Гайнутдинова А.Р., Сергеева Е.А.

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Взаимосвязь структуры и свойств арамидных волокон

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

Арамидные волокна разрабатывались для армирования автомобильных шин. Кроме того, кевлар используют как армирующее волокно в композитных материалах, которые отличаются прочностью и лёгкостью. Кевлар используется для армирования медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля предотвращает его растяжение и разрыв), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп.

Кевларовое волокно используется в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям, из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (например, для мотоспорта и сноубординга). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек.

Механические свойства арамидного волокна делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты – бронежилетов и бронешлемов. Исследования показали, что волокно марки кевлар при использовании в виде многослойных тканевых и пластиковых (тканевополимерных) преград показывает наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости.

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 химстойкости.

Ценные свойства арамидных волокон обусловлены строением и особой упаковкой молекул полимера.

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 он промывается и высушивается.

Полученный полимер растворяется в кислоте (например, в концентрированной серной кислоте). Из раствора полимера методом экструзии 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 (вытягивание, термообработка) 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. [1]

Таким образом, кевларовое волокно 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 и 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.

Композиционный волокнистый материал на основе арамидных волокон (кевлара) применяют в авиации при изготовлении частей несущих конструкций, переборок, дверей, полов, обтекателей. При изготовлении военной техники и снаряжения эти материалы находят применение в производстве корпусов ракетных двигателей, пулезащитной одежды, легких бронеплит. 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:

1. Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы. Сидоренко Ю. Н. Томск: Изд.-во ТГУ, 2006.