Кевлар - Kevlar

Кевлар
Шаровидная модель одного слоя кристаллической структуры.
Арамидное волокно2.jpg
Имена
Название ИЮПАК
Поли (азандиил-1,4-фениленазандиилтерефталоил)
Идентификаторы
ChemSpider
Характеристики
[-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?) проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Кевлар (пара-арамид) - термостойкое и прочное синтетическое волокно , родственное другим арамидам, таким как Nomex и Technora . Этот высокопрочный материал, разработанный Стефани Кволек в DuPont в 1965 году, впервые был использован в коммерческих целях в начале 1970-х годов в качестве замены стали в гоночных шинах. Обычно из него прядут веревки или полотна ткани, которые можно использовать как таковые или как ингредиент в компонентах композитного материала .

Кевлар имеет множество применений, от велосипедных шин и гоночных парусов до пуленепробиваемых жилетов , все благодаря его высокому отношению прочности на разрыв к весу ; по этому показателю он в пять раз прочнее стали. Он также используется для изготовления современных маршевых пластиков , выдерживающих высокие удары. Он также используется для швартовки тросов и других подводных применений.

Подобное 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 Twaron производится компанией Teijin .

История

Изобретатель кевлара, Стефани Кволек , американский химик

Полипарафенилентерефталамид (K29) - известный как кевлар - был изобретен американским химиком Стефани Кволек, когда он работал в DuPont, в ожидании нехватки бензина. В 1964 году ее группа начала поиск нового легкого прочного волокна для изготовления легких, но прочных шин. Полимеры, с которыми она работала в то время, поли-п-фенилен-терефталат и полибензамид, образовывали жидкие кристаллы в растворе, что было уникальным для этих полимеров того времени.

Раствор был «мутным, опалесцирующим при перемешивании и низкой вязкостью », и его обычно выбрасывали. Тем не менее, Кволек уговорил техник, Чарльз Smullen, который управлял фильеры , чтобы испытать ее решение, и был поражен, обнаружив , что волокна не ломаются, 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. Однако Кволек не очень участвовал в разработке приложений кевлара. Кевлар 149 был изобретен доктором Якобом Лахиджани из Dupont в 1980-х годах.

Производство

Реакция 1,4-фенилендиамина ( пара -фенилендиамина ) с терефталоилхлоридом с образованием кевлара.

Кевлар синтезирован в растворе из мономеров 1,4- фенилен -ди амин ( пункт -phenylenediamine ) и терефталоилхлорид в реакции конденсации , получ хлористо - водородную кислоту в качестве побочного продукта. Результат имеет жидкокристаллическое поведение, а механическое вытягивание ориентирует полимерные цепи в направлении волокна. Первоначально для полимеризации использовался гексаметилфосфорамид (HMPA) , но по соображениям безопасности DuPont заменил его раствором N -метилпирролидона и хлорида кальция. Поскольку этот процесс был запатентован Akzo (см. Выше) при производстве Twaron , последовала патентная война .

Производство кевлара является дорогостоящим из-за трудностей, связанных с использованием концентрированной серной кислоты , необходимой для удержания нерастворимого в воде полимера в растворе во время его синтеза и формования .

Доступны несколько марок кевлара:

  • Кевлар К-29 - для промышленного применения, например, для кабелей, замены асбеста , шин и тормозных накладок.
  • Кевлар К49 - высокомодульный, используемый в кабельно-канатной продукции.
  • Кевлар K100 - цветная версия кевлара
  • Кевлар K119 - более эластичный, более эластичный и устойчивый к усталости
  • Кевлар K129 - более высокая прочность для баллистических применений
  • Кевлар K149 - высочайшая прочность для баллистических, броневых и аэрокосмических применений.
  • Кевлар AP - прочность на разрыв на 15% выше, чем у K-29
  • Кевлар XP - более легкая смола и комбинация волокон KM2 plus
  • Кевлар KM2 - повышенная баллистическая стойкость для брони

Ультрафиолетового компонента солнечного света деградирует и разлагает кевлар, проблемы , известной как УФ деградации , и поэтому она редко используется на открытом воздухе без защиты от солнечных лучей.

Структура и свойства

Молекулярная структура кевлара: жирным шрифтом обозначено мономерное звено, пунктирными линиями обозначены водородные связи.

Когда кевлар прядут , полученное волокно имеет предел прочности на разрыв около 3620 МПа (525000 фунтов на квадратный дюйм) и относительную плотность 1,44 (0,052 фунта / дюйм 3 ). Полимер обязан своей высокой прочностью множеству межцепочечных связей. Эти межмолекулярные водородные связи образуют между карбонильными группами и N H центрами. Дополнительная сила достигается за счет ароматического взаимодействия между соседними нитями. Эти взаимодействия имеют большее влияние на кевлар, чем взаимодействия Ван-дер-Ваальса и длину 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 помешать взаимодействию цепей, поэтому необходимо избегать включения в их образование. Структура кевлара состоит из относительно жестких молекул, которые, как правило, образуют плоские структуры, похожие на шелковый белок.

Тепловые свойства

Кевлар сохраняет свою прочность и устойчивость до криогенных температур (-196 ° C (-320,8 ° F)); на самом деле он немного сильнее при низких температурах. При более высоких температурах прочность на разрыв сразу же снижается примерно на 10–20%, а через несколько часов прочность еще больше снижается. Например: при выдерживании 160 ° C (320 ° F) в течение 500 часов его прочность снижается примерно на 10%; и выдерживая 260 ° C (500 ° F) в течение 70 часов, его прочность снижается примерно на 50%.

Приложения

Наука

Кевлар часто используется в области криогеники из- за его низкой теплопроводности и высокой прочности по сравнению с другими материалами для изготовления суспензий . Чаще всего он используется для подвешивания парамагнитной соляной оболочки к оправке сверхпроводящего магнита , чтобы минимизировать любые утечки тепла на парамагнитный материал. Он также используется в качестве теплового барьера или структурной опоры, где желательны низкие тепловые утечки.

Тонкое кевларовое окно использовалось в эксперименте NA48 в ЦЕРНе для отделения вакуумного сосуда от сосуда с почти атмосферным давлением, оба 192 см (76 дюймов) в диаметре. Окно обеспечивает вакуумную герметичность в сочетании с относительно небольшим количеством материала (всего от 0,3% до 0,4% радиационной длины ).

Защита

Кусочки кевларового шлема, которые помогают поглотить взрыв гранаты.

Кевлар - хорошо известный компонент личной брони, такой как боевые шлемы , баллистические маски для лица и баллистические жилеты . Шлет PASGT и жилет , используемый США вооруженных сил, использовать кевлар в качестве ключевого компонента в их конструкции. Другие виды использования в военных целях включают пуленепробиваемые маски для лица и противоосколочные вкладыши, используемые для защиты экипажей боевых бронированных машин . Авианосцы класса « Нимиц» используют усиление кевларом в жизненно важных областях. Гражданские применения включают: униформу с высокой термостойкостью, которую носят пожарные, бронежилеты, которые носят полицейские, службы безопасности и полицейские тактические группы, такие как SWAT .

Кевлар используется для производства перчаток, рукавов, курток, головных уборов и других предметов одежды, предназначенных для защиты пользователей от порезов, ссадин и тепла. Защитное снаряжение на основе кевлара часто значительно легче и тоньше, чем аналогичное снаряжение, сделанное из более традиционных материалов.

Кевлар - очень популярный материал для гоночных каноэ.

Он используется для защитной одежды мотоциклов , особенно в таких областях, как плечи и локти. В фехтовании используется в защитных куртках, бриджах, пластронах и нагрудниках масок. Он все чаще используется в пето , мягком покрытии, которое защищает лошадей пикадоров на арене. Конькобежцы также часто носят подкладку из кевларовой ткани, чтобы предотвратить возможные ранения от коньков в случае падения или столкновения.

Спорт

В кюдо , или японской стрельбе из лука , он может использоваться как альтернатива более дорогой конопле для струн . Это один из основных материалов, используемых для подвески параплана . Он используется в качестве внутренней прокладки для некоторых велосипедных шин для предотвращения проколов. В настольном теннисе слои кевлара добавляются к лезвиям или лопастям, изготовленным по индивидуальному заказу, для увеличения отскока и уменьшения веса. На теннисные ракетки иногда натягивают кевлар. Он используется в парусах высокопроизводительных гоночных лодок.

В 2013 году, благодаря достижениям в области технологий, Nike впервые применила кевлар в обуви. Она выпустила серию Elite II, в которой были усовершенствованы предыдущие версии баскетбольных кроссовок за счет использования кевлара в передней части, а также шнурков для обуви . Это было сделано для уменьшения эластичности носка обуви в отличие от нейлона, используемого обычно, поскольку кевлар расширился примерно на 1% по сравнению с нейлоном, который расширился примерно на 30%. Обувь в этой линейке включала LeBron, HyperDunk и Zoom Kobe VII. Однако эти кроссовки были выпущены в ценовом диапазоне, намного превышающем среднюю стоимость баскетбольных кроссовок. Он также использовался в шнурках для футбольных бутс Adidas F50 adiZero Prime.

Несколько компаний, в том числе Continental AG , производят велосипедные шины с кевларом для защиты от проколов.

Велосипедные шины со складывающимся бортом, представленные в велоспорте Томом Ричи в 1984 году, используют кевлар в качестве борта вместо стали для снижения веса и прочности. Побочным эффектом складывания борта является уменьшение площади полки и пола, необходимой для демонстрации велосипедных шин в розничной торговле, поскольку они складываются и помещаются в небольшие коробки.

Музыка

Кевлар также обладает полезными акустическими свойствами для диффузоров громкоговорителей , особенно для низкочастотных и среднечастотных динамиков . Кроме того, кевлар использовался в качестве силового элемента в волоконно-оптических кабелях, таких как те, которые используются для передачи аудиоданных.

Кевлар можно использовать в качестве акустической основы смычков для струнных инструментов . Физические свойства кевлара обеспечивают прочность, гибкость и стабильность для пользователя лука. На сегодняшний день единственным производителем лука этого типа является CodaBow .

Кевлар также в настоящее время используется в качестве материала для tailcords (аки хвостовых наладчиков), которые соединяют хвостовик к endpin из смычковых струнных инструментов.

Кевлар иногда используется в качестве материала для маршевых малых барабанов. Он обеспечивает чрезвычайно высокое натяжение, что приводит к более чистому звуку. Обычно на кевлар заливают смолу, чтобы сделать голову воздухонепроницаемой, и верхний нейлоновый слой, чтобы получить плоскую ударную поверхность. Это один из основных типов маршевых пластиков малого барабана. Нашивка Remo 'Falam Slam сделана из кевлара и используется для усиления пластиков бас-барабана в местах ударов колотушки.

Кевлар используется в трости для деревянных духовых инструментов Fibracell. Материал этих тростников - это композит из аэрокосмических материалов, созданный для того, чтобы повторить то, как природа строит тростник. Очень жесткие, но звукопоглощающие волокна кевлара подвешены в составе легкой смолы.

Автомобили

Кевлар иногда используется в конструктивных элементах автомобилей, особенно в дорогостоящих автомобилях, таких как Ferrari F40 .

Рубленое волокно использовалось в качестве замены асбеста в тормозных колодках . Действительно, арамиды выделяют меньшее количество переносимых по воздуху волокон, чем асбестовые тормоза. Волокна асбеста известны своими канцерогенными свойствами.

Другое использование

Пои с костром на пляже в Сан-Франциско
Кевларовый причальный трос

Фитили для реквизита для танцев с огнем изготавливаются из композитных материалов с добавлением кевлара. Кевлар сам по себе не очень хорошо впитывает 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.

Кевларовое волокно используется в канате и кабеле, где волокна удерживаются параллельно внутри полиэтиленовой гильзы. Кабели использовались в подвесных мостах, таких как мост в Аберфелди, Шотландия . Они также использовались для стабилизации растрескивающихся бетонных градирен с помощью кругового крепления с последующим натяжением для закрытия трещин. Кевлар широко используется в качестве защитной внешней оболочки для волоконно-оптического кабеля , поскольку его прочность защищает кабель от повреждений и перегибов. При использовании в этом приложении он обычно известен под торговой маркой Parafil.

Кевлар использовался учеными Технологического института Джорджии в качестве основы текстиля для экспериментов по производству одежды, производящей электричество. Это было сделано путем вплетения нанопроволок оксида цинка в ткань. В случае успеха новая ткань будет генерировать около 80 милливатт на квадратный метр.

Выдвижная крыша из кевлара площадью более 60 000 кв. Футов (5600 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 через 10 лет в мае 1998 г. после ряда проблем.

Кевлар используется в качестве армирующего слоя в компенсаторах резиновых сильфонов и резиновых шлангах , для использования при высоких температурах и из-за его высокой прочности. Он также используется в качестве слоя оплетки на внешней стороне шлангов в сборе для дополнительной защиты от острых предметов.

Некоторые мобильные телефоны (включая Motorola RAZR Family , Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 и Pocophone F1 ) имеют заднюю панель из кевлара, которую предпочитают другим материалам, таким как углеродное волокно, из-за его устойчивости и отсутствия помех при передаче сигнала.

Композиционные материалы кевларовое волокно / эпоксидная матрица могут использоваться в морских токовых турбинах (MCT) или ветряных турбинах из-за их высокой удельной прочности и легкого веса по сравнению с другими волокнами.

Композитные материалы

Арамидные волокна широко используются для армирования композитных материалов, часто в сочетании с углеродным волокном и стекловолокном . Матрица для композитов с высокими эксплуатационными характеристиками обычно представляет собой эпоксидную смолу . Типичные области применения включают корпуса- монококи для гоночных автомобилей F1 , лопасти винта 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 .

Кевлар 149, самое прочное волокно и наиболее кристаллическое по структуре, является альтернативой в некоторых частях авиастроения. Одно из применений - это передняя кромка крыла, поскольку кевлар менее подвержен разрушению, чем углеродное или стекловолокно, при столкновении с птицами.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки