Кевлар арамид

История происхождения

Kevlar был произведен в 1964 году американской компанией Dupont, которая также известна как крупнейший мировой создатель и производитель нейлона. Изобрел этот материал Стефани Кволек – химик, пришедший в эту компанию на стажировку. Стефани мечтала о медицине, но процесс производства химических материалов оказался так интересен, что она решила остаться.

Поиски могли продолжиться, но Стефани убедила руководство рискнуть, и оказалось, что раствор подходит для изготовления нитей. А результат испытаний удивил – этот материал был прочнее стали!

Первое появление кевлара на рынке пришлось на 1975 год. В это время в России и Европе были созданы материалы-аналоги – СВМ и тварон. Но кевлар опередил их, поэтому все ткани данной группы стали называться так.

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.

Виды ткани

Виды кевлара представлены в таблице.

  Простые выкройки и инструкция по пошиву мужских пиджаков

Применение

Изначально материал разрабатывался для армирования автомобильных шин, для чего он используется и по сей день. Кроме того, кевлар используют как армирующее волокно в композитных материалах, которые получаются прочными и лёгкими.

Кевлар используется для армирования медных и волоконно-оптических кабелей (нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп.

Кевларовое волокно также 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 (для мотоспорта, сноубординга и т. п.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек.

Средства индивидуальной бронезащиты

Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) — бронежилетов и бронешлемов. Исследования второй половины 1970-х годов показали, что волокно марки кевлар-29 и его последующие модификации при использовании в виде многослойных тканевополимерных преград (композит из ткани и пластика) дают наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе, преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости. Это одно из самых известных применений кевлара.

Кевлар обладает сравнительно небольшим весом, при этом значительной силой внутреннего трения, которая позволяет быстро рассеивать кинетическую энергию при столкновении, превращая её в тепловую. При этом он из-за своей тонкости не способен остановить острые и тяжёлые предметы, обладающие большим импульсом, к примеру, винтовочную пулю или лезвие штыка. По этой причине в современных армейских бронежилетах его комбинируют с дополнительными защитными пластинами из стали, титана или керамики, которые недолговечны, но способны спасти жизнь солдату в бою, а также с амортизирующими элементами для уменьшения заброневых действий снарядов.

В 1970-е годы одним из наиболее значительных достижений в разработке бронежилетов стало применение армирующего волокна из кевлара. Разработка бронежилета из кевлара Национальным институтом правосудия США (англ. National Institute of Justice) происходила в течение нескольких лет в четыре этапа. На первом этапе волокно тестировалось, чтобы определить, способно ли оно остановить пулю. Второй этап заключался в определении количества слоев материала, необходимого для предотвращения пробивания пулями различного калибра и летящими с разной скоростью, и разработке прототипа жилета, способного защищать сотрудников от наиболее распространенных угроз: пуль калибра .38 Special и .22 Long Rifle. К 1973 году был разработан жилет из семи слоев волокна из кевлара для полевых испытаний. Было установлено, что при намокании защитные свойства кевлара ухудшались. Способность защищать от пуль также уменьшалась после воздействия ультрафиолета, в том числе солнечного света. Химчистка и отбеливатели также негативно сказывались на защитных свойствах ткани, так же, как и неоднократные стирки. Чтобы обойти эти проблемы, был разработан водостойкий жилет, имеющий покрытие из ткани для предотвращения воздействия солнечных лучей и других отрицательно влияющих факторов.

Судостроение

С начала 1990-х годов кевлар получил распространение в судостроении. Из-за технологических сложностей и цены на кевлар его применяют выборочно. Например, только в килевой части или по швам. Многие производители (такие, как верфи BAIA Yachts, Blue water, Dolphin, Danish yacht, Zeelander Yachts), делая в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование кевлара. Одним из лидеров в производстве яхт из кевлара считается [кем?] итальянская верфь Cranchi, которая производит яхты из кевлара размером от 11 до 21 метра.

Авиационная промышленность

Кевлар применяется в конструкции ряда беспилотных летательных аппаратов (например, RQ-11) для повышения защиты.

История изобретения кевлара

Этот уникальный полимер, как и многие другие синтетические волокна, был получен в лабораториях всемирно известного концерна Дюпон. Его официальным создателем является химик Стефани Кволек, руководительница группы, занимавшейся проблемой синтеза прочных полимерных волокон для армирования шин. В 1964 году Кволек предложила новый способ получения полиарамидных нитей – не из расплава, как для большинства полимеров, а из раствора. Поликонденсированный параарамид растворяют в кислоте, а затем из раствора выращивают непрозрачные кристаллические волокна различной плотности, имеющие желтовато-золотистый цвет; в среднем их толщина составляет примерно 11 мкм. Кристаллическая структура такого волокна представляет собой стержень, в сечении которого лежит бензольное кольцо, что придает структуре очень высокую прочность. При тестировании на разрыв первых лабораторных образцов полиарамидных волокон исследователи даже решили, что аппаратура неисправна, поскольку полученная прочность (до 260 сн/Текс) оказалась в несколько раз выше, чем у стали, и к тому же новые полимеры оказались гибкими и легкими. Для дальнейшего применения волокна скручивают в нить, их количество в одной нити может быть различным. Из нитей с количеством волокон до 1000 производят кевлар ткань, более толстые нити (до 10 тысяч волокон) используются в технических целях, для армирования различных материалов и для производства канатов.

В 1975 году новый сверхпрочный полимер поступил в продажу под торговой маркой Kevlar. Он, как и предполагалось, использовался в качестве армирующего материала для шин. Кроме того, он нашел применение для различных композитных материалов, для производства кабельной продукции, протезов, спортивного оборудования и т.п. Большую долю выпускаемой продукции занимает ткань кевларовая, которую используют в основном для производства средств индивидуальной защиты. Вне зависимости от формы выпуска, полиарамидные волокна и нити из них обладают такими характеристиками:

• большая прочность на растяжение и на разрыв (порез);
• небольшая плотность (30-60 г/кв.метр);
• усиление прочности при понижении температуры вплоть до – 200 градусов;
• высокая упругость;
• химическая стойкость;
• низкая электропроводность;
• устойчивость к горению и плавлению;
• отсутствие коррозии;
• нетоксичность.

Однако кевларовые волокна имеют и свои недостатки. Их прочность уменьшается при повышении температуры, и при 450 градусах происходит процесс терморазложения. Они нестойки к действию УФ-излучения, утрачивают прочность при истирании и намокании. Однако при этом ткань кевлар является достаточно мягкой и имеет способности к воздухообмену, что позволяет использовать ее для одежды и обуви специального назначения.Кевлар — синтетическая ткань с кристаллической структурой. Этот материал прочный за счет бензольного кольца, находящегося в сечении кристалла. Кевлар по своим свойствам крепче металла.

Этот материал производится в Америке на химическом предприятии DuPont. Производство кевлара начинается только при достижении низкой температуры.

Хлористый кальций и метилпирролидон смешивают, затем туда добавляют реагенты. Все эти вещества вступают в химическую реакцию, и получается полимер, обладающий свойствами жидких кристаллов.

Полученный полимер внешне выглядит как гель или мелкая крошка. Его тщательно промывают, затем просушивают и потом растворяют в серной кислоте. Полученный раствор пропускают через фильеры. В результате получаются волокна. Путем перекручивания из них создаются нити, а из них получают ткань.

Характеристики кевларовой нити: плюсы и минусы

Основное преимущество кевларовых нитей – высокая прочность: от 280 до 550 кг на мм². Перерезать их обычными ножницами вряд ли получится. Отсюда вытекает сразу три важных свойства материала:

• устойчивость к истиранию;
• способность выдерживать тяжелые предметы;
• хорошая сопротивляемость к ударам и динамическим нагрузкам.

Волокна имеют низкую плотность – до 1500 кг на м³. Это немногим больше, чем у воды. Материал хорошо пропускает воздух и отводит влагу. В одежде из кевлара человек практически не перегревается и не потеет.

Кроме того, полиарамидные нити обладают следующими плюсами:

1. Низкая электропроводность. Работать с ними намного безопаснее, чем с металлами.
2. Устойчивость к коррозии. Неспроста их применяют для обтяжки кабелей и в судостроении.
3. Не горят и даже не плавятся. Они начинают разлагаться только при температуре выше 430-450 °С, и то спустя несколько часов. Обладают способностью к самотушению.
4. Не теряют высокие эксплуатационные свойства на морозе. Напротив, отрицательные температуры делают волокна еще прочнее.
5. Не токсичны. Не вызывают аллергию даже у маленьких детей и пожилых людей.

Однако кевларовое полотно в чистом виде не обеспечивает 100% защиту от тонких и острых предметов. Например, его можно пробить пулей или проколоть шилом. Поэтому при изготовлении брони для военных целей формируется несколько слоев такой ткани, а также добавляются металлические пластины. Также кевлар быстро портится под воздействием воды, химических реагентов и ультрафиолета.

Где применяется кевлар

Так как надобность в прочных кевларовых волокнах возникает в разных областях производства, то их базовая структура была модернизирована под десятки направлений использования. Так появились специализированные марки кевлара, обладающие отдельными выраженными качествами, такими как химическая стойкость, эластичность и пр. Кроме этого постоянно появляются новые усовершенствованные составы. Основными марками считаются К29 и К49.

• Оптоволоконного кабеля.
• Резиновых покрышек.
• Композитов.
• Канатов и шнуров.

Также из кевларовых волокон делают ткань, которая применяется для пошива защитной спецодежды. Несколько слоев кевлара способны остановить пулю, выпущенную из огнестрельного оружия. В связи с этим ткань используется для производства легких современных бронежилетов. Ее тоже применяют для перетяжки защитных касок. Это предотвращает поражение осколками в случае ее раздробления при ударе пули и т.д.

Кевлар используется при производстве композитных материалов. Его волокна в сочетании с застывающими полимерными смолами образовывают прочное и легкое соединение. Изделия из такого композита широко применяются в космической области и авиации. Они обладают ударостойкостью, практически не стираются, выносят большие давящие нагрузки, кроме этого они легкие.

Всего 7 слоев кевлара базовой марки К-29 способны остановить пулю выпущенную из пистолета. Для компенсации негативного воздействия на материал, ткани из него покрываются специальными прозрачными составами. Они препятствуют намоканию волокон, а также не пропускают к ним ультрафиолет. Это существенно увеличивает срок службы кевларовых изделий, а кроме этого позволяет им всегда быть одинаково прочными, несмотря на осадки. Уровень защиты от атмосферного воздействия у разных марок отличается.

Марки кевлара

Наиболее ходовыми марками являются К-29 и К-49. Это волокна, которые применяются для армирования при производстве тормозных колодок, брони, автомобильных шин, рассчитанных на большую нагрузку. Их также используют для изготовления канатов, оплетки оптоволоконного кабеля.

Марка К-100 – это окрашенная производителем пряжа. Она скупается для изготовления тканей, применяемых для пошива спортивной одежды, обмундирования спасателей. Марка К-119 является усовершенствованной версией материала, имеющая лучшую стойкость к эффекту старения. Кроме этого она еще и более упругая.

Марка К-129 изготавливается для армейских нужд. Это усовершенствованная версия К-29, которая позволяет делать броню прочнее. После нее компания начала производить К-APP. Она превосходит базовую версию на 15% по стойкости к разрыву. Наиболее известной стала марка KM2. Из нее и изготавливаются современные бронежилеты.

Правила ухода за кевларовой одеждой

Материал применяется для изготовления специализированной защитной одежды. Из него делают костюмы для военных и спасателей. Отдельные марки кевлара способны нормально переносить нагрев до +500°С. Из такой ткани делают стойкие к порезам перчатки, брюки, свитера и другую одежду, которая внешне очень похожа на обычную. Однако бронированные вещи нуждаются в особенном уходе. В частности необходимо обеспечить правильный режим стирки.

Дело в том, что слабой стороной материала является защитное покрытие, которое препятствует намоканию волокон, и не допускает к нему ультрафиолет. При стирке оно понемногу истирается. Концерном DuPont, которому принадлежат все права на выпуск кевлара, как его изобретателю, выдается гарантия на свою продукцию 10 циклов стирки. То есть, нужно минимизировать частоту стирки, так как после нее характеристика материала будет постепенно снижаться.

Отмечается, что при стирке нужно чтобы кевлар не контактировал с хлором. Это разрушает его защиту. При этом различные кислотные отбеливатели и выводители пятен для него не проблема.

Выстиранные кевларовые вещи необходимо сушить не под прямыми солнечными лучами. При этом на них можно воздействовать теплом, это никак не повредит. Потеря прочности наблюдается только в момент нагрева. При охлаждении она восстанавливается до нормального значения.

Области применения кевлара

Процесс совершенствования свойств кевлара происходит постоянно, и в настоящее время выпускается несколько разновидностей этого уникального волокна, ориентированных на определенную область применения. Среди них такие марки, как:

• К29, который применяется для повышения прочности кабелей, армирования шин, шлангов и в военной промышленности (индивидуальных защитных средств и брони);
• К49 – высокомодульное волокно для оптоволоконной продукции, армирования композитов, изготовления ткани, спортивных аксессуаров, судостроения, авиационно-космического комплекса;
• К2100 – цветные нити, которые используют для оплетки канатов и кабелей, производства защитной одежды и аксессуаров;
• К119 – с повышенной гибкостью, применяется для армирования резиновых изделий;
• АР (advanced performance) – кевлар нового поколения, прочность которого на 15% выше. чем у базовой марки К29;
• КМ2 и КМ2+ — высокопрочное волокно для изготовления бронежилетов, пуленепробиваемых шлемов и других средств защиты военных и работников силовых структур;
• ХР – композитный материал на основе смолы повышенной вязкости и кевлара КМ2+.

Отдельно следует выделить кевларовые волокна с алюминиевым покрытием, которые способны выдерживать температуру до 500 градусов. Они способны защитить от брызг металла, контакта с раскаленными поверхностями и даже какое-то время от открытого пламени и используются в защитных костюмах для пожарных, металлургов, работников других опасных профессий.

Кроме применения волокна для разнообразных технических конструкций, ткань кевлар является основой наиболее распространенной защитной одежды. Изобретательница этого материала Стефани Кволек считала своим главным достижением спасение множества жизней благодаря кевларовым бронежилетам, шлемам и другим средствам защиты, которые сейчас используются военными подразделениями НАТО. Опытным путем было установлено, что надежную защиту от пули обеспечивают семь слоев материала. При этом кевларовые слои покрывают водостойким светонепроницаемым материалом, чтобы не допустить уменьшения прочности вследствие намокания или воздействия ультрафиолета.

Распространенной является также ткань кевлар, созданная путем армирования обычного материала полиарамидными волокнами. Она характеризуется повышенной прочностью и долговечностью и может быть использована для создания защитных костюмов и аксессуаров работникам различных профессий. Также кевларовый материал находит применение в виде вставок в обычную одежду, износостойких и непрокалывающихся стелек, защитных перчаток и т.п. Такие аксессуары ценятся работниками силовых подразделений, любителями экстремальных видов спорта и людьми, ведущими активный образ жизни, в частности, страйкболистами, сноубордистами, байкерами. Хотя ткань кевлар стоит довольно дорого (порядка 30 долларов за квадратный метр), ее надежность и защитные свойства вполне оправдывают такие расходы.

Основные виды кевлара

Полиарамидные нити могут иметь разную толщину, прочность и упругость. Сегодня на рынке в основном представлены следующие виды кевлара:

1. К-29. Обладает стандартными характеристиками: плотностью от 280 кг на мм², желтоватым цветом, толщиной 1 мм. Применяется для изготовления спортивного инвентаря, защитных вставок в костюмы, ортопедических протезов, нитей для рыбалки, струн для музыкальных инструментов.
2. К-49. Обладает повышенной устойчивостью к коррозии. Применяется для изготовления автомобильных тросов, шлангов и покрышек, армирования пластмассы.
3. К2-100. Маркировка обозначает, что нить окрашена. Обычно кевлар К2-100 используется для изготовления оплетки оптоволокна.
4. К-119. Удлиненные нити, обладающие повышенной гибкостью. Как правило, применяются для армирования автомобильных шин и других резиновых изделий.
5. КМ2 и КМ2+. Полотно, обладающее повышенной прочностью, защитой от влаги и ультрафиолета. Применяется при изготовлении брони для силовых структур.

Также в продаже встречаются измельченные волокна. Например, штапель-кевлар представляет собой нарезанные нити длиной до 6 мм. Они не такие прочные, как К-29, зато используются для изготовления полотна, обладающего повышенными теплоизоляционными и виброизоляционными свойствами.

Флок-кевлар – это нарезанные волокна длиной до 1 мм. Они предназначены для армирования смол.

Обычный диаметр волокон 1 мкм, непрозрачные.

1. Основной характеристикой материала является его высокая механическая прочность. Плотность и, соответственно, масса достаточно низкие.
2. Кевлар обладает устойчивостью к растяжению.
3. Не горит и не плавится, обладает способностью к самотушению. Начинает разлагаться при температурах от 430 °C. При воздействии высоких температур начинает терять прочность только с течением времени, не сразу.
4. Имеет устойчивость к органическим растворителям.
5. Обладает высоким модулем упругости.
6. Устойчив к коррозии.
7. Под воздействием очень низких температур (криогенных) не только не портится, но и становится ещё прочнее.
8. Обладает низкой удельной электропроводностью.
9. Устойчив к порезам.

Применение

Кевлар широко применяется. Практически с самого начала промышленного выпуска (1970 год) его начали использовать в самых различных областях: авто- и авиастроение, судостроение, ракетостроение и др.

Где сегодня востребован кевлар:

• Изготовление автомобильных и велосипедных шин, сверхпрочных тросов, нитей, строп.
• Как армирующий компонент в композиционных материалах.
• Создание пуленепробиваемой экипировки для военных, сотрудников полиции, бойцов спецназа (бронежилетов, масок, подшлемников).
• Изготовление облегченных баллистических материалов.
• Защитные элементы на одежде для туризма и спорта, обувные стельки устойчивые к проколам, перчатки, защищающие от порезов и при этом не нарушающие чувствительность рук.
• Производство парусов яхт.
• Спортивное снаряжение: легкие лодки и весла, лыжи, каски, доски для сноуборда.
• Изготовление музыкальных инструментов: прочных и гибких струн, диффузоров акустических динамиков для передачи низких и средних частот.
• Тюнинг гоночных машин: аэродинамические обвесы, сидения, силовые конструкции.
• Изготовление протезов (повышение износостойкости стоп и других частей).

Кевлары часто комбинируют с другими полимерами, создавая новые высокотехнологичные материалы. Они находят применение в специфических областях. Например, легкий карбон-кевлар используют для изготовления корпусов высокоскоростных яхт.

Если говорить конкретно о кевларовой ткани, то она применяется преимущественно для создания спецодежды для представителей опасных профессий: летчиков, сталеваров, пожарных, военных. Из нее делают вставки на плечах и локтях униформы для мотоциклистов, укрепляют маски фехтовальщиков. Изготавливают также смешанные ткани с кевларом для пошива крепких курток, брюк, комбинезонов и костюмов.

Какие бывают виды

Кевлар выпускается в двух видах:

1. Длинные нити в катушках, для ткачества больших кевларовых полотен. Далее эта ткань используется для изготовления спецодежды. Также нити приплетают к другим смесовым материалам для добавления им прочности (перчатки альпинистов). Путем скрутки нитей можно достичь максимальных характеристик, что позволяет делать даже сверхпрочные тросы.
2. Измельченное волокно с частицами размером 1 мм – из него производят пластины, которые потом используются как один из слоев композита.

В продаже кевлар имеет несколько маркировок, каждая со своими характеристиками, и предназначается для определенных вещей.

Разновидности и применение

Одежда из кевлара предназначена для того, чтобы уберечь ее владельца от опасности. Однако, сфера применения материала гораздо шире. На сегодняшний день выпускается несколько разновидностей полимерного волокна, каждая из которых предназначена для определенных целей.

К29

Эта разновидность самая распространенная и сфера ее применения, пожалуй, самая широкая.

• Кевларовая одежда шьется для работников служб быстрого реагирования, военных
• Отдельные защитные элементы, например, тактические перчатки, антипрокольные стельки, наколенники, налокотники и пр.
• Отдельные вставки в защитный костюм
• Одежда для спорта, например, сноубординга или мотоспорта (мотокуртки, шлемы и пр.), то есть тех видов спорта, которые связаны с риском получить травму
• Для изготовления ортопедических протезов
• Спортивное снаряжение (лыжи, доски для сноуборда, весла, обкладка велосипедных шин и пр.)
• Основа для струн в струнных музыкальных инструментах

К49

Это высокомодульное волокно используется в оптоволоконной продукции, в судостроении, в авиации, также оно предназначено для армирования композитов

К2100

Эта разновидность представляет собой цветные нити. Такие нити используются для оплетки кабелей и канатов, с целью защитить их от повреждения. Кроме того, эта разновидность также используется в пошиве защитной и спортивной одежды

К119

Материал с повышенной гибкостью, применяется, в основном, для армирования резиновых изделий

КМ2 и КМ2+

Эти виды разработаны и применяются для изготовления защитных костюмов работникам силовых и военных структур. Кевларовые бронижилеты, шлемы – все это обшивается водонепроницаемой тканью, чтобы материал не утратил прочность во время дождя. Материал здесь укоадывается в несколько слоев.

С алюминиевым покрытием

Уход

Кажется, что изделия из материала кевлар выдержат любое воздействие, но это не исключает правильный уход для поддержания уникальных эксплуатационных характеристик. Изделие отправляют на хранение обязательно сухими и чистыми. Влага негативно сказывается на свойствах ткани.

При работе с материалом потребуется специальный инструментарий – ножницы по кевлару обязаны быть твердосплавными, а вот прошить ткань удастся обычной иглой, т. к. довольно рыхлое плетение позволяет раздвинуть волокна и пропустить иглу с нитью. Разумеется, нить также должна быть арамидной.

Уважаемые читатели сайта Tkan.Club, если у вас остались вопросы по этой теме – мы с радостью на них ответим. Оставляйте свои отзывы, комментарии, делитесь историями если имели дело с этой тканью! Ваш жизненный опыт может пригодиться другим читателям.

3 июня 2021

Любая шпатлевка состоит из наполнителя, обеспечивающего заполнение неровностей и прочность, связующего вещества, которое отвечает за адгезию и усадку, а также пигмента и добавок (стабилизаторов, пластификаторов). Назначение таких составов — восстановить поверхность, которая повреждена ржавчиной или механическим воздействием. При верном выборе и использовании эти продукты значительно упрощают работу по заделыванию сквозных отверстий и выравниванию поверхностей во время ремонта авто.