Что нужно знать о кевларе – материале, прочнее стали?

Природа богата удивительными материалами. Возьмем, к примеру, дерево: этот материал настолько прочный и универсальный, что его можно использовать практически для всего на свете – от изготовления бумаги до строительства домов. Еще есть шерсть, которая позволяет животным сохранять тепло при минусовых температурах и кожа – материал, способный к восстановлению после повреждений всего за несколько дней. Однако, какими бы невероятными ни были эти материалы, они далеко не идеальны и не подходят для универсального применения. Но есть ли материал, которым мы пользуемся ежедневно? Прочный синтетический материал с красивым названием кевлар, часто описывают как материал «в пять раз прочнее стали при равном весе». Интересно, что применяется кевлар как в изготовлении лодок, тетивы для лука, так и в автомобильной промышленности. В этой статье поговорим о кевларе и причинах, по которым он настолько прочный.

Cверхпрочный кевлар известен своим применением в бронежилетах и автомобильной промышленности. Применяется в промышленном произведстве начиная с 1971 года.

Что такое кевлар?

По сути, кевлар – это сверхпрочный пластик. В мире существуют буквально сотни синтетических пластмасс, изготовленных путем полимеризации – химическего процесса образования высокомолекулярных соединений (полимеров) из низкомолекулярных (мономеров), которые обладают совершенно разными свойствами. Что же до кевлара, то его удивительные свойства частично объясняются его внутренней структурой и тем, что он сделан из волокон, которые плотно связаны друг с другом.

Отметим, что кевлар – запатентованный материал, производимый только химической компанией DuPont™, поставляется в двух основных разновидностях под названием кевлар 29 и кевлар 49 (другие разновидности изготавливаются для специального применения). По своей химической структуре кевлар напоминает другой универсальный защитный материал – номекс.

Кевлар и номекс – это примеры химических веществ, называемых синтетическими ароматическими полиамидами или арамидами для краткости. Эти синтетические материалы изготавливаются в химической лаборатории (в отличие от натуральных тканей, например хлопка или шерсти). Как и номекс, кевлар является дальним родственником нейлона, первого коммерчески успешного «суперполиамида», разработанного компанией DuPont в 1930-х годах.

Ну чем не перчатка бесконечности? На фото защитные перчатки из кевлара от Dupon.

Кевлар был открыт в 1964 голу американским химиком Стфани Кволек (1923-2014). Патент на изобретение кевлара Кволек получила вместе с Полом Морганом в 1966, а начиная с 1971 года кевлар активно применяется в промышленном производстве. Несмотря на то, что изначально кевлар был разработан как легкая замена стальных креплений в автомобильных шинах, сегодня он известен во всем мире благодаря использованию бронежилетов и защитных перчаток.

Правила ухода

При уходе за защитными приспособлениями нужно помнить, что кевлар – это полимер, который не переносит намокание, ультрафиолетовые лучи и химическую чистку, поэтому при уходе за ним нужно придерживаться рекомендаций производителя. Концерн Дюпон гарантирует сохранение защитных свойств и прочности своей кевларовой продукции до 10 циклов стирки. Выстиранные вещи следует сушить в закрытом помещении, а вот воздействие тепла им не вредит. Что же касается воздействия различных химикатов, особенно содержащих хлор, то контакт с ними крайне нежелателен, хотя очистка с помощью кислородных отбеливателей вполне допустима.

Свойства кеврала

Как уже упоминалось выше, кевлар примерно в пять раз прочнее стали, при этом он относительно легкий. Интересно и то, что в отличие от большинства пластмасс кевлар не плавится: материал выдерживает высокие температуры и разлагается только при температуре около 450°C. В отличие от своего родственного материала номекс, кевлар может воспламеняться, но горение обычно прекращается, если убрать источник тепла. Очень низкие температуры не оказывают никакого влияния на кевлар: представители компании Dupon не обнаружили «никакого охрупчивания или деградации материала» вплоть до температуры -196°C.

Как и другие пластмассы, длительное воздействие ультрафиолетового света (например, при солнечном свете) вызывает обесцвечивание и некоторую деградацию волокон кевлара. Этот материал может противостоять атакам различных химических веществ, хотя длительное воздействие сильных кислот со временем может его разрушить.

Кевлар выпускают в виде: технических нитей; пряжи; ровинга; тканей.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Содержание

1 История 2 Производство 3 Структура и свойства 4 Тепловые свойства 5 Применения 5.1 Защита 5.1.1 Криогеника 5.1.2 Броня 5.1.3 Средства индивидуальной защиты 5.2 Спортивный инвентарь 5.2.1 Обувь 5.3 Музыка 5.3.1 Звуковое оборудование 5.3.2 Струны 5.3.3 Барабаны 5.4 Другие области применения 5.4.1 Танцы с огнем 5.4.2 Сковороды 5.4.3 Веревки, кабели, оболочки 5.4.4 Выработка электроэнергии 5.4.5 Строительство зданий 5.4.6 Тормоза 5.4.7 Температурные компенсаторы и шланги 5.4.8 Физика элементарных частиц 5.4.9 Смартфоны 6 Композитные материалы

Производство кевлара

Вы, вероятно, знаете, что натуральные материалы, такие как шерсть и хлопок, должны быть скручены в волокна, прежде чем превратиться в полезные текстильные изделия. То же самое верно и для искусственных волокон, таких как нейлон, кевлар и номекс.

Существует два основных этапа изготовления кевлара. Первый связан непосредственно с химией – сначала необходимо произвести основной пластик, из которого сделан кевлар (химическое вещество под названием поли-пара-фенилен терефталамид). Непосредственное превращение химического продукта в более полезный, практичный и прочный материал происходит в ходе второго, заключительного этапа производства.

В настоящее время более 80% кевлара в мире производится на заводе Честерфилда в Спруэнсе. Синтетическое волокно наматывается на катушки, как показано здесь, а затем превращается в другие продукты.

С помощью сложного процесса горячий и вязкий раствор поли-пара-фенилен терефталамида пропускается через фильеру (металлический формовщик, немного похожий на сито). В результате получаются длинные, тонкие, прочные и жесткие волокна, которые наматываются на барабаны. Затем волокна разрезаются по длине и сплетаются в жесткий коврик, известный нам как кевлар.

Углеткани

Углеткань (углеткани или карбоноткани, от «carbon», «carbone» — углерод) — ткани сплетенные из нитей углеродного волокна. Такие нити очень тонкие (примерно 0.005-0.010 мм в диаметре[1]), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.). Материалы отличаются высокой прочностью на разрыв, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).

Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Термическая обработка состоит из нескольких этапов:

1. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры.
2. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.
3. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.

Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но, при этом, обходятся значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна.

Углеткань наиболее часто используется для создания углепластиков, карбона, по технологиям:

Прессование.

Углеткань выстилается в форму, предварительно смазанную антиадгезивом (например, мыло, воск, воск в бензине, Циатим-221, кремнийорганические смазки). Пропитывается смолой. Излишки смолы удаляются в вакууме(вакуум-формование) или под давлением. Смола полимеризуется, иногда при нагревании. После полимеризации смолы изделие готово.

Контактное формование.

На примере изготовления бампера: берется металлический исходный бампер(-«болван»), смазывается разделительным слоем. Затем на него напыляется монтажная пена (гипс, алебастр). После отвердевания — снимается — это матрица. Затем её смазывают разделительным слоем и выкладывают ткань. Ткань может быть предварительно пропитанной, а может пропитываться кистью или поливом непосредственно в матрице. Затем ткань прокатывается валиками — для уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Затем полимеризация (если отвердитель горячего отверждения, то в печи, если нет, то при комнатной температуре — 20 °C). Затем бампер снимается, если надо — шлифуется и красится.

Трубы и иные цилиндрические изделия производят намоткой. Форма волокна: нить, лента, ткань. Смола: эпоксидная или полиэфирная. Возможно изготовление форм из углепластика в домашних условиях, при наличии опыта и оборудования.

ссылка: Углепластики — википедия

перейти в Каталог тканей

Где и для чего используется кевлар?

Кевлар может использоваться сам по себе или в сочетании с другими материалами для придания им дополнительной прочности. Широкую известность этот материал получил, вероятно, благодаря его использованию в пуленепробиваемых бронежилетах и передаче «Разрушители легенд», но у него есть десятки других применений. Так как изначальной целью разработчиков было создание легкого прочного волокна, которое можно было бы использовать при производстве шин, сегодня кевлар используется в автомобильной промышленности, но не только. Известно его применение при производстве лодок, самолетов и даже в строительной отрасли, хотя и не является основным конструкционным и строительным материалом.

Гибридные ткани

Тканые материалы, сотканные из нитей (прядей) различного состава. Кевлар (арамидное волокно) натурального желтого цвета или крашенное и углеволокно черно-графитового цвета. Большое количество различных вариантов плетения и несколько видов окрашивания арамидных пучков позволяет получать много различных видов ткани. Основное применение — дизайн и автотюнинг.

перейти в Каталог тканей

наверх

Применения

Защита

Криогеника (физика низких температур)

Кевлар часто используется в области физики низких температур. Это обусловлено его низкой теплопроводностью и высокой прочностью по сравнению с другими материалами, которые применяются для создания подвесов. Чаще всего кевлар используется для отделения емкости с парамагнитными солями от сердечника сверхпроводящего магнита для того, чтобы свести к минимуму утечки тепла в парамагнитный материал. Он также используется при создании [конструктивных] элементов жесткости или структурной поддержки для объектов, где требуются низкие утечки тепла.

Броня

Кевлар является довольно известным и популярным компонентом личной брони, такой как боевые шлемы, баллистические маски для защиты лица и баллистические жилеты. В качестве ключевого компонента шлема и бронежилета типа PASGT и их аналогов, которые используется вооруженными силами Соединенных Штатов с 1980 года, выступает кевлар. Другие военные применения включают пуленепробиваемые маски, которые используются караульными, и подшлемники, которые используются для защиты экипажей бронетанковой техники. Даже в авианосцах класса «Нимиц» броня из кевлара используется вдоль жизненно важных пространств. Если рассматривать гражданское применение материала, необходимо отметить, что он используется в снаряжении для защиты работников органов экстренного реагирования, если сфера их деятельности подразумевает контакты с объектами, имеющими высокую температуру (например, борьба с огнем). К данной области также относятся бронежилеты из кевлара, которыми пользуются сотрудники полиции, сил собственной безопасности частных организаций и бойцы спецназа.

Средства индивидуальной защиты

Кевлар используется для изготовления перчаток, рукавов, курток, ковбойских «наштанников» и других элементов одежды, которые предназначены для защиты пользователей от порезов, ссадин и воздействия тепла. Защитное снаряжение из кевлара зачастую значительно легче и тоньше, чем аналоги, которые сделаны из более традиционных материалов.

Спортивный инвентарь

Он используется в качестве внутренней обкладки для некоторых велосипедных шин, что ведет к предотвращению проколов. В настольном теннисе слои кевлара добавляются на ракетки, чтобы увеличить отскок и добиться снижения веса. Он используется при производстве безопасной одежды для мотоциклистов, особенно в элементах защиты плеч и локтей. В Кюдо — японское искусство стрельбы из лука — волокна кевлара могут использоваться при создании тетивы. В данном случае материал выступает в качестве альтернативы более дорогим волокнам конопли. Этот материал наиболее часто используется при создании несущих тросов для парапланов. В фехтовании он используется для создания защитных курток, брюк, нагрудников и элементов масок. Теннисные ракетки зачастую также содержат элементы из кевлара. Он используется даже в парусах для гоночных лодок с высокой производительностью. Кевлар все чаще используется в «пето» — мягком покрытии, которое защищает лошадей пикадоров на арене.

Обувь

Впервые в обувной индустрии достижениями в области технологии создания продуктов на базе кевлара воспользовалась компания Nike. Ее специалисты применили кевлар в серии кроссовок Elite Series II (усовершенствованный вариант более ранней версии баскетбольных кроссовок). Это было сделано для уменьшения эластичности носка обуви. Ранее для этой цели применялся нейлон, но кевлар расширялся примерно на 1% по сравнению с нейлоном, который расширился примерно на 30%. Подобную обувь компания сейчас выпускает под марками LeBron, HyperDunk и Zoom Kobe VII. Однако эти кроссовки были представлены в ценовом диапазоне, который намного выше, чем средняя стоимость баскетбольной обуви.

Кевлар также использовался в качестве нашивок для контроля скорости в некоторых моделях Soap Shoes, а также послужил в качестве материала для шнурков футбольных бутс премиум-класса Adidas F50 adiZero Prime.

Музыка

Звуковое оборудование

Также было установлено, что кевлар имеет полезные акустические свойства. В настоящее время ткани на его основе применяются при создании диффузоров акустических динамиков (низких и средних частот). Кроме того, кевлар используется в качестве силового элемента в волоконно-оптических кабелях, таких как те, которые используются для передачи аудио данных.

Струны

Кевлар можно использовать в качестве акустического ядра в струнах для струнных инструментов. Физические свойства кевлара придают струнам прочность, гибкость и стабильность. На сегодняшний день единственным производителем этого вида струн является компания CodaBow.

Барабаны

Иногда кевлар используется в качестве материала для маршевых малых барабанов (со струнами вдоль нижней мембраны). Его использование позволяет добиться очень высокого натяжения, в результате чего на выходе имеем довольно чистый звук. Как правило, кевлар покрывают слоем смолы для герметичности, а поверх добавляется слой нейлона, чтобы обеспечить плоскую ударную поверхность.

Другие области применения

Танцы с огнем

Фитили для реквизита танцев с огнем создаются из композитных материалов, в которых содержится кевлар. Кевлар сам по себе плохо впитывает горючие вещества, поэтому его смешивают с другими материалами, такими как стекловолокно или хлопок. Высокая термостойкость позволяет повторно использовать фитили из кевлара довольно много раз.

Сковороды

Иногда кевлар используется в качестве заменителя тефлонового покрытия некоторыми производителями антипригарных сковород.

Веревки, кабели, оболочки

Кевлар используется в плетеных канатах и кабелях, где волокна из кевлара группируются параллельно, а с внешней стороны покрываются полиэтиленовой оболочкой. Кабели используются в подвесных мостах. Кевлар широко используется в качестве защитной внешней оболочкой для волоконно-оптического кабелей (материал защищает кабель от повреждения и перекручивания).

Плетеные оболочки из кевлара производят следующие компании:

A.W. Chesterton Company (chesterton.com). Ее продукт под маркой Chesterton 1740 является промежуточной оплеткой из кевларового волокна и политетрафторэтилена (тефлон, ПТФЭ). Основные характеристики Chesterton 1740: температурные пределы — 260 °C (500 °F), химическая стойкость — рН 4-11, предел по давлению 20 бар/г (300 фунтов на квадратный дюйм). Каждая нить волокна индивидуально покрывается ПТФЭ для того, чтобы лучше рассеивать тепло. Производитель Chesterton 1740 предлагает различные комбинации компонентов промежуточной оплетки, что позволяет добиться нужного сопротивления давлению, воздействию температуре, химических веществ и износа.

Компания Diflon (diflo n.it) предлагает плетеные оболочки KV series (-100 — 400 °C; 50 — 100 бар), состоящие из кевларового волокна и политетрафторэтилена. Оболочки отличаются повышенной термостойкостью. Эта оболочка не окрашивает прилегающие поверхности, имеет низкий коэффициент трения и рассеивает тепло. Применения: очистка сточных вод, система шлюзования, клапаны низкого давления, валы поршневых двигателей, работа с кислотами, щелочами, маслом. Продукт имеет универсальное применение, кроме работы с кислородом, сильными щелочами и окислителями. Продукт подходит для предприятий бумажной промышленности, нефтехимической и химической промышленности и станций электропередач.

Продукт DEPAC Anstalt Establishment (depac.at) является отличной альтернативой оплетке на основе асбеста. Кевларовая оплетка особенно эффективна при работе с твердыми материалами и в бумажной промышленности, на сталелитейных заводах, очистных сооружениях и в сахарной промышленности. Специальное 4-элементное высокоплотное диагональное плетение DEPAC сочетает в себе химическую стойкость с высокой прочностью, что гарантирует оптимальное уплотнение с минимальным контактным давлением.

Выработка электроэнергии

Кевлар был использован учеными из Технологического института Джорджии (США) в качестве базы для эксперимента по созданию одежды, способной генерировать электроэнергию. Это было сделано путем переплетения нанопроводов оксида цинка в ткани. В случае успеха проекта, новая ткань будет генерировать около 80 милливатт на квадратный метр.

Строительство зданий

Убирающаяся крыша из кевлара площадью более 5.5 тыс. квадратных метров была ключевой частью проекта Олимпийского стадиона в Монреале на летних Олимпийских играх 1976 года. Это сооружение было невероятно неудачным, так как крыша была завершена с опозданием на десять лет, а еще через десять лет (в конце мая 1998 года) после ряда проблем ее пришлось заменить.

Тормоза

Штапелированное волокно было использовано в качестве замены асбесту в тормозных колодках. Пыль, которая является побочным продуктом работы из тормозов на базе асбеста, отличается высокой токсичностью, в то время волокно из арамида являются более удачным вариантом.

Температурные компенсаторы и шланги

Кевлар может применяться в качестве армирующего слоя в резиновых сильфонных трубных компенсаторах и резиновых шлангах, которые предназначены для использования в условиях высоких температур и должны отличаться высокой прочностью. Он также может использоваться в виде слоя оплетки, используемой на внешней стороне пожарного шланга, чтобы добавить последнему большую степень защиты от острых предметов.

Физика элементарных частиц

Тонкое окно из кевлара было использован в ходе эксперимента NA48 в ЦЕРН. Материал применялся, чтобы отделить вакуумную камеру от камеры с атмосферным давлением. Серия экспериментов по физике элементарных частиц NA48 касалась изучения механизма распадов каонов. Участие в научной работе принимали более 100 физиков, преимущественно из Западной Европы и России (ОИЯИ).

Смартфоны

Линейка смартфонов Motorola RAZR отличается наличием задней части корпуса из кевлара. Разработчики устройства отдали предпочтение этому материалу перед другими, такими как углеродное волокно, благодаря его устойчивости к механическим воздействиям и отсутствию помех для передачи сигнала.