизита в файер-шоу изготавливаются из композитных материалов с добавлением кевлара. Сам по себе кевлар плохо впитывает топливо, поэтому его смешивают с другими материалами, такими как стекловолокно или хлопок. Высокая термостойкость кевлара позволяет многократно использовать фитили. Кевлар иногда применяется в качестве альтернативы тефлону в антипригарных сковородах. Кевларовое волокно используется в производстве канатов и тросов, где волокна удерживаются параллельно внутри полиэтиленовой оболочки. Эти тросы применялись при строительстве подвесных мостов, например, моста в Аберфелди, Шотландия. Также они использовались для стабилизации трещин в бетонных градирнях путем обмотки и последующего натяжения для их закрытия. Кевлар широко используется в качестве защитной внешней оболочки для оптоволоконных кабелей, поскольку его прочность защищает кабель от повреждений и перегибов. В этом применении он часто известен под торговой маркой Parafil. Ученые из Технологического института Джорджии использовали кевлар в качестве основы для ткани в эксперименте по созданию одежды, генерирующей электричество. Это было сделано путем вплетения нанопроволок оксида цинка в ткань. В случае успеха, новая ткань сможет генерировать около 80 милливатт на квадратный метр. Выдвижная крыша, изготовленная из кевлара, была ключевым элементом дизайна Олимпийского стадиона в Монреале для летних Олимпийских игр 1976 года. Однако проект оказался неудачным: строительство было завершено на 10 лет позже запланированного, а в мае 1998 года, после ряда проблем, крыша была заменена всего через 10 лет. Кевлар используется в качестве армирующего слоя в резиновых компенсаторах и шлангах для применения при высоких температурах, а также благодаря своей высокой прочности. Он также применяется в качестве оплётки на внешней стороне шланговых сборках для защиты от острых предметов. Некоторые мобильные телефоны (включая Motorola RAZR Family, Motorola Droid Maxx, OnePlus 2 и Pocophone F1) имеют заднюю крышку из кевлара, выбранную вместо других материалов, таких как углеродное волокно, из-за её прочности и отсутствия влияния на передачу сигнала. Композитные материалы на основе кевларового волокна и эпоксидной смолы могут использоваться в морских течениях или ветровых турбинах благодаря их высокой удельной прочности и легкому весу по сравнению с другими волокнами.

Композитные материалы

Арамидные волокна широко используются для армирования композитных материалов, часто в сочетании с углеродным и стекловолокном. Матрицей для высокопрочных композитов обычно служит эпоксидная смола. Типичные области применения включают монококовые кузова автомобилей Формулы-1, лопасти вертолетных несущих винтов, теннисные, настольнотеннисные, бадминтонные и сквош-ракетки, каяки, биты для крикета, клюшки для хоккея на траве, хоккея на льду и лакросса. Кевлар 149, самое прочное волокно с наиболее кристаллической структурой, может использоваться в некоторых элементах конструкции самолетов. Например, для передней кромки крыла, поскольку кевлар менее подвержен разрушению при столкновении с птицами, чем углеродное или стекловолокно.