Арамидная ткань: описание материала, свойства и области применения
Арамидная ткань – это относительно новый материал, обладающий особой прочностью, термоустойчивостью, инертностью к действию химических веществ. Используется для пошива специальной одежды военным, пожарникам, сотрудникам МЧС, металлургам.
Как и из чего сделана арамидная ткань
Материал сделан из арамидных волокон. Это полимерные образования, в которых мономеры, содержащие ароматические кольца, связаны друг с другом линейными и поперечными связями. Прочность арамидной ткани обусловлена именно поперечными связями, содержание которых достигает 85%. В ароматических структурах различают орто-, мета- и пара-положения. Арамидные волокна делают из мета-арамидов, пара-арамидов и сополимеров арамида.
- Пара-арамиды имеют названия тварон, кевлар, СВМ, терлон.
- Мета-арамиды называются номекс, арселон.
- Сополимеры арамидов называются кермель.
Все арамидные волокна обладают повышенными защитными свойствами. Мета-арамиды отличаются особой прочностью. Пара-арамиды имеют повышенные термозащитные качества.
Арамидные ткани делают, используя следующие виды переплетения нитей:
Некоторые арамидные полотна относятся к трикотажным изделиям. Их вяжут на специальных станках из петель.
Баллистическая разновидность арамидных тканей состоит из нескольких слоев. Плетение нитей в каждом слое отличается. Иногда верхний слой делают как нетканый материал.
Отдельные виды материалов
Существует много разновидностей арамидных тканей, отличающихся строением волокон, типом плетения нитей, плотностью, дополнительными свойствами. Остановимся на самых распространенных.
Кевлар
Первый арамидный волокнистый продукт сделали в Америке в 1964 году. Разработчик – компания DuPont. Ткань назвали кевлар. Волокна использовали для производства шин, бронежилетов, проводов, касок. Из кевлара шили очень прочные рабочие перчатки, которые повредить было невозможно. Ткань хорошо переносит кратковременные термические нагрузки. Если кевлар нагревается без перерыва долго (более 60 часов), то термопрочность может снизиться вдвое.
Тварон
Тварон делают в компании Тейджин Арамид, производства которой расположены в Нидерландах, Японии. По качеству ткань аналогична кевлару. Легкий вес, высокая упругость, прочность, инертность к химическим реагентам, диэлектрическая и термическая устойчивость делают тварон уникальным.
В 1970 году в СССР был произведен синтетический высокопрочный материал, который так и назвали, СВМ. В последующем идея получила развитие в России. Более совершенная форма СВМ – это русар и армос. Новая модификация технологии позволила повысить прочность тканей. Как свидетельствует название, используют их в основном для пошива одежды, обмундирования военным.
Номекс
Первой мета-арамидной тканью стал номекс, произведенный в 1961 году в Америке компанией DuPont. Он эластичен, может выдерживать большие термические нагрузки. Прочность номекса немного ниже, чем у кевлара, а стойкость к изгибанию в 3 раза больше. Номекс обугливается при температуре 370°С, до этого значения температуры не расплавляется. Применяют ткань для пошива специальной одежды, защищающей от действия высоких температур.
Арселон
Во времена СССР в 70-е годы на территории Белоруссии запустили производство отечественного аналога номекса – арселона. Производство работает в Белоруссии поныне. Волокна выдерживают длительную нагрузку 250°С, кратковременную — 400°С. Арселон – легкий, инертный, эластичный материал, из которого делают одежду пожарникам, металлургам, сварщикам. Арселоном обивают салоны самолетов и железнодорожных вагонов.
Кермель
Во второй половине прошлого века во Франции начали производить арамидную ткань кермель. Материя мягкая, удобная, приятная на теле, прочно окрашена в яркий цвет. Из кермели делают нательный трикотаж, шьют спецодежду для рабочих горячих производств.
Общие качества арамидных тканей
Из арамидных волокон делают несколько видов разной продукции. Многие достоинства присущи всей группе материалов.
- Удивительная прочность, которая значительно превышает прочностные характеристики стали.
- Маленький вес. Арамидные ткани гораздо легче стекловолоконных материалов.
- Способность сохранять защитные качества при очень высоких температурах. При температуре меньше 0°С защитные способности усиливаются.
- Неспособность гореть и плавиться.
- Огромная устойчивость к механическому действию. Ткань способна защитить от пуль.
- Абсолютная инертность к действию микробов.
- Способность сохранять форму весь период эксплуатации.
Арамидным тканям присущи некоторые недостатки.
- При намокании в воде прочность теряется. Восстанавливается после высыхания материала.
- Арамидные ткани стареют. Для увеличения строка эксплуатации материал дополнительно пропитывают. Производители дают гарантии сохранения качества на протяжении 10 лет.
- Некоторые виды арамидных материалов чувствительны к действию солнца.
Разработчики продолжают усовершенствовать технологию получения волокон и материалов. Это позволяет надеяться на уменьшение количества недостатков в будущем.
Арамидные ткани незаменимы при производстве спецодежды для военных, спасателей, пожарников, металлургов. Из них делают одежду, боевую форму, бронежилеты, каски, оснащение. Благодаря этому материалу спасено большое количество человеческих жизней.
Читайте также: Ткань для пошива формы дзюдо
Кевлар арамид — что такое и для чего применяется?
Кевлар (арамид) — материал с уникальными свойствами. Хотя его часто сравнивают с углеродным волокном, между этими двумя материалами есть много важных различий.
Арамид и углеродное волокно различаются не только по цвету — арамид желтый, а углеродное волокно черное, они различаются в основном по свойствам и назначению, дополняя потребности друг друга в промышленных секторах.
В этой статье мы обсудим свойства арамидных композитов, а также укажем преимущества и недостатки, перечислим практические примеры использования кевлара (арамида) в различных отраслях промышленности и конечных продуктах.
История изобретения кевлара
Арамид — это группа материалов с разными торговыми наименованиями.
Первой компанией, открывшей арамидный материал, была компания Dupont, которая в середине 1960-х назвала его собственным именем — Кевлар. Этот материал поступил в продажу в 1973 году.
Арамид был изобретен химиком польского происхождения Стефанией Кволек в поисках легкого материала для усиления, используемого в шинах. Она искала материал, который должен был быть легче и прочнее, чем обычно используемый нейлон.
Со временем другие производители начали производить арамид с немного другими параметрами, но с теми же основными общими характеристиками, такими как, среди прочего, исключительно высокая устойчивость к ударам и трению.
Торговые наименования арамида, которые продаются различными производителями: Kevlar и Nomex, используемые Dupont, Twaron и Technora, используемые японским Teijin, Arawin, используемые корейским производителем Toray, Kolon, используемые корейским производителем Heracron, и некоторые менее известные названия для арамида производится в основном китайскими производителями.
В настоящее время кевлар является самым известным материалом, используемым в производстве арамидных композитов, поэтому далее в статье мы будем часто использовать чередующиеся названия Кевлар/Арамид.
Независимо от того, говорим ли мы о кевларе, твароне или номексе, каждый из этих материалов является арамидом и обладает уникальными свойствами, такими как чрезвычайно высокая устойчивость к внезапным ударам и трению, устойчивость к высоким температурам и низкий собственный вес. Эти свойства широко используются в таких отраслях, как военная, авиационная, шинная промышленность, производство защитной одежды и перчаток, автоспорт, водные виды спорта и многие другие отрасли. Палитра приложений потрясающая и постоянно расширяется.
Преимущества арамидных композитов
Высокая стойкость к ударам и разрушению
Арамид — это материал с исключительно высокой ударопрочностью, он не ломается под воздействием удара — он поглощает удары. Он обычно используется при производстве бронежилетов, корпусов лодок, байдарок и в качестве противоосколочных покрытий для военной техники.
Композит, состоящий из 100% арамида, имеет примерно в 5 раз большую ударную вязкость, чем композит из углеродного волокна (испытание на удар падающим весом). Устойчивость к ударам или огнестойкость оружейных пуль арамиды обязаны длинным цепочкам атомов, из которых они состоят.
Эти свойства используются, в частности, в военной промышленности для производства бронежилетов и баллистических танков.
Бронежилеты изготавливаются из нескольких десятков слоев арамида, обычно разделенных керамической пластиной. Баллистические кожухи, используемые в бронетехнике, такой как танк US M1, изготовлены из стальных — арамидных — стальных конструкций, стойких к противотанковым снарядам диаметром до 700 мм. Что немаловажно, как для солдата в бронежилете, так и для экипажа танка арамид значительно поглощает удары, возникающие при попадании пули.
Примером использования кевлара также является Apache Boeing AH-64 — базовый ударный вертолет в США. Главный и стабилизирующий винты изготовлены из кевлара. Задача кевлара — защитить винты вертолета от снарядов диаметром до 23 мм.
Высокая ударопрочность также широко используется в лодках и каяках. Все лодки, участвующие в ежегодных кругосветных круизах Volvo Ocean Race, имеют корпус из арамида, и почти все высокопроизводительные каяки для водных видов спорта имеют корпус из арамидных или арамидно-углеродных тканей.
Еще одно практическое применение кевлара — раллийные автомобили, в которых внутренние колесные арки и пластина под двигателем изготовлены из этого материала. Кевлар защищает ключевые механические элементы раллийного автомобиля от ударов, например, камней.
Низкая собственная плотность / небольшой вес
Арамидные волокна — одно из самых легких волокон, используемых при производстве композитов. Использование арамидных тканей в композитах позволяет не только повысить стойкость композита к ударам и трению, но и значительно снизить вес композитного элемента.
Композиты из арамида примерно на 20% легче, чем композиты из углеродного волокна, которые считаются очень легкими.
Читайте также: Ткани для юбок какие есть
Арамидные волокна имеют плотность
1,45 г / см 3, а композит из арамида и эпоксидной смолы имеет плотность
При расчетах использовалась плотность эпоксидной смолы с отвердителем
1,1 г / см 3 и передовая технология производства композитов — метод препрега в автоклаве.
Для сравнения, углеродные волокна, считающиеся одними из самых легких материалов , имеют плотность 1,55 г / см 3 для углеродного композита и эпоксидной смолы.
Другими словами, арамидный композит примерно на 20% легче, чем композит из углеродного волокна.
Как соотносится вес арамидного композита с металлами?
Плотность арамидного композита составляет 1,3 г / см 3 , плотность алюминия — 2,7 г / см 3 , титана — 4,5 г / см 3 и стали — 7,9 г / см 3 .
Другими словами, арамидный композит примерно в 2 раза легче алюминия, в 3,4 раза легче титана и в 6 раз легче стали.
Умеренная жесткость — устраняет разрыв между стекловолокном и углеродным волокном.
Арамидный композит — это жесткий материал, он превосходит по жесткости стекловолоконный композит, но значительно уступает в этом отношении композитам из углеродного волокна.
Существует много типов углеродных и арамидных волокон — например, стандартный модуль, средний модуль или высокий модуль, которые значительно различаются по жесткости, цене и устойчивости к повреждению композита.
Приведенные ниже данные показывают жесткость различных волокон для стекла, углерода и арамида. Модуль Юнга измеряется вдоль волокна.
Жесткость различных композитных волокон:
- Стеклоткани — от 72 ГПа (стандартные ткани из Е-стекла) до 87 ГПа (ткани с повышенной прочностью S-стекла).
- Ткани из углеродного волокна — от 230 ГПа (стандартные волокна, используемые при производстве композитов, например Toray T300) до 590 ГПа (сверхвысокомодульные волокна HM — например, Toray M60J).
- Арамид — от 96 ГПа (стандартные арамидные ткани, используемые в композитах — например, кевлар 129) до — 186 ГПа (арамидные ткани, используемые в аэрокосмической промышленности — например, кевлар 149).
Для простоты можно предположить, что арамидные композиты, изготовленные из стандартных тканей, примерно на 30-40% жестче, чем композиты из стекла, но значительно уступают углеродным композитам и имеют примерно половину жесткости, чем углеродные композиты.
Низкое тепловое расширение
Арамиды очень устойчивы к воздействию температуры, с практически нулевым, слегка отрицательным коэффициентом теплового расширения. Тепловое расширение арамида составляет (-2,4 x 10-6 / ° C).
Не проводит электричество
Арамид является изолятором и не проводит электричество.
Хорошая стойкость к истиранию и порезам
Композиты Кевлар (арамид) обычно используются в элементах, подверженных трению, таких как крышки двигателей раллийных автомобилей.
В горнодобывающей промышленности, например, в угольной, арамид используется для усиления резиновых конвейерных лент путем добавления рыхлых арамидных волокон. По заявлению производителя кевлара, это увеличивает прочность на трение транспортных ремней примерно на 50-70%. Эти свойства используются не только в композитных материалах, но и в рабочей одежде, такой как перчатки, которые обладают повышенной устойчивостью к порезам благодаря использованию арамидных тканей, таких как Twaron или Kevlar.
Гашение вибрации
Ценным свойством арамидных композитов является высокая демпфирующая сила и устойчивость к вибрациям, которые используются в компонентах, подверженных вибрации, таких как, например, компоненты самолетов.
Низкая относительная электрическая проницаемость
Арамидный композит имеет низкую относительную электрическую проницаемость —
3,85 (10 ГГц). Это обеспечивает хорошую передачу сигнала антенн через защитные крышки / купола из Кевлар (арамид). Обычно такие экраны используются для защиты военных антенн, установленных на самолетах. Они обеспечивают как хорошее пропускание антенного сигнала, так и защищают антенны от повреждений.
Для сравнения: защитные купола из стеклоткани E имеют относительную электрическую проницаемость 6,1 (10 ГГц), то есть примерно на 60% хуже пропускание антенного сигнала по сравнению с арамидными экранами.
Помимо арамида, кварцевые волокна также используются для производства антенных экранов, которые также имеют низкую относительную электрическую проницаемость 3,78 (10 ГГц).
Может использоваться одновременно с другими типами тканей.
Арамидные волокна могут использоваться в углеродных и стеклянных композитах, изменяя их параметры по своему усмотрению, что дает большие возможности производителям композитных изделий.
В случае композитов из углеродного волокна для увеличения их ударной вязкости добавляют несколько слоев арамида или используют гибридные ткани, в которых 50% волокон составляют арамид, а 50% — углерод.
Недостатки арамидных композитов
Поглощение влаги — гигроскопичность
Арамидные волокна гигроскопичны и впитывают относительно много влаги ( даже до 6% от их веса), поэтому арамидные композиты должны быть должным образом защищены — чаще всего лаком, чтобы ограничить поглощение влаги.
Читайте также: В ярости бык атакует ткань красную
Часто для повышения стойкости верхних слоев арамидных композитов к влаге и микротрещинам в качестве верхних слоев используют 1 слой стеклоткани, что дополнительно обеспечивает адгезию лаков, что облегчает ремонт лакового покрытия.
Кроме того, для композитов, контактирующих с водой, используются разновидности арамида с пониженной впитывающей способностью, такие как, например, Kevlar 149 или Armos.
Любопытно — впитывающая способность стандартных арамидных тканей настолько высока, что в сочетании со свойствами, защищающими от огня/ожогов, этот материал используется в огненных шоу, где он пропитан парафином. С одной стороны, впитывающая способность арамида приводит к тому, что парафин должным образом пропитывается, что обеспечивает длительное время горения пламени, с другой стороны, этот материал не разлагается во время горения и устойчив к высоким температурам.
Сложная обработка и обработка
Волокна кевлара трудно разрезать, поэтому производство композитов с использованием арамидных тканей требует больших усилий. Трудно разрезать как сухие ткани, так и готовый композит.
Для раскроя сухих тканей часто используют лазерную резку или мелкую раскройку специальных ножниц, приспособленных для раскроя арамида. Для резки готовых арамидных композитов используют гидрорезку или специальные фрезы с твердосплавным или алмазным покрытием. Резка резцами обычно оставляет немного неровные края композита.
Арамидные волокна прилипают хуже, чем стеклянные или углеродные волокна, и смолу сложнее фильтровать, поэтому рекомендуется использовать эпоксидные смолы для производства арамидных композитов, которые обладают более прочными связующими свойствами для последующих слоев арамидных тканей.
Разложение под воздействием УФ-лучей
Арамидные волокна не очень устойчивы к УФ-излучению.
УФ-излучение (солнце) разрушает арамидные волокна, поэтому арамидные композиты следует защищать лаком или слоем защитного материала, например, полиэфирным покрытием на арамидных веревках.
Высокая стоимость материала
Арамид — дорогой материал, его цена аналогична цене углеродного волокна, поэтому этот материал используется только в определенных областях, где требуется сопротивление трению/ударам выше среднего и, в то же время, малый вес конечный продукт важен.
Низкая прочность на сжатие
Арамидные волокна имеют меньшую прочность на сжатие, чем стекловолокна и углеродные волокна, поэтому для элементов, подвергающихся высокому давлению, используются гибридные ткани — комбинация углеродного волокна и арамида.
Практическое применение арамида
Практические возможности использования арамида огромны. Вот список практических примеров изделий из Кевлар (арамид).
Использование кевлар-арамида в композитах
- Бронежилеты
- Аэродинамические детали для автоспорта, подверженные трению, ударам — например, колесные арки, пластина под двигателем
- Фюзеляжи самолетов (часто гибриды углерод-кевлар), пропеллеры, обшивка
- Багажные люки для чемоданов в самолетах
- Крышки спутниковых антенн, устанавливаемых на военные самолеты
- Доски для серфинга
- Каноэ
- Корпуса кораблей
- Баллоны для сжиженного нефтяного газа — на 70% легче стали и диаметрально более безопасны для ударов, чем баллоны из стекловолокна — например, баллоны производства компании Low8
Пожалуй, самый красивый пример использования кевлара — это проект пилота RDS Никиты Шикова, его Supra A90 Groza. Журнал Low daily опубликовал статью об этом потрясающем истребителе шин. Почитать можно тут.
Использование арамида в виде сухой ткани
- Защитная одежда — огнестойкая, включая военную одежду (например, a2cu), противопожарную одежду, используемую в гонках F1 и NASCAR (чаще всего Nomex)
- Устойчивые к порезам перчатки
- Усиление резиновых элементов, например, зубчатых ремней
- Усиление шин
- Веревки
- Оптические кабели, в которых арамидные волокна предотвращают разрыв кабелей и защищают их от временного контакта с огнем
- Парусные подкрепления
- Барабаны
- В сотах используется арамидная бумага — легкий разделительный материал
Резюме
Кевлар (арамид) занимает первое место среди композитных материалов по сопротивлению удару, трению и порезам — ни один другой композитный материал не имеет лучших показателей в этом отношении.
Арамид также является одним из самых легких доступных композитных волокон — арамидные композиты примерно на 20% легче углеродных композитов.
В то же время у него есть свои недостатки, такие как сложность обработки и обработки материала или влагопоглощение.
Надеемся, что знание преимуществ и недостатков, представленных в этой статье, позволит инженерам и дизайнерам лучше понять этот материал и правильно его использовать — таким образом, чтобы воспользоваться его достоинствами и устранить недостатки еще на этапе проектирования производства.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом