Кевлар - Kevlar

Кевлар
Шаровидная модель одного слоя кристаллической структуры
Арамидное волокно2.jpg
Идентификаторы
ChemSpider
  • никто
Характеристики
[-CO-C6ЧАС4-CO-NH-C6ЧАС4-NH-]п
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Кевлар термостойкий и прочный синтетическое волокно, связанные с другими арамиды Такие как Номекс и Технора. Разработан Стефани Кволек в DuPont в 1965 г.,[1][2][3] Этот высокопрочный материал впервые был использован в коммерческих целях в начале 1970-х годов в качестве замены стали в гоночных шинах. Обычно его скручивают в веревки или ткань листы, которые можно использовать как таковые или в качестве ингредиента в композитный материал составные части.

Кевлар имеет множество применений, начиная от велосипеда шины и гоночные паруса к бронежилеты, из-за высокого отношение прочности на разрыв к массе; по этому показателю он в пять раз прочнее стали.[2] Он также используется для создания современных походных барабанные пластинки которые выдерживают высокие удары. Он используется для швартовки тросов и других подводных применений.

Подобное волокно под названием Twaron с такой же химической структурой был разработан Акзо в 1970-е годы; коммерческое производство началось в 1986 году, и сейчас Twaron производит Тейджин.[4][5]

История

Изобретатель кевлара, Стефани Кволек, американский химик польского происхождения

Полипарафенилентерефталамид (K29) - фирменный кевлар - был изобретен польско-американским химиком. Стефани Кволек пока работал на DuPont, в ожидании нехватки бензина. В 1964 году ее группа начала поиск нового легкого и прочного волокна для изготовления легких, но прочных шин.[6] Полимеры, с которыми она работала в то время, поли-п-фенилен-терефталат и полибензамид,[7] сформированный жидкокристаллический находясь в растворе, что-то уникальное для тех полимеров того времени.[6]

Решение было «мутным, опалесцирующий при перемешивании и низком вязкость "и обычно выбрасывались. Однако Кволек убедил техника Чарльза Смуллена, который руководил фильера, чтобы проверить ее решение, и был поражен, обнаружив, что волокно не сломалось, в отличие от нейлон. Ее руководитель и директор ее лаборатории понимали важность ее открытия и новой области медицины. химия полимеров быстро встал. К 1971 году был представлен современный кевлар.[6] Однако Кволек не очень участвовал в разработке приложений кевлара.[8] Кевлар 149 был изобретен доктором Якобом Лахиджани из Dupont в 1980-х годах.[9]

Производство

Кевлар - это синтезированный в растворе из мономеров 1,4-фенилен -диамин (параграф-фенилендиамин ) и терефталоилхлорид в реакция конденсации уступающий соляная кислота как побочный продукт. Результат жидкокристаллический поведение, а механическое вытягивание ориентирует полимерные цепи в направлении волокна. Гексаметилфосфорамид (HMPA) был растворителем, первоначально используемым для полимеризация, но из соображений безопасности компания DuPont заменила его решением N-метилпирролидон и хлорид кальция. Поскольку этот процесс был запатентован Akzo (см. Выше) при производстве Twaron, а патентная война последовало.[10]

Реакция 1,4-фенилендиамина (параграф-фенилендиамин) с терефталоилхлоридом с образованием кевлара

Производство кевлара (полипарафенилентерефталамида) является дорогостоящим из-за трудностей, связанных с использованием концентрированных серная кислота, необходимые для удержания нерастворимого в воде полимера в растворе во время его синтеза и прядение.[нужна цитата ]

Доступны несколько марок кевлара:

Кевлар К-29 - в промышленных приложениях, таких как кабели, асбест замена шин и тормозных колодок.
Кевлар К49 - высокий модуль упругости, используемый в кабельной и канатной продукции.
Кевлар К100 - цветная версия кевлара
Кевлар К119 - более растяжимый, гибкий и более устойчивый к усталости
Кевлар K129 - более высокая стойкость к баллистическим применениям
Кевлар K149 - высочайшая стойкость для баллистических, броневых и аэрокосмических применений[11][12]
Кевлар AP - Прочность на разрыв на 15% выше, чем у К-29[13]
Кевлар XP - более легкая смола и комбинация волокон KM2 plus[14]
Кевлар КМ2 - повышенная баллистическая стойкость для брони[15]

В ультрафиолетовый компонент солнечного света разлагается и разлагает кевлар, проблема известна как УФ-деградация, поэтому его редко используют на открытом воздухе без защиты от солнечного света.[16]

Структура и свойства

Молекулярная структура кевлара: смелый представляет мономер единица измерения, пунктирная линии обозначают водородные связи.

Когда кевлар закрученный, получившееся волокно имеет предел прочности около 3620 МПа,[17] и относительная плотность 1,44. Полимер обязан своей высокой прочностью множеству межцепочечных связей. Эти межмолекулярные водородные связи образуются между карбонильными группами и NЧАС центры. Дополнительная сила получается из ароматические стековые взаимодействия между соседними прядями. Эти взаимодействия оказывают большее влияние на кевлар, чем ван дер Ваальс взаимодействия и длина цепи, которые обычно влияют на свойства других синтетических полимеров и волокон, таких как Dyneema. Наличие соли и некоторые другие примеси, особенно кальций, может помешать взаимодействию цепей, поэтому необходимо избегать включения в его производство. Структура кевлара состоит из относительно жестких молекул, которые имеют тенденцию образовывать в основном плоские листовые структуры, похожие на шелк белок.[18]

Тепловые свойства

Кевлар сохраняет свою прочность и устойчивость даже при криогенных температурах (-196 ° C); 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 постепенно снижается. Например: выдержка при 160 ° C (320 ° F) в течение 500 часов снижает прочность примерно на 10%; и выдерживание при 260 ° C (500 ° F) в течение 70 часов снижает прочность примерно на 50%.[19]

Приложения

Защита

Криогеника

Кевлар часто используется в области криогеника за его низкий теплопроводность и высокая прочность по сравнению с другими материалами для приостановка целей. Чаще всего используется для приостановки парамагнитный соляной вольер из сверхпроводящий магнит оправка, чтобы свести к минимуму любые тепловые утечки на парамагнитный материал. Он также используется в качестве теплового барьера или структурной опоры, где желательны низкие тепловые утечки.

Броня

Кусочки кевларового шлема, используемые для поглощения взрыва гранаты.

Кевлар - хорошо известный компонент личная броня Такие как боевые каски, баллистические маски для лица, и баллистические жилеты. В PASGT шлем и жилет использован Соединенные Штаты Вооруженные силы используют кевлар как ключевой компонент при строительстве. Другое военное использование включает пуленепробиваемые маски для лица и откольные вкладыши используется для защиты экипажей боевые бронированные машины. Нимицавианосцы класса используйте армирование кевларом в жизненно важных областях. Гражданское применение включает: униформу с высокой термостойкостью, которую носят пожарные, бронежилеты, которые носят полицейские, службы безопасности и полицейские тактические группы, такие как Спецназ.[20]

Личная защита

Кевлар используется для изготовления перчаток, рукавов, курток, парни и другие предметы одежды[21] разработан 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.[20]

Спортивный

Кевлар - очень популярный материал для гоночных каноэ.

Личная защита

Он используется для защитная одежда для мотоциклов, особенно в областях с мягкой подкладкой, таких как плечи и локти. В ограждение Используется в защитных куртках, бриджах, пластронах и нагрудниках масок. Он все чаще используется в пето, мягкое покрытие, которое защищает пикадоры 'лошади на арене. Конькобежцы также часто носите подкладку из кевларовой ткани, чтобы предотвратить возможные ранения от коньков в случае падения или столкновения.

Оборудование

В кюдо, или японский стрельба из лука, его можно использовать как альтернативу более дорогим[22] конопля за тетивы. Это один из основных материалов, используемых для параплан подвесные линии.[23] Он используется как внутренняя подкладка для некоторых велосипедные шины для предотвращения проколов. В настольный теннис, слои кевлара добавляются к лезвиям или лопастям, изготовленным по индивидуальному заказу, для увеличения отскока и уменьшения веса. Теннисные ракетки иногда нанизывают кевларом. Он используется в парусах высокопроизводительных гоночных лодок.

обувь

В 2013 году с развитием технологий Nike впервые применил кевлар в обуви. Он запустил серию Elite II,[24] с улучшениями более ранней версии баскетбольные кроссовки используя кевлар в передний так же хорошо как шнурки для обуви. Это было сделано для уменьшения эластичности носка обуви в отличие от нейлона, используемого обычно, поскольку кевлар расширяется примерно на 1% по сравнению с нейлоном, который расширяется примерно на 30%. Обувь в этом ассортименте 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 Adidas Футбольные бутсы F50 adiZero Prime.

Велосипедные шины

Несколько компаний, в том числе Continental AG, производим велосипедные шины с кевларом для защиты от проколов.[25]

Велосипедные шины со складными бортами, представленные в велоспорте Том Ричи в 1984 г.,[26][циркулярная ссылка ] используйте кевлар в качестве валика 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

Аудио оборудование

Кевлар также обладает полезными акустическими свойствами для громкоговоритель диффузоры, специально для НЧ и СЧ динамиков.[27] Кроме того, кевлар использовался как член силы в волоконно-оптических кабелях, таких как те, которые используются для передачи аудиоданных.[28]

Смычковые струнные инструменты

Кевлар можно использовать в качестве акустической основы на луках для струнные инструменты.[29] Физические свойства кевлара обеспечивают прочность, гибкость и стабильность для пользователя лука. На сегодняшний день единственным производителем этого вида лука является CodaBow.[30]

Кевлар в настоящее время также используется в качестве материала для хвостовых шнуров (также известных как регуляторы хвостовых частей), которые соединяют хвостовик к концевой штифт смычковых струнных инструментов.[31]

Пластики для ударных

Кевлар иногда используется в качестве материала для маршевых малых барабанов. Он обеспечивает чрезвычайно высокое натяжение, в результате чего звук становится более чистым. 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. Ремо Нашивка Falam Slam изготовлена ​​из кевлара и используется для усиления пластиков бас-барабана в местах ударов колотушки.[32]

Трости для деревянных духовых инструментов

Кевлар используется в деревянный духовой тростники Fibracell. Материал этих тростников - композит из аэрокосмических материалов, созданный так, чтобы имитировать то, как природа строит тростник. Очень жесткие, но звукопоглощающие волокна кевлара подвешены в составе легкой смолы.[33]

Автомобили

Шасси и кузов

Кевлар иногда используется в конструктивных элементах автомобилей, особенно в автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками, таких как Феррари F40[34]

Тормоза

Рубленое волокно использовалось в качестве замены асбеста в тормозные колодки.[35] Действительно, арамиды выделяют меньшее количество переносимых по воздуху волокон, чем асбест тормоза. Волокна асбеста известны своими канцерогенными свойствами.[36]

Другое использование

Танец огня

Огненные пои на пляже в Сан-Франциско

Фитили для огонь танцы стойки сделаны 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 же хлопок. Высокая термостойкость кевлара позволяет многократно использовать фитили.

Сковородки

Кевлар иногда используется как замена Тефлон в некоторых сковородах с антипригарным покрытием.[37]

Веревка, кабель, оболочка

Кевлар швартовка

Волокно используется в канате и кабеле, где волокна параллельны в пределах полиэтилен рукав. Кабели использовались в подвесные мосты например, мост в Аберфелди в Шотландия. Они также использовались для стабилизации растрескивающихся бетонных градирен с помощью кругового применения с последующим натяжением для закрытия трещин. Кевлар широко используется в качестве внешней защитной оболочки для оптоволоконный кабель, поскольку его прочность защищает кабель от повреждений и перегибов. При использовании в этом приложении он обычно известен под торговой маркой Parafil.[38]

Производство электроэнергии

Кевлар использовался учеными на Технологический институт Джорджии в качестве основы для экспериментов по производству одежды, производящей электричество. Это было сделано ткачеством оксид цинка нанопровода в ткань. В случае успеха новая ткань будет генерировать около 80 милливатт на квадратный метр.[39]

Строительная конструкция

Раздвижная крыша из кевлара площадью более 60 000 квадратных футов (5 575 квадратных метров) была ключевой частью конструкции здания. Олимпийский стадион Монреаля для 1976 летние Олимпийские игры. Он оказался крайне неудачным, так как был завершен с опозданием на 10 лет и заменен всего через 10 лет в мае 1998 г. после ряда проблем.[40][41]

Компенсаторы и шланги

Кевлар можно найти в качестве армирующего слоя в резинка мехи компенсаторы и резина шланги, 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.[42][43][44]

Физика элементарных частиц

Тонкое окно из кевлара использовалось NA48 эксперимент в ЦЕРН чтобы отделить вакуумный сосуд от сосуда при почти атмосферном давлении, оба 192 см в диаметре. Окно обеспечивает герметичность в сочетании с относительно небольшим количеством материала (всего от 0,3% до 0,4% радиационная длина ).[нужна цитата ]

Смартфоны

В Семейство Motorola RAZR, то Motorola Droid Maxx, OnePlus 2, И Покофон F1 имеют заднюю пластину из кевлара, которую предпочитают другим материалам, таким как углеродное волокно, из-за его упругости и отсутствия помех при передаче сигнала.[45]

Морские токовые турбины и ветряные турбины

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.[46]

Композитные материалы

Арамидные волокна широко используются для армирования композиционных материалов, часто в сочетании с углеродное волокно и стекловолокно. Матрица для высокоэффективных композитов обычно эпоксидная смола. Типичные приложения включают монокок кузова для F1 гоночные автомобили, вертолет лопасти, теннис, настольный теннис, бадминтон и давить ракетки, каяки, крикет летучие мыши и хоккей на траве, хоккей на льду и лакросс палочки.[47][48][49][50]

Кевлар 149, самое прочное волокно и наиболее кристаллическое по структуре, является альтернативой в некоторых частях авиастроения.[51] Одно из применений - это передняя кромка крыла, поскольку кевлар менее подвержен разрушению при столкновении с птицами, чем углеродное или стекловолокно.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мера, Хироши; Таката, Тадахико (2000). «Высокоэффективные волокна». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Дои:10.1002 / 14356007.a13_001. ISBN  978-3527306732.
  2. ^ а б «Что такое кевлар». DuPont. Архивировано из оригинал на 2007-03-20. Получено 2007-03-28.
  3. ^ «Полностью ароматическое карбоциклическое поликарбонамидное волокно, имеющее ориентацию ... - US 3819587 A - IP.com». ip.com.
  4. ^ Тацуя Хонгу, Глин О. Филлипс, Новые волокна, Эллис Хорвуд, 1990, стр. 22
  5. ^ Дж. К. Финк, Справочник по инженерным и специальным термопластам: полиолефины и стиролы, Scrivener Publishing, 2010, стр. 35 год
  6. ^ а б c «Изобретая современную Америку: понимание - Стефани Кволек». Лемельсон-Массачусетский технологический институт программа. Архивировано из оригинал 27 марта 2009 г.. Получено 24 мая, 2009.
  7. ^ Стефани Луиза Кволек биография. Букрагс. В архиве из оригинала 29 июня 2011 г.. Получено 24 мая, 2009.
  8. ^ Куинн, Джим. «Я мог быть креативным и работать так усердно, как хотел». Издательство "Американское наследие". Архивировано из оригинал 2 декабря 2008 г.. Получено 24 мая, 2009.
  9. ^ https://digital.hagley.org/VID_2011320_B05_ID01
  10. ^ Как работает Кевлар®: простое введение. Explainthatstuff.com (07.12.2009). Проверено 26 мая 2012.
  11. ^ http://www.matweb.com/search/datasheettext.aspx?matguid=706f16a3a8be468284571dd36bbdea35
  12. ^ https://www.researchgate.net/publication/279740540_Determination_of_Fracture_Behavior_under_Biaxial_Loading_of_Kevlar_149
  13. ^ Кевлар K-29 AP Технический паспорт - Дюпон
  14. ^ Кевлар XP - Дюпон
  15. ^ Кевлар KM2 Техническое описание. dupont.com. Проверено 26 мая 2012.
  16. ^ Юсиф, Эмад; Хаддад, Рагад (23.08.2013). «Фотодеградация и фотостабилизация полимеров, особенно полистирола: обзор». SpringerPlus. 2: 398. Дои:10.1186/2193-1801-2-398. ISSN  2193-1801. ЧВК  4320144. PMID  25674392.
  17. ^ Кинтанилья, Дж. (1990). «Микроструктура и свойства случайных гетерогенных материалов: обзор теоретических результатов». Полимерная инженерия и наука. 39 (3): 559–585. Дои:10.1002 / pen.11446.
  18. ^ Майкл С. Петти, Молекулярная электроника: от принципов к практике, John Wiley & Sons, 2007, стр. 310
  19. ^ KEVLAR Техническое руководство. dupont.com. Проверено 26 мая 2012.
  20. ^ а б Бронежилет из кевлара. (2005-0604). DuPont Чудеса науки. Проверено 4 ноября 2011 г.
  21. ^ Кевлар - DuPont Personal Protection. .dupont.com. Проверено 26 мая 2012.
  22. ^ Гензини, Луиджи. «Кюдо - способ стрельбы из лука; Искусство стрельбы из традиционного японского лука по школе Хеки Инсай Ха» (PDF).
  23. ^ Паген, Деннис (1990), Полет на параплане: прогулка по воздуху, Pagen Books, стр. 9, ISBN  978-0-936310-09-1
  24. ^ «Nike Basketball ELITE Series 2.0 поднимается над остальными». Новости Nike. 20 марта 2013 г.. Получено 16 апреля, 2017.
  25. ^ «Прерыватель системы безопасности». www.continental-tires.com. Получено 2019-02-25.
  26. ^ Том Ричи
  27. ^ Использование аудиоколонки. Audioholics.com (23 июля 2009 г.). Проверено 26 мая 2012.
  28. ^ Добро пожаловать в Кевлар. (2005-06-04). DuPont Чудеса науки. Проверено 4 ноября 2011 г.
  29. ^ Смычки из углеродного волокна для скрипки, альта, виолончели и баса В архиве 2011-11-10 на Wayback Machine. CodaBow. Проверено 26 мая 2012.
  30. ^ Смычки из углеродного волокна для скрипки, альта, виолончели и баса В архиве 2012-03-09 в Wayback Machine. CodaBow. Проверено 26 мая 2012.
  31. ^ Насадки и шнуры В архиве 2012-11-23 в Wayback Machine Айтчисон Мнацаганиан виолончелисты, реставраторы и торговцы. Проверено 17 декабря 2012.
  32. ^ «Фалам® Шлем». Ремо. Получено 11 декабря 2019.
  33. ^ «Веб-сайт FibraCell».
  34. ^ «История Ferrari F40 - от его создателей». 2017-07-21.
  35. ^ «Обзор композитных дисковых тормозных колодок Superstar Kevlar». BikeRadar. Получено 2016-10-23.
  36. ^ Jaffrey, S.A.M.T; Rood, A.P .; Скотт, Р. (1992). «Волокнистая пыль из заменителей асбеста в изделиях трения». Анналы гигиены труда. 36 (2): 173–81. Дои:10.1093 / annhyg / 36.2.173. ISSN  0003-4878. PMID  1530232.
  37. ^ М. Рубинштейн, Р. Х. Колби, Полимерная физика, Oxford University Press, стр. 337.
  38. ^ Бургойн, К. Дж. (1987-03-01). «Конструктивное использование парафильных канатов». Строительные и строительные материалы. 1 (1): 3–13. Дои:10.1016/0950-0618(87)90053-5. ISSN  0950-0618.
  39. ^ Ткань производит электричество, когда вы ее носите. Scientific American (22 февраля 2008 г.). Проверено 26 мая 2012.
  40. ^ Крыша Олимпийского стадиона Монреаля в Structurae
  41. ^ Бейсбол Клема ~ Олимпийский стадион. Andrewclem.com. Проверено 26 мая 2012.
  42. ^ Шеперд, Роберт; Стоукс, Адам; Нунес, Руи; Уайтсайдс, Джордж (октябрь 2013 г.). «Мягкие машины, устойчивые к проколам и самоуплотнению» (PDF). Современные материалы. 25 (46): 6709–6713. Дои:10.1002 / adma.201303175. PMID  24123311.
  43. ^ Гонг (Эд), Р.Х. (2011). Специализированные структуры пряжи и тканей: разработки и применения. Издательство Вудхед. п. 349. ISBN  9781845697570.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  44. ^ Мейер, Брюс (9 ноября 2015 г.). «Unaflex увеличивает площадь и мощность на заводе S.C.». Новости резины и пластмасс.
  45. ^ Дроид RAZR. (2011-10-11). Motorola Mobility. Проверено 4 ноября 2011 г.
  46. ^ Ван, Цзифэн; Норберт Мюллер (декабрь 2011 г.). «Численное исследование судовой турбины из композиционных материалов с использованием CFD». Центральноевропейский инженерный журнал. 1 (4): 334–340. Bibcode:2011CEJE .... 1..334W. Дои:10.2478 / s13531-011-0033-6.
  47. ^ Кадольф, Сара Дж. Анна Л. Лэнгфорд. Текстиль, девятое издание. Pearson Education, Inc 2002. Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси
  48. ^ Д. Таннер; Дж. А. Фитцджеральд; Б. Р. Филлипс (1989). "История кевлара - исследование передовых материалов". Angewandte Chemie International Edition на английском языке. 28 (5): 649–654. Дои:10.1002 / anie.198906491.
  49. ^ Э. Э. Магат (1980). «Волокна из ароматических полиамидов с удлиненной цепью, новые волокна и их композиты». Философские труды Королевского общества A. 294 (1411): 463–472. Bibcode:1980РСПТА.294..463М. Дои:10.1098 / рста.1980.0055. JSTOR  36370. S2CID  121588983.
  50. ^ Рональд В. Джовен. Производство кевларовых панелей методом термоотверждения. Университет Лос-Анд, 2007 год. Богота, Колумбия.
  51. ^ https://www.physics.ncsu.edu/stxm/science/kevlar/kevlar.html

внешняя ссылка