Арамидные волокна

Структура макромолекулы волокна кевлар

Арамидные волокна относятся к классу ароматических полиамидных волокон. Они представляют собой химические волокна полученные на основе линейных волокнообразующих полиамидов в которых не менее 85% амидных групп непосредственно связано с двумя ароматическими кольцами. Такие волокна отличаются высокими значениями прочности, модуля упругости, теплостойкости и хемостойкости. Впервые они стали известны под маркой «кевлар».

---

Получение арамидных волокон

Арамидные волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации в растворе при низкой температуре (5-10 °C). Полимер получают добавлением к раствору реагентов при интенсивном перемешивании. Полимер выделяется из исходного раствора в виде геля или крошки, затем промывается и высушивается. Полученный полимер растворяется в одной из сильных кислот например в концентрированной серной кислоте. Из раствора полимера методом экструзии через фильеры формуются волокна и нити. Температура формования 50-100 °C. Экструдированные волокна проходят небольшую воздушную прослойку (5-20 мм) и попадают в осадительную ванну с холодной водой (менее 4 °C). Волокно промывается, собирается на приемном устройстве и высушивается. На выходе из осадительной ванны волокно может подвергаться дополнительной обработке (вытягиванию, термообработке) для повышения его механических характеристик. Свойства волокон могут зависеть от состава исходного сырья, свойств использованных растворителей, условий технологического процесса получения волокон и условий термообработки сформованных нитей. Волокно кевлар представляет собой кристаллизующийся полимер. Химическая структура волокна отличается высокой степенью ориентированности и жесткости. Эти характеристики, в частности, обусловлены наличием в структуре большого количества ароматических (бензольных) колец. По своей структуре волокно кевлар может быть отнесено к сетчатым полимерам. Жесткие полимерные цепи находятся в распрямленном состоянии, образуют очень плотную упаковку в объеме волокна, что определяет высокие механические свойства волокна типа кевлар. Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность волокон, а наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает химическую стабильность волокон. Благодаря жесткой сетчатой структуре макромолекул арамидные волокна при нагревании не испытывают никаких фазовых превращений вплоть до температуры термического разложения. Волокна кевлар производятся в виде технических нитей с различной линейной плотностью и структурой. Число элементарных волокон в типичных нитях может меняться от 130 до 1000 при изготовлении тканей и от 500 до 10000 при изготовлении канатов и корда. Кевлар выпускается также в виде пряжи ровинга и тканей. Волокна непрозрачны их обычный диаметр - около 11 мкм.

---

Свойства арамидных волокон

Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов и т.п. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению с углеродными и стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании текстильных производств. Арамидные волокна отличаются наиболее высокими значениями прочности и модуля упругости среди органических волокон.

	Плотность,	Предел прочности при растяжении,МПа	Предельная деформация, %	Модуль упругости при растяжении, ГПа
Кевлар	1440	2700-3500	2,5-4,0	100-130

Повышение температуры приводит к снижению прочности арамидных волокон от 3,5 до 2,7 ГПа. Волокна практически не проявляют ползучести под нагрузкой. Во всем интервале нагрузок плоть до разрушения зависимость напряжений от деформаций является линейной. На свойства арамидных волокон заметное влияние оказывает скручивание нитей, при повышении степени кручения модуль упругости и прочность волокон заметно снижаются. Полагают что этот эффект связан с поверхностным повреждением волокон при скручивании. Это предположение подтверждается результатами испытаний волокон на усталость, которые показывают, что волокна могут выдерживать большое число циклов нагружения если они не испытывают поверхностного трения. При наличии такого трения долговечность волокон очень невысока.

---

Влияние различных факторов на свойства композитов, армированных арамидными волокнами.

Влияние связующего на механические свойства композита определяется в основном двумя параметрами: адгезией и модулем упругости. Эти два фактора влияют на тип разрушения композита и в конечном счете определяют уровень его прочностных свойств. Низкомодульные связующие обычно не способны обеспечить перераспределение нагрузки между армирующими волокнами во всем объеме композита. При этом отдельные волокна деформируются независимо друг от друга. Разрушение разрыва одного волокна в таких случаях может привести к значительному перераспределению нагрузки в его окрестности и перенапряжению соседних волокон. Как следствие в таких случаях часто наблюдается развитие лавинообразного процесса разрушения материала. Средняя прочность волокна в композите оказывается низкой. Если же выбранное сочетание адгезии и модуля упругости обеспечивает приблизительно равномерное распределение нагрузок между всеми волокнами материала, то средняя эффективная прочность композита будет иметь более высокое значение. Обычно на практике удается реализовать некоторое среднее значение потенциальной прочности материала. С увеличением объемного содержания волокна прочность материала обычно сначала увеличивается, а при достижении некоторого уровня наполнения стабилизируется или даже снижается. На рис. 1 представлен характерный вид зависимости предела прочности композитов на основе волокон кевлар от объемной доли волокон. Как видно из рисунка оптимальное содержание волокон в составе композита составляет 65-70%.

Повышение температуры сопровождается некоторым снижением прочности микропластиков из арамидных волокон. Примерная зависимость прочности образцов композита «кевлар» эпоксидная смола от температуры показана на рис. Понижение температуры на прочностные свойства практически не влияет. Зависимость напряжений от деформаций для композитов на основе арамидных волокон близка к линейной. Выдерживание образцов изготовленных из однонаправленного композита на основе арамидных волокон под постоянной нагрузкой в течение длительного времени сопровождается увеличением их деформации ползучестью. С увеличением уровня нагрузки деформация обусловленная ползучестью растет, причем, при продолжительном нагружении зависимость деформации от времени становится линейной для широкого интервала начальных нагрузок. Жесткость и прочность композиционных волокнистых материалов на основе арамидных волокон при поперечном по отношению к направлению армирования нагружении значительно меньше, чем при нагружении в направлении армирования. Имеются разные данные о характеристиках композита при таком нагружении, которые зависят от метода испытаний, но все они показывают, что нагружение в поперечном направлении является невыгодным с точки зрения использования потенциальных прочностных качеств материала. Проблема повышения характеристик материала при поперечном нагружении обычно решается путем дополнительного включения в композит армирующих волокон других видов, например углеродных или стеклянных. Выбор углеродных волокон связан с тем, что их температурные характеристики - коэффициент температурного расширения, сходны с характеристиками арамидных волокон. Такие композиты принято называть гибридными. Кевлар-углеродные композиты отличаются меньшей стоимостью и меньшей хрупкостью по сравнению с углеродными, что делает их достаточно привлекательными, несмотря на некоторое снижение прочности по сравнению с углеродными материалами. Еще один способ повышения эксплуатационных свойств однонаправленных композитов - добавление к основному армирующему материалу небольшой объемной доли коротко нарезанных волокон (штапеля). Такие волокна ориентированы в материале хаотически, в отличие от длинных волокон, образующих основную систему армирования. Короткие волокна обеспечивают дополнительное перераспределение нагрузок в объеме материала помимо связующего. Предел прочности и модуль упругости таких материалов обычно ниже, чем у однонаправленных, но работа которую необходимо затратить на их разрушение значительно выше (примерно в полтора раза).

---

Композиты на основе арамидных волокон

Высокие механические свойства арамидных волокон сами по себе еще не гарантируют наличия высоких механических свойств у композитов на их основе. Характеристики композита во многом определяются взаимодействием волокон со связующим. Такое взаимодействие приводит к перераспределению внешних нагрузок между элементами структуры армирования композита. Поэтому оценка характеристик композита должна проводиться не только по свойствам его компонентов, но и по свойствам некоторых характерных объемов материала, обладающих всеми характерными характеристиками композита структурой армирования, объемным соотношением компонентов и тп. На практике в качестве таких характерных объемов часто рассматривают стренги – жгуты пропитанные связующим и подвергнутые отверждению. Такие стренги предназначенные для проведения экспериментальных исследований свойств композита называют микропластиками. Технология изготовления микропластиков повторяет технологию изготовления реальных изделий из композита за исключением объемов производства. При проведении подобных исследований необходимо учитывать, что на их результаты могут оказывать влияние такие факторы, как толщина стренги – жгута, метод испытаний и другие факторы. Влияние размеров образцов на результаты испытаний является одним из наиболее неприятных факторов, существенно затрудняющих анализ экспериментальных данных. Такое влияние обычно плохо поддается оценке и носит название масштабного эффекта.

---

Применение композитов на основе арамидных волокон

Композиционные волокнистые материалы на основе арамидных волокон –кевлара, применяются в авиации при изготовлении частей несущих конструкций, переборок, дверей, полов, обтекателей. При изготовлении военной техники и снаряжения эти материалы находят применение при производстве корпусов ракетных двигателей, пулезащитной одежды, легких бронеплит и т.п. Применение кевлара в данных изделиях связано с малой плотностью и высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Невысокая плотность, хорошие демпфирующие свойства, гибкость способствуют применению кевлара при изготовлении спортивного снаряжения, лодок, клюшек и т.д. Волокна кевлара в чистом виде либо в сочетании с каучуком используются при изготовлении канатов, которые находят применение в судостроении и горном деле, где они используются вместо стальных канатов. Достоинствами таких канатов являются малый вес, высокая прочность, высокая коррозионная стойкость и хорошие электроизоляционные свойства. Кевлар находит применение при изготовлении шин в качестве корда, где сочетание таких свойств, как малая плотность, хорошая вибростойкость, высокая прочность и коррозионная стойкость, делают его более выгодным по сравнению с кордом из вискозных, полиэфирных волокон и стальной проволоки.

Литература

Материаловедение. Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы: Рабочий вариант учебного пособия /Сидоренко И.Ю.–Томск, 2007. - 139 с.