Кевлар (параарамид) [2] — прочное, термостойкое синтетическое волокно , родственное другим арамидам , таким как Nomex и Technora . Разработанный Стефани Кволек в DuPont в 1965 году, [3] [2] [4] этот высокопрочный материал впервые был использован в коммерческих целях в начале 1970-х годов в качестве замены стали в гоночных шинах. Обычно его прядут в канаты или тканевые листы, которые можно использовать как таковые или в качестве ингредиента в компонентах из композитных материалов .
Кевлар имеет множество применений, начиная от велосипедных шин и гоночных парусов и заканчивая бронежилетами , и все это благодаря его высокому соотношению прочности на разрыв к весу ; по этому показателю он в пять раз прочнее стали. [2] Он также используется для изготовления современных маршевых барабанов , выдерживающих сильные удары; а также для швартовных канатов 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, а Twaron производится компанией Teijin . [5] [6]
Полипарафенилентерефталамид (K29) — под торговой маркой Kevlar — был изобретен польско-американским химиком Стефани Кволек во время работы в DuPont, в ожидании нехватки бензина. В 1964 году ее группа начала поиск нового легкого прочного волокна для использования в легких, но прочных шинах. [7] Полимеры, с которыми она работала, поли-п-фенилентерефталат и полибензамид, [8] образовывали жидкие кристаллы в растворе, что было уникальным для полимеров того времени. [7]
Раствор был «мутным, опалесцирующим при перемешивании и имел низкую вязкость » и обычно выбрасывался. Однако Кволек убедила техника Чарльза Смуллена, который управлял прядильной машиной , проверить ее раствор и с удивлением обнаружила, что волокно не рвется, в отличие от нейлона . Ее руководитель и директор лаборатории поняли значимость ее открытия, и быстро возникла новая область химии полимеров . К 1971 году был представлен современный кевлар. [7] Однако Кволек не принимала особого участия в разработке приложений кевлара. [9]
В 1971 году Лестер Шубин , который тогда был директором по науке и технологиям Национального института по обеспечению правопорядка и уголовному правосудию, [10] предложил использовать кевлар вместо нейлона в бронежилетах. [11] До появления кевлара бронежилеты из нейлона обеспечивали гораздо более ограниченную защиту пользователей. Позже Шубин вспоминал, как развивалась эта идея: «Мы сложили его пару раз и выстрелили в него. Пули не прошли». В ходе испытаний они привязывали кевлар к анестезированным козам и стреляли в их сердце, спинной мозг, печень и легкие. Они следили за частотой сердечных сокращений и уровнем газов в крови коз, чтобы проверить наличие повреждений легких. Через 24 часа одна коза умерла, а у других были раны, не угрожающие жизни. [12] [13] [ требуется проверка ] Шубин получил грант в размере 5 миллионов долларов на исследование использования ткани в бронежилетах.
Кевлар 149 был изобретен Якобом Лахиджани из компании 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, дающей соляную кислоту в качестве побочного продукта. Результат имеет жидкокристаллическое поведение, а механическое вытягивание ориентирует полимерные цепи в направлении волокна. Гексаметилфосфорамид (HMPA) был растворителем, первоначально используемым для полимеризации , но из соображений безопасности DuPont заменил его раствором N -метилпирролидона и хлорида кальция. Поскольку этот процесс был запатентован Akzo (см. выше) при производстве Twaron , последовала патентная война . [15]
Производство кевлара является дорогостоящим из-за трудностей, возникающих при использовании концентрированной серной кислоты , необходимой для поддержания водонерастворимого полимера в растворе во время его синтеза и прядения . [16]
Доступны несколько марок кевлара:
Ультрафиолетовый компонент солнечного света разрушает и разлагает кевлар, эта проблема известна как деградация под воздействием ультрафиолета , и 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 (525000 фунтов на квадратный дюйм) [ 23] и относительную плотность 1,44 (0,052 фунта/дюйм3 ) . Полимер обязан своей высокой прочностью многочисленным межцепочечным связям. Эти межмолекулярные водородные связи образуются между карбонильными группами и центрами N H. Дополнительная прочность получается из ароматических стековых взаимодействий между соседними цепями. Эти взаимодействия оказывают большее влияние на кевлар, чем ван-дер-ваальсовы взаимодействия и длина цепи, которые обычно влияют на свойства других синтетических полимеров и волокон, таких как сверхвысокомолекулярный полиэтилен . Присутствие солей и некоторых других примесей, особенно кальция , может мешать взаимодействию нитей, и принимаются меры, чтобы избежать включения в его производство. Структура кевлара состоит из относительно жестких молекул, которые имеют тенденцию образовывать в основном плоские листообразные структуры, скорее похожие на шелковый белок. [24]
Кевлар сохраняет свою прочность и упругость 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 немедленно снижается примерно на 10–20%, а через несколько часов прочность постепенно снижается еще больше. Например: выдерживая 160 °C (320 °F) в течение 500 часов, его прочность снижается примерно на 10%; а выдерживая 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 целей подвески. Чаще всего он используется для подвешивания парамагнитного солевого корпуса к сверхпроводящему магнитному сердечнику, чтобы минимизировать любые утечки тепла в парамагнитный материал. Он также используется в качестве термического упора или структурной опоры, где желательны низкие утечки тепла.
Тонкое кевларовое окно использовалось в эксперименте NA48 в ЦЕРНе для отделения вакуумного сосуда от сосуда с давлением, близким к атмосферному, оба диаметром 192 см (76 дюймов). Окно обеспечивало герметичность вакуума в сочетании с достаточно малым количеством материала (всего 0,3–0,4 % длины излучения ). [ необходима цитата ]
Кевлар — известный компонент личной брони, такой как боевые шлемы , баллистические маски и баллистические жилеты . Шлем и жилет PASGT , используемые вооруженными силами США , используют кевлар в качестве ключевого компонента в своей конструкции. Другие военные применения включают пуленепробиваемые маски и противоосколочные подкладки, используемые для защиты экипажей бронированных боевых машин . Авианосцы класса «Нимиц» используют армирование кевларом в жизненно важных областях. Гражданские применения включают: высокотермостойкую униформу, которую носят пожарные, бронежилеты, которые носят сотрудники полиции, службы безопасности и тактические группы полиции, такие как SWAT . [26]
Кевлар используется для производства перчаток, рукавов, курток, краги 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 из более традиционных материалов. [26]
Он используется для защитной одежды для мотоциклистов , особенно в областях с накладками, таких как плечи и локти. В фехтовании он используется в защитных куртках, бриджах, пластронах и нагрудниках масок. Он все чаще используется в пето , набитом покрытии, которое защищает лошадей пикадоров на арене для боя быков. Конькобежцы также часто носят нижний слой из ткани кевлар, чтобы предотвратить возможные раны от коньков в случае падения или столкновения.
В кюдо , или японской стрельбе из лука , его можно использовать для тетивы лука , как альтернативу более дорогой [28] пеньке . Это один из основных материалов, используемых для строп параплана . [29] Его используют в качестве внутренней подкладки для некоторых велосипедных шин , чтобы предотвратить проколы. В настольном теннисе слои кевлара добавляются к специальным слоям лезвий или весла, чтобы увеличить отскок и уменьшить вес. Теннисные ракетки иногда обтягиваются кевларом. Его используют в парусах для гоночных лодок с высокими эксплуатационными характеристиками.
В 2013 году, благодаря достижениям в области технологий, Nike впервые использовала кевлар в обуви. Она запустила серию Elite II [30] с улучшениями по сравнению с более ранней версией баскетбольных кроссовок , используя кевлар в передней части, а также в шнурках . Это было сделано для того, чтобы уменьшить эластичность носка кроссовка в отличие от традиционно используемого нейлона, поскольку кевлар расширялся примерно на 1% по сравнению с нейлоном, который расширялся примерно на 30%. Обувь в этом диапазоне включала LeBron, HyperDunk и Zoom Kobe VII. Однако эта обувь была выпущена в ценовом диапазоне, намного превышающем среднюю стоимость баскетбольных кроссовок. Он 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. [31]
Велосипедные шины со складным бортом, представленные в велоспорте Томом Ричи в 1984 году, [32] [ круговая ссылка ] используют кевлар в качестве борта вместо стали для снижения веса и прочности. Побочным эффектом складного борта является сокращение площади полки и пола, необходимого для демонстрации велосипедных шин в розничной торговле, поскольку они складываются и помещаются в небольшие коробки.
Также было обнаружено, что кевлар обладает полезными акустическими свойствами для диффузоров громкоговорителей , особенно для басовых и среднечастотных динамиков. [33] Кроме того, кевлар использовался в качестве силового элемента в оптоволоконных кабелях, например, используемых для передачи аудиоданных. [34]
Кевлар может использоваться в качестве акустического сердечника на смычках струнных инструментов . [35] Физические свойства кевлара обеспечивают прочность, гибкость и устойчивость для пользователя смычка. На сегодняшний день единственным производителем этого типа смычков является CodaBow. [36]
В настоящее время кевлар также используется в качестве материала для шнуров (также известных как регуляторы струнодержателя), которые соединяют струнодержатель с концом струнных смычковых инструментов. [37]
Кевлар иногда используется в качестве материала для маршевых малых барабанов. Он обеспечивает чрезвычайно высокое натяжение, что приводит к более чистому звуку. Обычно на кевлар наливают смолу, чтобы сделать пластик герметичным, а верхний слой нейлона обеспечивает плоскую ударную поверхность. Это один из основных типов пластиков для маршевых малых барабанов. Нашивка Remo Falam Slam сделана из кевлара и используется для укрепления пластиков бас-барабана в местах ударов колотушки. [38]
Кевлар используется в деревянных духовых язычках Fibracell. Материал этих язычков представляет собой композит из аэрокосмических материалов, разработанный для копирования способа, которым природа создает тростниковые язычки. Очень жесткие, но звукопоглощающие волокна кевлара подвешены в легкой смоляной формуле. [39]
Кевлар иногда используется в конструктивных элементах автомобилей, особенно в дорогих автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками, таких как Ferrari F40 . [40]
Рубленое волокно использовалось в качестве замены асбеста в тормозных колодках . [41] Арамиды, такие как кевлар, выделяют меньше волокон в воздухе, чем асбестовые тормоза, и не обладают канцерогенными свойствами, связанными с асбестом. [42] [43]
Фитили для реквизита для огненных танцев изготавливаются из композитных материалов с добавлением кевлара. Сам по себе кевлар не очень хорошо впитывает топливо, поэтому его смешивают с другими материалами, такими как стекловолокно или хлопок . Высокая термостойкость кевлара позволяет использовать фитили многократно.
Кевлар иногда используется в качестве замены тефлона в некоторых сковородах с антипригарным покрытием. [44]
Кевларовое волокно используется в канатах и кабелях, где волокна удерживаются параллельно внутри полиэтиленовой оболочки. Кабели использовались в подвесных мостах, таких как мост в Аберфелди, Шотландия . Они также использовались для стабилизации трескающихся бетонных градирен путем нанесения по окружности с последующим натяжением для закрытия трещин. Кевлар широко используется в качестве защитной внешней оболочки для оптоволоконного кабеля , поскольку его прочность защищает кабель от повреждений и перегибов. При использовании в этом приложении он широко известен под торговым названием Parafil. [45]
Ученые из Технологического института Джорджии использовали кевлар в качестве базового текстиля для эксперимента по производству одежды, вырабатывающей электричество. Это было сделано путем вплетения в ткань нанопроводов оксида цинка . В случае успеха новая ткань будет генерировать около 80 милливатт на квадратный метр. [46]
Раздвижная крыша площадью более 60 000 кв. футов (5 600 м 2 ) из кевлара была ключевой частью проекта Олимпийского стадиона в Монреале для летних Олимпийских игр 1976 года . Она оказалась крайне неудачной, так как была завершена на 10 лет позже и заменена всего через 10 лет 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. Он также находится в качестве слоя оплетки, используемого снаружи шланговых сборок, для дополнительной защиты от острых предметов. [49] [50] [51]
Некоторые мобильные телефоны (включая Motorola RAZR Family , Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 и Pocophone F1 ) имеют заднюю панель из кевлара, выбранную вместо других материалов, таких как углеродное волокно, из-за его упругости и отсутствия помех при передаче сигнала. [52]
Композитные материалы на основе кевларового волокна и эпоксидной матрицы могут использоваться в морских турбинах (МСТ) или ветряных турбинах благодаря их высокой удельной прочности и малому весу по сравнению с другими волокнами. [53]
Арамидные волокна широко используются для армирования композитных материалов, часто в сочетании с углеродным волокном и стекловолокном . Матрицей для высокопроизводительных композитов обычно является эпоксидная смола . Типичные области применения включают монококовые корпуса для автомобилей Формулы 1 , лопасти вертолетных винтов, теннисные ракетки , ракетки для настольного тенниса , бадминтона и сквоша , байдарки , биты для крикета , а также клюшки для хоккея на траве , хоккея на льду и лакросса . [54] [55] [56] [57]
Кевлар 149, самое прочное волокно и наиболее кристаллическое по структуре, является альтернативой в некоторых частях конструкции самолета. [58] Передняя кромка крыла является одним из применений, поскольку кевлар менее подвержен разрывам при столкновении с птицами, чем углеродное или стеклянное волокно.
