Кевлар (параарамид) [2] — прочное, термостойкое синтетическое волокно , родственное другим арамидам , таким как Номекс и Технора . Разработанный Стефани Кволек в DuPont в 1965 году, [3] [2] [4] этот высокопрочный материал был впервые использован в коммерческих целях в начале 1970-х годов в качестве замены стали в гоночных шинах. Обычно из него прядут веревки или листы ткани , которые можно использовать как таковые или в качестве ингредиента в компонентах композитных материалов .
Кевлар имеет множество применений: от велосипедных шин и гоночных парусов до пуленепробиваемых жилетов , и все это благодаря его высокому соотношению прочности на разрыв и веса ; по этому показателю он в пять раз прочнее стали. [2] Он также используется для изготовления современных маршевых пластиков , выдерживающих сильные удары; а также для швартовных линий и других подводных применений.
Аналогичное волокно под названием Twaron с такой же химической структурой было разработано компанией Akzo в 1970-х годах; Коммерческое производство началось в 1986 году, и сейчас Тварон производится компанией Teijin . [5] [6]
Полипарафенилентерефталамид (К29) под торговой маркой «Кевлар» был изобретен американским химиком Стефани Кволек во время работы в компании DuPont в ожидании нехватки бензина. В 1964 году ее группа начала поиск нового легкого и прочного волокна для изготовления легких, но прочных шин. [7] Полимеры, с которыми она работала в то время, поли-п-фенилентерефталат и полибензамид, [8] образовывали жидкие кристаллы в растворе, что было уникальным для этих полимеров того времени. [7]
Раствор был «мутным, опалесцирующим при перемешивании и низкой вязкости », и его обычно выбрасывали. Однако Кволек убедила техника Чарльза Смаллена, который управлял фильерой , проверить ее решение, и была поражена, обнаружив, что волокно не рвется, в отличие от нейлона . Ее руководитель и директор лаборатории поняли значение ее открытия, и быстро возникла новая область химии полимеров . К 1971 году был представлен современный кевлар. [7] Однако Кволек не принимал особого участия в разработке применений кевлара. [9]
В 1971 году Лестер Шубин , который тогда был директором по науке и технологиям Национального института правоохранительных органов и уголовного правосудия, [10] предложил использовать кевлар для замены нейлона в бронежилетах. [11] До появления кевлара бронежилеты из нейлона обеспечивали пользователям гораздо более ограниченную защиту. Позже Шубин вспоминал, как развивалась идея: «Мы его пару раз сложили и по нему стреляли. Пули не прошли». В ходе испытаний они привязывали кевлар к наркозным козам и стреляли им в сердца, спинной мозг, печень и легкие. Они следили за частотой сердечных сокращений коз и уровнем газов в крови, чтобы проверить наличие повреждений легких. Через 24 часа одна коза умерла, а у остальных были раны, не опасные для жизни. [12] [13] [ нужна проверка ] Шубин получил грант в размере 5 миллионов долларов на исследование использования ткани в бронежилетах.
Кевлар 149 был изобретен Джейкобом Лахиджани из Dupont в 1980-х годах. [14]
-Synthese.svg/1280px-Poly(p-phenylenterephthalamid)-Synthese.svg.png)
Кевлар синтезируется в растворе из мономеров 1,4 - фенилендиамина ( пара -фенилендиамина ) и терефталоилхлорида в реакции конденсации с образованием соляной кислоты в качестве побочного продукта. Результат имеет жидкокристаллическое поведение, а механическое вытягивание ориентирует полимерные цепи в направлении волокна. Гексаметилфосфорамид (HMPA) изначально использовался для полимеризации , но по соображениям безопасности компания DuPont заменила его раствором N -метилпирролидона и хлорида кальция. Поскольку этот процесс был запатентован компанией Akzo (см. выше) при производстве Тварона , последовала патентная война . [15]
Производство кевлара дорого из-за трудностей, возникающих при использовании концентрированной серной кислоты , необходимой для поддержания нерастворимого в воде полимера в растворе во время его синтеза и прядения . [16]
Доступны несколько марок кевлара:
Ультрафиолетовая составляющая солнечного света разрушает и разлагает кевлар, проблема, известная как УФ -деградация , поэтому его редко используют на открытом воздухе без защиты от солнечного света. [22]
При прядении кевлара полученное волокно имеет прочность на разрыв около 3620 МПа (525 000 фунтов на квадратный дюйм) [ 23] и относительную плотность 1,44 (0,052 фунта на дюйм 3 ). Полимер обязан своей высокой прочностью множеству межцепных связей. Эти межмолекулярные водородные связи образуются между карбонильными группами и центрами N H. Дополнительная сила достигается за счет ароматических взаимодействий между соседними нитями. 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 мешать взаимодействию нитей, поэтому необходимо избегать их включения в его производство. Структура кевлара состоит из относительно жестких молекул, которые имеют тенденцию образовывать в основном плоские листообразные структуры, напоминающие протеин шелка . [24]
Кевлар сохраняет свою прочность и устойчивость вплоть до криогенных температур (-196 °C (-320,8 °F)): на самом деле он немного прочнее при низких температурах. При более высоких температурах прочность на разрыв сразу снижается примерно на 10–20%, а через несколько часов прочность постепенно снижается еще больше. Например: при выдержке 160 °C (320 °F) в течение 500 часов его прочность снижается примерно на 10%; и при выдержке 260 °C (500 °F) в течение 70 часов его прочность снижается примерно на 50%. [25]
Кевлар часто используется в области криогеники из-за его низкой теплопроводности и высокой прочности по сравнению с другими материалами для подвески. Чаще всего его используют для подвешивания корпуса из парамагнитной соли к оправке сверхпроводящего магнита , чтобы свести к минимуму любые утечки тепла в парамагнитный материал. Он также используется в качестве теплового барьера или структурной опоры, где желательны низкие утечки тепла.
Тонкое кевларовое окно использовалось в эксперименте NA48 в ЦЕРН для отделения вакуумного сосуда от сосуда с почти атмосферным давлением, оба диаметром 192 см (76 дюймов). Окно обеспечивает вакуумную герметичность при достаточно небольшом количестве материала (всего 0,3–0,4% длины излучения ). [ нужна цитата ]
Кевлар — широко известный компонент индивидуальной брони, такой как боевые шлемы , баллистические маски для лица и баллистические жилеты . В шлеме и жилете PASGT , используемых вооруженными силами США , в качестве ключевого компонента используется кевлар. Другие военные применения включают пуленепробиваемые маски для лица и противоосколочные подкладки , используемые для защиты экипажей боевых бронированных машин . Авианосцы класса «Нимиц» используют кевларовую арматуру в жизненно важных зонах. Гражданские применения включают: униформу с высокой термостойкостью, которую носят пожарные, бронежилеты, которые носят сотрудники полиции, службы безопасности и тактические группы полиции, такие как SWAT . [26]
Кевлар используется для изготовления перчаток, рукавов, курток, чашек и других предметов одежды [27] , предназначенных для защиты пользователей от порезов, ссадин и тепла. Защитное снаряжение на основе кевлара часто значительно легче и тоньше, чем эквивалентное снаряжение, изготовленное из более традиционных материалов. [26]
Он используется для изготовления защитной одежды для мотоциклистов , особенно в местах с набивкой, таких как плечи и локти. В фехтовании его используют в защитных куртках , бриджах, пластронах и нагрудниках масок. Его все чаще используют в пето , мягком покрытии, которое защищает лошадей пикадоров на арене. Конькобежцы также часто носят нижний слой кевларовой ткани, чтобы предотвратить возможные раны от коньков в случае падения или столкновения.
В кюдо , или японской стрельбе из лука , его можно использовать для тетивы лука в качестве альтернативы более дорогой [28] конопле . Это один из основных материалов, используемых для строп подвески парапланов . [29] Он используется в качестве внутренней прокладки некоторых велосипедных шин для предотвращения проколов. В настольном теннисе к нестандартным лопастям или лопаткам добавляются слои кевлара, чтобы увеличить отскок и уменьшить вес. Теннисные ракетки иногда имеют кевларовую струну. Он используется в парусах высокопроизводительных гоночных лодок.
В 2013 году, благодаря развитию технологий, Nike впервые использовала кевлар в обуви. Она выпустила серию Elite II [30] с усовершенствованиями более ранней версии баскетбольных кроссовок за счет использования кевлара в передней части , а также в шнурках . Это было сделано для уменьшения эластичности носка обуви в отличие от традиционно используемого нейлона, поскольку кевлар расширялся примерно на 1% по сравнению с нейлоном, который расширялся примерно на 30%. Обувь в этой линейке включала LeBron, HyperDunk и Zoom Kobe VII. Однако эти кроссовки продавались по цене, намного превышающей среднюю стоимость баскетбольных кроссовок. Он также использовался в шнурках футбольных бутс Adidas F50 adiZero Prime.
Несколько компаний, в том числе Continental AG , производят велосипедные шины с использованием кевлара для защиты от проколов. [31]
Велосипедные шины со складным бортом, представленные в велоспорте Томом Ричи в 1984 году, [32] [ круговая ссылка ] используют кевлар в качестве борта вместо стального для снижения веса и прочности. Побочным эффектом складных бортов является уменьшение площади полок и пола, необходимых для демонстрации велосипедных шин в розничной торговле, поскольку их складывают и помещают в небольшие коробки.
Также было обнаружено, что кевлар обладает полезными акустическими свойствами для диффузоров громкоговорителей , особенно для динамиков низких и средних частот. [33] Кроме того, кевлар использовался в качестве силового элемента в волоконно-оптических кабелях, например, в тех, которые используются для передачи аудиоданных. [34]
Кевлар можно использовать в качестве акустического сердечника смычков для струнных инструментов . [35] Физические свойства кевлара обеспечивают прочность, гибкость и стабильность для пользователя лука. На сегодняшний день единственным производителем луков данного типа является компания CodaBow. [36]
Кевлар в настоящее время также используется в качестве материала для хвостовых шнуров (также известных как регуляторы струнодержателя), которые соединяют струнодержатель с наконечником смычковых струнных инструментов. [37]
Кевлар иногда используется в качестве материала для маршевых малых барабанов. Это позволяет добиться чрезвычайно высокого напряжения, что приводит к более чистому звуку. Обычно на кевлар наливается смола, чтобы сделать головку воздухонепроницаемой, и верхний нейлоновый слой, чтобы обеспечить плоскую ударную поверхность. Это один из основных типов маршевых пластиков малого барабана. Нашивка Remo Falam Slam изготовлена из кевлара и используется для усиления пластиков бас-барабана в местах ударов колотушки. [38]
Кевлар используется в тростях деревянных духовых инструментов Fibracell. Материал этих тростников представляет собой смесь аэрокосмических материалов, созданную для того, чтобы имитировать то, как природа создает тростниковый тростник. Очень жесткие, но звукопоглощающие волокна кевлара заключены в легкую смолу. [39]
Кевлар иногда используется в конструктивных компонентах автомобилей, особенно в дорогих автомобилях, таких как Ferrari F40 . [40]
Рубленое волокно использовалось в качестве замены асбеста в тормозных колодках . [41] Арамиды, такие как кевлар, выделяют меньше волокон в воздух, чем асбестовые тормоза, и не обладают канцерогенными свойствами, связанными с асбестом. [42] [43]
Фитили для реквизита для танцев с огнем изготавливаются из композитных материалов с добавлением кевлара. Кевлар сам по себе не очень хорошо поглощает топливо, поэтому его смешивают с другими материалами, такими как стекловолокно или хлопок . Высокая термостойкость кевлара позволяет многократно использовать фитили.
Кевлар иногда используется вместо тефлона в некоторых сковородах с антипригарным покрытием. [44]
Кевларовое волокно используется в веревках и кабелях, где волокна удерживаются параллельно внутри полиэтиленового рукава. Тросы использовались в подвесных мостах , таких как мост в Аберфелди, Шотландия . Их также использовали для стабилизации растрескивающегося бетона градирен путем нанесения по окружности с последующим натяжением для закрытия трещин. Кевлар широко используется в качестве защитной внешней оболочки оптоволоконного кабеля , так как его прочность защищает кабель от повреждений и перекручиваний. При использовании в этом приложении он широко известен под торговой маркой Parafil. [45]
Кевлар использовался учеными Технологического института Джорджии в качестве основного текстиля для эксперимента по созданию одежды, производящей электричество. Это было сделано путем вплетения в ткань нанопроволок оксида цинка . В случае успеха новая ткань будет генерировать около 80 милливатт на квадратный метр. [46]
Раздвижная крыша из кевлара площадью более 60 000 кв. футов (5 600 м 2 ) была ключевой частью дизайна Олимпийского стадиона в Монреале для летних Олимпийских игр 1976 года . Он оказался крайне неудачным, поскольку был завершен с опозданием на 10 лет и заменен всего 10 лет спустя, в мае 1998 года, после ряда проблем. [47] [48]
Кевлар можно найти в качестве армирующего слоя в резиновых сильфонных компенсаторах и резиновых шлангах , для использования в условиях высоких температур и из-за его высокой прочности. Его также можно найти в виде слоя оплетки, используемого на внешней стороне шлангов в сборе для дополнительной защиты от острых предметов. [49] [50] [51]
Некоторые мобильные телефоны (в том числе семейство Motorola RAZR , Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 и Pocophone F1 ) имеют заднюю панель из кевлара, которую предпочитают другим материалам, таким как углеродное волокно, из-за ее устойчивости и отсутствия помех при передаче сигнала. [52]
Композиционные материалы из кевларового волокна и эпоксидной матрицы могут использоваться в турбинах морского течения (MCT) или ветряных турбинах благодаря их высокой удельной прочности и легкому весу по сравнению с другими волокнами. [53]
Арамидные волокна широко используются для армирования композиционных материалов, часто в сочетании с углеродным волокном и стекловолокном . Матрицей для высокоэффективных композитов обычно является эпоксидная смола . Типичные области применения включают монококовые кузова для автомобилей Формулы 1 , лопасти вертолетов, теннис , настольный теннис , ракетки для бадминтона и сквоша , каяки , биты для крикета , а также клюшки для хоккея на траве , хоккея с шайбой и лакросса . [54] [55] [56] [57]
Кевлар 149, самое прочное волокно с наиболее кристаллической структурой, является альтернативой в некоторых областях авиастроения. [58] Одним из вариантов применения является передняя кромка крыла, поскольку кевлар менее склонен к разрушению при столкновении с птицами, чем углеродное или стекловолокно.
