Кевларовая нить

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.

Что такое кевлар?

Кевлар представляет собой высокопрочное полимерное волокно на основе полипарафенилен-терефталамида, которое впервые было произведено в середине 70-х годов прошлого века американским химическим концерном DuPont. Первоначально такое волокно предназначалось для военных целей в качестве сырья для производства касок и защитных бронежилетов (и действительно там широко применяется). Однако эксплуатационные возможности кевлара (и модификации ассортимента этого волокна) позволяют существенно расширять область его применения. В частности, кевларовый трос для лебёдки (и не только автомобильной) может решить множество проблем, которые возникают при повседневной эксплуатации разнообразных подъёмно-транспортных механизмов.

Физико-механические свойства кевлара следующие:

1. Предел прочности в условиях одноосного растяжения — до 3500 МПа (что в 2,5…3 раза превышает аналогичный показатель для средне- и высокоуглеродистых сталей).
2. Относительное удлинение до момента появления шейки в поперечном сечении — не более 1…1,5%.
3. Температуростойкость материала — до 320ºС.
4. Водопроницаемость – не более 1%.
5. Плотность – 0,97…2,52 г/см3 (зависит от состава армирующего волокна; максимальный показатель соответствует стекловолокну, а минимальный – полиэтиленовому).

Впечатляют и эксплатационные свойства кевларовых волокон (в дальнейшем под этим будем понимать синтетик с любым видом наполнителя). Так, кевларовый трос для лебёдки может сплетаться как с использованием сердечника, так и без него. При этом такие тросы существенно легче и безопаснее металлических. Используя такие тросы, можно работать без перчаток, а в случае разрыва подобного кевларового изделия его остатки не будут, разлетаясь во все стороны, травмировать окружающих.

Для увеличения допустимого значения разрывного усилия кевларовый трос для лебёдки изготавливается методами многорядного плетения (обычное число прядей — 12). При прочностных испытаниях усилие разрыва зависит от диаметра троса, и составляет:

• При диаметре 9 мм – не менее 47 кН;
• При диаметре 10 мм – не менее 58 кН;
• При диаметре 11 мм – не менее 78 кН;
• При диаметре 12 мм – не менее 98 кН.

По условиям безопасной эксплуатации грузоподъёмных устройств коэффициент запаса по усилию должен составлять не менее 3,5 (а при использовании лебёдок для подъёма людей – до 9). Таким образом, предельные усилия для безопасного нагружения кевларовых тросов составляют от 52…108 кг – при использовании на работах, связанных с подъёмом людей, до 130…280 кг – для иных видов грузоподъёмных операций в строительстве.

Другие виды арамидных тканей

Помимо кевлара современная химическая промышленность разработана другие виды арамидных тканей.

Тварон

По свойствам и характеристикам аналогичен кевлару. Тварон был разработан компанией Тейджин Арамид, заводы которой расположены в Японии и Нидерландах. Ткань отличается высокой прочностью, небольшим весом, химической нейтральностью, термостойкостью, диэлектрическими свойствами и т.д. Но основное преимущество тварона заключается в отсутствии деформации даже в самых сложных условиях эксплуатации.

СВМ

Арамидная ткань, разработанная в 1970 году в СССР. Этот синтетический материал по свойствам схож с кевларом, но превосходит его по составу и некоторым параметрам. Аббревиатура СВМ расшифровывается как синтетический высокопрочный материал. Позднее на основе СВМ были разработаны нити второго поколения – Русар и Армос.

Новые арамидные волокна превосходят кевлар по следующим показателям – удлинение при разрыве, удельная нагрузка нити на разрыв, прочность нити и т.д.

Номекс

Номекс — разработка известной компании DuPont и относится к категории мета-арамидов. Номекс по прочности уступает кевлару, однако, стойкость к изгибу у номекса в 3 раза выше, чем у других арамидных тканей.

Номекс используется в авиации и судостроении, для изоляции кабелей и двигателей, в изделиях, подвергаемых воздействию высоких температур и т.д.

Формы выпуска кевлара

• Грубых шнуров для канатов и тросов.
• Прядильных нитей.
• Роговины.
• Ткани.

Волокна кевлара очень короткие. При этом для некоторых способов применения они могут дополнительно измельчаться. Так, материал для производства войлока и нетканых изделий имеет длину всего 6 мм. Для армирования смол волокна могут измельчаться до 1 мм.

Высокая прочность ткани объясняется не только характеристиками волокон, их которых она состоит, но и особому способу плетения. За счет этого она хорошо держит удары, отличается стойкостью к порезам. Минимальная плотность кевларовой ткани составляет всего 36 г/м². В таком исполнении ее толщина составляет всего 0,08 мм. Она очень легкая, может использовать даже для пошива легкой летней одежды, которая в разы превосходит по прочности любые другие материалы, даже более плотные. Самой прочной является ткань с плотностью 460 г/м². Ее толщина составляет 0,6 мм. Она менее гибкая, но обладает максимальной прочностью, доступной для кевлара.

Прочностные характеристики кевлара высокие, но не настолько, как бытует о нем мнение. Даже самая плотная ткань в один слой не способна остановить пулю или сильный колотый удар ножа.

Свойства кевлара

Материал является крайне прочным, при этом отличается легкостью и гибкостью. Благодаря этому он получил широкое распространение при изготовлении специализированного оборудования и бытовых вещей. При этом себестоимость его производства в меру высокая.

В целом к положительным качествам кевлара можно отнести:

• Высокая прочность на растяжение.
• Стойкость к порезам.
• Химическая нейтральность к агрессивным веществам.
• Минимальная токопроводность.
• Высокая стойкость к горению.
• Отличается сложностью плавления.
• Является нетоксичным.
• Не поддается коррозии.

Кроме этого нужно отметить, что при понижении температуры кевлар наоборот становится только прочнее. Он способен переносить снижение температуры до -200°С. Одежда и прочие вещи из кевлара не дают никаких вредных испарений или неприятного запаха пластика. Материал поддается естественному природному разрушению. Он не настолько опасный для экологии, как многие виды пластика. При этом нужно отметить, что кевлар и не производится в столь большом количестве, чтобы его отходы являлись источником загрязнения.

Не лишен материал и недостатков. К ним можно отнести:

• Терморазложение.
• Теряет прочность при намокании.
• Постепенно разрушается под воздействием ультрафиолета.

При нагреве кевларовые волокна становятся менее прочными. Если поднять их температуру до +450°С, то произойдет терморазрушение материала. Кроме этого, он как и многие подобные волокна теряет прочность при намокании. Когда же волокна высыхают, они возвращают свои нормальные характеристики.

Изделия из кевлара понемногу разрушаются под воздействием ультрафиолета. По возможности их лучше хранить в темном месте. Это не является проблемой в тех случаях, когда на кевларовые волокна солнечный свет не попадает. Примером этого является кевларовый корд в шинах. Он закрыт резиной, поэтому может служить практически вечно. Другое дело одежда и защитная экипировка из кевлара. Для компенсации этих недостатков, ткань зачастую покрывают защитными прозрачными полимерами, стойкими к ультрафиолету, которые также препятствуют намоканию.

Принципы производства

Производство кевлара – дорогостоящий процесс, поэтому этот материал стоит больше. Один погонный метр может стоить более 30 долларов, но эта цена обусловлена сверхпрочными свойствами.

Мнение эксперта

Алена

Эксперт и технолог по тканям Алена Хлебникова готова ответить на ваши вопросы.

Напишите нам

Для получения полимерных нитей нужно пройти не одну химическую реакцию. В качестве основы используется раствор кальций хлора и метил-пирролидона. В них заливают специальные реагенты, которые выпадают осадком и образуют жидкокристаллическую субстанцию. Это нечто среднее между гелем и порошком.

Перед загрузкой вещества в машину промывают от остатков раствора и сушат. Потом будущий полимер пропускают через формы (этим занимается специальное оборудование). Так однородная субстанция превращается в тончайшие нити (или волокна, зависит от сферы применения). Чтобы это произошло, необходимо много серной кислоты – она и делает процесс производства дорогим для производителя.

Кевлар. Ткань кевлар

Ткань кевлар – это высокопрочная ткань из синтетических волокон. Название кевлар (англ. Kevlar) является торговой маркой компании DuPont и называют так арамид, арамидную ткань. Таким названием именуют: ткань кевлар, бумага кевлар, волокно кевлар, пряжа кевлар, нить кевлар.

Впервые материал был получен американскими учёными в 1964 г. В результате поиска лёгкого и прочного волокна, которое бы использовалось для армирования автомобильных шин, и был разработан кевлар. Получившееся волокно не было таким ломким, как нейлон, который прежде входил в состав покрышек. На следующий год была разработана его технология производства. Уже в 1971 было начато коммерческое производство кевлар.

Свойства кевлар просто потрясающие.

Волокно кевлар обладает высокой прочностью и превосходит по прочности сталь в 5 раз. Кевлар обладает в 3 раза большей жесткостью, чем стекловолокно, при этом его плотность составляет всего 43% от плотности стекловолокна. Свою прочность и эластичность этот материал сохраняет и при низких температурах, вплоть до −196 °C. И становится даже чуть прочнее.

Он не горюч и термостоек. Нагрев до 150 °C уменьшает прочность кевлара на 10-20 % после 500 часов. При повышении температуры до 250 °C кевлар теряет 50 % своей прочности за 70 часов. При высоком нагреве он не плавиться, а разлагается, и происходит это лишь при температуре 430-480 °C.

Многослойная ткань кевлар способна поглощать энергию удара, обеспечивая тем самым противопульную и противоосколочную стойкость. Кевлар, также, является прекрасным электрическим изолятором.

А вот при намокании защитные свойства кевлар ухудшаются. Понижается прочность ткани и при воздействии солнечного света. Стирка и химчистка также негативно сказываются на защитных свойствах ткани.

Чтобы избежать этих отрицательных факторов были разработаны специальные покрытия, позволяющие уменьшить негативные ухудшения свойств. Для здоровья, кевлар абсолютно безвредный материал.

Зачастую кевларовое волокно, для компенсации его слабых мест, применяют в комбинации со стекловолокном или угольным волокном. В результате этой комбинации получаются так называемые «гибридные ткани».

На сегодняшний день довольно трудно перечислить, где применяется кевлар. Комбинация высокой прочности, эластичности и небольшой вес снискали кевлару высокую потребительскую активность.

Существует большое количество изделий из кевлар, одежды из кевлар. А также применяют его в судостроении (в килевой части или по швам), в конструкциях беспилотных летательных аппаратов (для увеличения защиты).

Используется кевлар в шинном производстве, как армирующее волокно в композиционных материалах, делая их прочными и лёгкими. Нити кевлар добавляются в производство оптико-волокнистых кабелей для предотвращения их растяжения и разрыва, тем самым увеличивая износостойкость.

Волокно кевлар добавляют в другие ткани в качестве армирующего компонента, что придаёт изделиям стойкость и прочность. Это перчатки из кевлар, носки из кевлар, джинсы с кевларом (в мотоспорте и сноуборде), костюмы и обувь из кевлар (защитная одежда).

К средствам индивидуальной бронезащиты (СИБ) относятся бронежилеты из кевлар, бронешлемы.

Бумага кевлар применяется в аэрокосмической промышленности.

Несмотря на то, что ткань кевлар считают одним из наиболее перспективных материалов в ряде сфер, всё же не могу умолчать, что на сегодняшний день она больше не является самой прочной тканью в мире. Учёными получен новейший материал на основе соединения паутины и кожи. Учитывая тот факт, что паутина сама по себе в 3 раза прочнее кевлара, то можно предположить какая прочная ткань выходит из этого соединения. Этот материал пока ещё не получил своего названия.

Ткань кевлар — инновационная ткань, способная приносить человеку в различных областях комфорт и уют.

Нравится

DuPont представила новые кевларовые волокна

Новые кевларовые волокна от DuPont получили название Kevlar Advanced Performance.

Материал Kevlar Advanced Performance (AP) должен удовлетворить потребность промышленности в более прочных и легких материалах. Благодаря модернизированной технологической платформе новые волокна обладают повышенной прочностью, а также позволяют снизить затраты производителей и обеспечить увеличенную гибкость производства. Новые волокна могут использоваться в производстве автомобилей, строительстве, нефте- и газодобывающей отрасли, из них могут изготавливаться тросы и оптоволоконные кабели. Первым продуктом новой линейки стали волокна Kevlar K29 AP.

Как заявил президент DuPont Protection Technologies Томас Пауэлл (Thomas G. Powell): «Наши волокна разработаны, чтобы усилить прочность самых разных изделий, так как Kevlar обладает сниженным весом, размерной и термической стабильностью, устойчивостью к коррозии и другими уникальными свойствами».

«Во многих случаях наша технология позволяет использовать меньшее количество волокон – такие инновации крайне востребованы на рынке высококачественных материалов, так что мы уверены, что Kevlar будет пользоваться спросом».

Kevlar K29 AP может использоваться для изготовления шин, ремней, шлангов, электромеханических кабелей, используемых в автомобильной, строительной и других отраслях промышленности. DuPont отмечает, что спрос на высокопрочные легковесные материалы продолжает расти, и особенно это касается производства шлангов, ремней и шин для автомобильной индустрии (в этом сегменте спрос вырос на 100% за последние 5 лет), поскольку производители заинтересованы в снижении массы автомобилей, более эффективном потреблении топлива и лучшего функционирования своей продукции при высокой температуре.

Новые волокна доступны в разных версиях (с различным массовым номером) и стали на 15% прочнее по сравнению со стандартными K29.

Первые испытания уже показали, что Kevlar AP обладает очевидными преимуществами для производителей, и компания DuPont продолжает работать над расширением использования своей технологии в производстве различных изделий, чтобы помочь потребителям сделать свое производство более инновационным и эффективным.

Кевларовые волокна от DuPont обеспечивают безопасность во время критически важных процессов уже на протяжении 40 лет. DuPont ожидает, что недавние инвестиции в наращивание производства Kevlar и Nomex позволят компании увеличить прибыль и продолжить разработки еще более инновационных и высококачественных материалов.

Компания DuPont была основана в 1802 году, и сейчас ее отделения находятся в более чем 70 странах. Материалы DuPont используются в сельском хозяйстве, пищевой индустрии, строительстве, коммуникациях и транспортной отрасли.

Волокна DuPont Kevlar в два раза прочнее других часто используемых материалов

Характеристики

Высокая прочность – не единственное достоинство кевлара. Характеристики кевларовой ткани:

• Высокопрочная – выдерживает нагрузку до 600 килограмм на миллиметр квадратный.
• Термоустойчивая – выдерживает температуру до 430-450 градусов.
• Легкая – метр ткани весит около 50-60 г.
• Обладает низкой удельной электропроводностью.
• Толщина – от 0,1 до 0,65 мм.
• Ширина – от 10 мм до 150 см.
• Плотность – 36-300 г/м кв.
• Устойчивая к ударам, динамическим нагрузкам, порезам.
• Устойчивая к коррозии, органическим растворителям.
• Устойчивая к плесени и микроорганизмам, не гниет.
• Не горит, не плавится и не дымит при контакте с огнем – выдерживает соприкосновение с открытым огнем до 50 секунд.
• На холоде становится еще прочнее – выдерживает чрезвычайно низкие температуры – до -200 градусов.
• Пропускает воздух и влагу.
• Гибкая. В отличие от стеклянных и углеродных, кевларовые волокна обладают упругостью.
• Относительно мягкая и комфортная.

Тесты на прочность:

Материал не лишен недостатков:

• Кевлар чувствительный к воздействию воды и солнца. При намокании защитные свойства ткани существенно ухудшаются (потеря прочности может составлять 20-30%). После высыхания они восстанавливаются. С солнечными лучами дело обстоит хуже. Ткань стареет и рассыпается. Чтобы нивелировать этот недостаток, для бронежилетов используют второй слой ткани, обеспечивающий надежную защиту от солнца и воды.
• Сложность работы с тканью. Высокопрочный кевлар требует специального инструмента. На заводе ткань раскраивают с помощью лазера или режущего инструмента с напылением. При пошиве одежды применяются иглы из закаленной стали и особые ножницы с усиленными лезвиями и микрозубцами. Для облегчения скольжения и защиты от коррозии на сталь наносится специальное покрытие. На срезах кевларовая ткань сыпется, поэтому края защищают специальной клеевой лентой.
• Высокая стоимость. Цена на кевларовую ткань начинается от 30 долларов за погонный метр.

Практичность

Чтобы при использовании не возникало больших неудобств, бронежилет должен быстро надеваться и сниматься. В основном на всех моделях используется крепление за счёт липучек. Они хорошо держат жилет на теле и быстро разъединяются при необходимости.

Стоит отметить, что бронежилеты, классы защиты которых одинаковы, могут совершенно отличаться по внешнему виду. Это происходит за счёт разных фирм, которые занимаются производством таких защитных средств. Также есть отдельные модификации для использования танкистами, снайперами или другими специализированными военными. К примеру, танкистам совершенно не подойдёт бронежилет 6 класса защиты, который разработан для пехоты. В танковой кабине очень мало места, а люки для входа небольшие, поэтому для них нужен специальный бронежилет с уменьшенными габаритами для удобной эксплуатации. Также многие отрасли деятельности, где нужны индивидуальные средства защиты, требуют отдельной модели, которая была бы адаптированная к условиям использования.

Что такое кевлар и кевларовые волокна: описание свойств нити и тканей

Несмотря на то, что кевларовое волокно было изобретено много лет назад до сих пор люди не перестают удивляться его уникальным свойствам. Материал совершил переворот в области тканей, которые разработаны для защиты благодаря своим параметрам и характерным особенностям.

Кевлар: что же все-таки это такое

Ткань из синтетического волокна с кристаллической структурой называется кевлар. Невероятную прочность ткани придает бензольное кольцо, которое лежит в сечении кристалла. По своим характеристикам материя крепче и прочнее металла, при этом она очень тонкая и легкая.Кевларовое волокно

У всех по-разному происходит знакомство с кевларом, что это такое каждый узнает из определенных жизненных ситуаций. Современная молодежь знакома с материалом благодаря игре раст, в которой персонажам предлагается приобрести доспехи и амуницию именно из него. Более старшее поколение ассоциирует волокно с защитной одеждой и спортивным инвентарем.Разновидности кевларового волокна

Вкратце о возникновении

В далеком 1975 году впервые на рынке был представлен и сразу же начал пользоваться огромным спросом, которые с каждым днем только увеличивается, материал под названием кевлар. Получен был этот уникальный полимер в лабораториях всемирно известного концерна Дюпон. Официально его создателем считается химик Стефани Кволек.

В те времена он употреблялся для шин в качестве армирующего материала. Впоследствии он нашел применение для разнообразных композитных материалов, изготовления спортивного оборудования и кабельной продукции. Кевларовая ткань стала употребляться для выпуска средств персональной защиты.Кевларовая нить

Производство кевларовой ткани

Впервые узнав о таком материале, у многих напрашивается вопрос, из чего делать кевлар. Для его получения берется раствор хлористого кальция и метилпирролидон. К нему присоединяются специальные реагенты, выделяющие необычное вещество с качествами жидких кристаллов. Процесс осуществляется при низких температурах.

Снаружи получившийся полимер представляет собой крошку или гель, который подвергается промыванию и просушиванию. Затем он пропускается через фильеры, в результате этого формируются волокна, затем получаются нити. Что такое кевларовые нити, догадаться не сложно.

В нитки скручивают полученные волокна, которые уже образуют готовый продукт. После этого они вторично посылаются в осадительную ванну, промываются и высушиваются.

Обратите внимание! Так как при получении кевлара появляются существенные трудности, заключающиеся в использовании серной кислоты, процесс является сильно затратным. Производство кевларовой защиты для автомобиля

Производство кевларовой защиты для автомобиля

Технические характеристики и свойства

Технические характеристики и свойства кевлара по истине уникальны. Основной особенностью считается высокая механическая прочность. При этом масса и плотность сравнительно низкие.

Кевлар — это материал с уникальной устойчивостью к растяжению и со способностью к самотушению. При этом он не горит и не плавится. Только при температуре выше 430 градусов начинает разлагаться. В результате воздействия высоких температур, не сразу, а по прошествии определенного времени, начинает терять свою прочность.

К органическим растворителям и коррозии имеет устойчивость, отличается высоким модулем упругости. Под воздействием низких температур не только ни ухудшаться, а наоборот становится крепче. Устойчив к порезам и обладает низкой удельной электропроводностью.Водонепроницаемая кевларовая ткань

Сферы внедрения кевлара

Несмотря на широкую распространенность и востребованность, что такое кевлар знают не многие. Хотя это высокопрочное волокно на протяжении многих десятилетий находит самое разнообразное применение.

В основном свое применение кевлар находит в областях, для которых важны следующие характеристики:

• стойкость к износу;
• тепловая стабильность;
• низкая структурная твердость;
• значительная легкость;
• хорошая крепость при низком весе.

Поэтому логично, что из ткани кевлара изготавливаются средства персональной защиты, различная одежда для военнослужащих и спецподразделений.Кевларовая пластина

Авиационная промышленность

О свойствах кевлара, что это за материал не понаслышке знают в авиационной промышленности. Он применяется при производстве ряда беспилотных летательных аппаратов с целью обеспечения защиты.