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.
Kevlar (para aramid) the high strength material was first used commercially in the early 1970s as a replacement for steel in racing tires. It is typically spun into ropes or fabric sheets that can be used as such, or as an ingredient in composite material components. Kevlar has many applications, ranging from bicycle tires and racing sails to bulletproof vests, all due to its high tensile strength to weight ratio; by this measure it is five times stronger than steel. It is also used to make modern marching drumheads that withstand high impact; and for mooring lines and other underwater applications. A similar fiber called Twaron with the same chemical structure was developed by Akzo in the 1970s; commercial production started in 1986, and Twaron is manufactured by 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.