Кевлар – что такое за ткань. История кевлара Для чего в основном используется кевлар

Всё чаще в самых разных областях промышленности применяются современные высокотехнологичные материалы. Одним из них является кевларовая ткань. Данный элемент отличает от других средств великолепная устойчивость, как к трению, так и к точечному удару. Так в композитных материалах его чаще всего комбинируют с разнообразными , в свою очередь в текстильной промышленности кевларовая ткань нашла широчайшее применение. Такой высокотехнологический материал, как кевлар применяют при пошиве курток, джинсов, перчаток, для производства тросов и многого другого.

Характеристики кевларовой ткани

Ткань из кевлавра, активно используют в качестве армирующего средства для разнообразных композитных материалов. Кевларовая ткань имеет высокую прочность, при весьма малой массе. Такое средство не только не теряет своих свойств под воздействием низких температур (температурный придел составляет -190 градусов), но и приобретает дополнительную прочность.

Воздействие высоких температур также не принесёт кевларовой ткани большого вреда, ведь температура её разрушения колеблется от +430 до +480 градусов. Причём температура разрушения полностью зависит от времени и интенсивности нагрева. С целью понижения стоимости готовых изделий, налажено производства комбинированных тканей, куда добавлено стекловолокно или же волокна угля. Для здоровья человека кевларовая ткань не несёт совершенно никакой угрозы.

Высокая термостойкость и прочность кевларовой ткани позволяет использовать её для изготовления обмундирования для огнеборцев. Благодаря тому, что кевлар в 5 раз прочнее стали (при аналогичном весе) стало возможным использовать его для изготовления бронежилетов. Именно специальные приспособления для защиты, их довольно успешное производство, во многом способствовало популярности кевларовой ткани. Сейчас подобный материал используется в самых разных отраслях, в том числе и в аэрокосмической.

Эксплуатация кевларовой ткани

В бытовом плане кевлар также нашёл весьма широкое применение. Наиболее часто его применяют именно там, где необходима высокая устойчивость к низким и высоким температурам, а, соответственно, и его высочайшая прочность. Обычно из кевларовой ткани производят различное снаряжение для спортсменов (шлемы, троса, перчатки и т.д.). Кроме того, как было указанно ранее, кевларовая ткань активно используется в производстве композитных материалов.

Однако по температурным и прочностным показателям, кевлар немного уступает углеволокну, но при этом, он значительно лучше переносит изгибающие нагрузки. В попытке объединить качества этих двух материалов были созданы комбинированные кевларовые ткани, с примерно равным содержанием обоих материалов. Такие ткани прекрасно переносят упругую деформацию. Но карбон-кевларовая ткань теряет в прочности, имеет несколько больший вес и не очень хорошо переносит контакты с водой.

Всё же сочетание эпоксидных смол с кевларовой тканью не является идеальным. Подобные смолы склонны "набирать" влагу, и накапливать её в себе. При контакте с водой, кевлар значительно теряет в своих свойствах, которые так высоки в сухом его состоянии. Кроме того ультрафиолет является катализатором уменьшающим жизненный срок кевларового компонента.

Именно поэтому кевлар целесообразно эксплуатировать только в определённых условиях (стопроцентно используя все положительные характеристики материала), что собственно не уменьшает его востребованности в настоящее время. Кевларовая ткань используется для пошива строительно-специальной рабочей одежды (монтажные перчатки, сварочные комбинезоны и др.).

Природа дала человеку целый ряд уникальных в своём роде материалов. Например, древесина — материал настолько прочный и универсальный, что допускает использование практически везде: от изготовления бумаги до строительства домов. Можно выделить овечью шерсть — крайне эффективный изоляционный материал или натуральную кожу, обладающую свойствами самовосстановления. Натуральные материалы действительно уникальны, но далеко не идеальны для применения в современном мире. Теперь люди всё чаще полагаются на кевлар или прочнее стали.

Синтезированный искусственно кевлар – материал, показывающий пятикратно увеличенную прочность по сравнению с традиционной сталью. По сути, являющийся пластиком, материал кевлар способен противостоять удару ножа и защитить от пули.

Применение этого искусственного материала фактически неограниченно – от изготовления корпусов , до производства тормозных колодок и тетивы спортивных луков.

Существуют, в буквальном смысле, сотни синтетических пластиков, получаемых методом полимеризации (соединения молекул длинной цепью), и каждый продукт обладает совершенно разными свойствами. Удивительные свойства кевлара отчасти связаны с внутренней структурой, где присутствуют волокна, тесно связанные между собой.

Композит, созданный на основе кевларового волокна и углеродного волокна (карбона). Облегчённый, удобный материал и при этом обладающий уникальными свойствами прочности

Материал совершенно не похож на хлопок, производимый из соответствующего сырья. Кевлар является запатентованным продуктом, который производится исключительно химической компанией «DuPont», и выпускается двумя основными модификациями:

Кевлар 29
Кевлар 49

По химической структуре изделия напоминают другой универсальный защитный материал, именуемый – хомекс (Homex). Продукты кевлар и хомекс являются примерами химических веществ, относимых к разряду синтетических ароматических полиамидов (арамидов). Эти синтетические ткани производятся в химической лаборатории (в отличие от натуральных тканей).

Что такое полиамид и полимер?

Соединение кольцеобразных ароматических молекул вместе, образующих длинную цепь, называется полиамидом. Полиамиды размещаются внутри структуры параллельно кевларовым волокнам, подобно стальным стержням (арматуре) железобетона.

Полимер может быть представлен множеством идентичных молекул, связанных вместе (каждая из которых называется мономером). Пластмассы – пример классических полимеров современного мира. Очевидно — мономеры кевлара основаны на модифицированной бензолоподобной кольцевой структуре.

Полиамиды напоминают о себе присутствием в составе предметов широко распространённых в бытовой сфере, а также в других, относящихся, например, к промышленно-производственной сфере

Подобно продукту хомекс, продукт кевлар следует рассматривать «дальним родственником» нейлона — первого коммерчески успешного «суперполиамида», разработанного компанией «DuPont» ещё вначале XIX века. Впервые формула кевлара была получена в 1960-х годах, а первый образец произвели в 1971 году.

Преимущественные стороны кевлара

Отметить преимущественные стороны материала позволяют следующие качества:

сильный, но относительно легкий материал. Удельная прочность на растяжение кевлара 29 и кевлара 49 более чем в восемь раз выше, чем у стальной проволоки;
в отличие от большинства пластиков, этот вариант не плавится до температуры 450ºC;
по сравнению с родственным материалом хомекс, кевлар воспламеняется, но при удалении источника тепла горение обычно прекращается;
крайне низкие температуры не оказывают особого влияния на материал примерно до границы -196 ° C.

Как и , длительное воздействие ультрафиолетового света вызывает изменение цвета и некоторую деградацию волокон структуры кевлара.

Вместе с тем, материал успешно противостоит воздействию различных химических веществ. Правда, длительное воздействие сильных кислот или оснований ухудшает структуру со временем.

Этот кевларовый чехол смартфона надолго обеспечит владельца дорогостоящего аппарата от проблем повреждения, появления царапин на корпусе устройства и других. Фактически – стальной чехол

Компанией «DuPont» проводилось тестирование кевлара долговременным воздействием горячей воды (более 200 дней). По результатам испытаний выяснилась полная неизменность сверхпрочных свойств, которые практически не подвержены влиянию влаги.

Недостатки материала

Между тем, кевлар также обладает определёнными недостатками. В частности, обладая очень высокой прочностью на растяжение, материал показывает низкую прочность на сжатие.

Вот почему кевлар не используется вместо стали в качестве основного строительного материала при работе с такими объектами, как здания, мосты и другие конструкции, где присутствуют силы сжатия.

Технология производства кевлара?

Существует двухэтапная технология изготовления. Изначально подготавливается основной пластик, на основе которого делается материал (химическое вещество поли-пара-фенилентерефталамид). Далее подготовленная основа преобразуется в прочные волокна.

Кевларовое волокно – основа, использованием которой создаются крепкие прочные вещи, к примеру, защитного характера – бронированные жилеты, одежда специального назначения, а также масса иных предметов

Полиамиды, подобные кевлару, представляют собой полимеры (массивные молекулы, состоящие из множества одинаковых частей, соединенных вместе длинными цепями), образованные многократным повторением амидов. Амиды — простые химические соединения, где часть органической (углеродной) кислоты заменяет один из атомов водорода аммиака (NH3).

Таким образом, основной способ получения полиамида состоит в том, чтобы взять химикат, подобный аммиаку, чтобы ввести в реакцию с органической кислотой. Это пример того, что химики называют реакцией конденсации, когда два вещества сливаются в одно.

Химическая структура кевлара естественным образом превращает материал в крошечные прямые стержни, плотно упакованные вместе, подобно множеству жестких карандашей, плотно набитых в коробку.

Эти стержни образуют дополнительные связи между собой (водородные связи), придающие дополнительную прочность, как если бы «карандаши» склеивали. Эта скреплённая структура стержней придает кевлару удивительные свойства.

Спортивное каноэ – маломерное судно (лодка) без традиционных уключин под вёсла, корпус которого выполнен на основе кевлара. Этому судну не страшны бурные горные реки и другие экстремальные условия хода

Натуральные материалы — шерсть и хлопок, требуется спрячь в волокна, прежде чем удастся получить полезные текстильные изделия. Аналогичная технология относится и к искусственным волокнам:

нейлону,
кевлару,
хомексу.

Основную арамидную массу превращают в волокна с помощью процесса, называемого «мокрое прядение». Процесс предполагает вытягивание горячего, концентрированного и очень вязкого раствора поли-пара-фенилентерефталамида через фильеру (металлический формирователь — нечто похожее на решето).

Получают тонкие, прочные и жёсткие волокна, которые наматываются на барабаны. Затем волокна нарезаются по длине и сплетаются в прочный мат. Так создаётся сверхпрочный, сверхтвердый материал, именуемый кевларом.

Где допустимо использовать материал?

Материал допустимо использовать как индивидуально, так и в составе композита, чтобы придать дополнительную прочность. Очевидный факт, кевлар наиболее известен, благодаря производству пуленепробиваемых жилетов, бронежилетов с защитой от ножей, а также десятка других уникальных изделий.

Примерно таким видится кевларовый материал, из которого выполнен кузов легкового автомобиля. Традиционно подобное исполнение присуще спортивным авто и дорогим внедорожникам

Продукт также используется:

в качестве арматуры автомобильных шин,
деталей автомобильных тормозных колодок,
в качестве материала струн спортивных луков,
для приготовления кузова автомобилей, корпусов лодок и самолётов.

Применение в строительстве зданий и сооружений также поддерживается, но не в качестве основных конструкционных материалов.

Кевлар как антибаллистический материал

Пуля огнестрельного оружия движется с высокой скоростью, будучи наделённой значительным количеством кинетической энергии. По сути, не существует вещей полностью пуленепробиваемых. Но вещи, подобные пуленепробиваемому стеклу, достаточно успешно защищают от пуль, поглощая и рассеивая кинетическую энергию.

Пуленепробиваемые жилеты используются не только для защиты непосредственно военнослужащих. Защитная одежда из кевларового волокна нередко защищает служебных собак

В этом плане кевлар выступает удачным антибаллистическим материалом, так как для прохождения через материал ножа или пули требуется много энергии. Плотно сплетенные волокна из высокоориентированных полимерных молекул чрезвычайно трудно раздвинуть (разделить). Для разделения требуется значительное количество энергии.

Летящая пуля (или толкаемое лезвие ножа), наделённая высоким уровнем энергии, утрачивает значительную часть этой энергии, когда пробивается сквозь материал. Даже если пуле удаётся проникнуть сквозь кевлар, скорость значительно замедляется и не наносит серьёзного ущерба.

Структура кевлара прочнее стали, но материал примерно в 5,5 раз менее плотный (около 1,44 г/см 3), по сравнению со сталью, плотность которой составляет около 7,8–8 г/см 3 . То есть, определенный объем кевлара по массе весит в 5–6 раз меньше, чем тот же объем стали.

Поэтому кевларовые доспехи обеспечивает такую же защиту, как сталь, но при этом более лёгкие и гибкие с точки зрения комфортной одежды. Увеличение эффективности защиты достигается увеличением толщины кевларовых пластин.

КЕВЛАР (Kevlar™) - торговое название арамида - полипарафенилен-терефталамида, синтетического волокна, обладающего высокой прочностью (в пять раз прочнее стали, предел прочности σ0= 3620 МПа). Разработан американской компанией DuPont в 1965 году, с начала 1970-x годов начато его коммерческое применение. Легкий, прочный и безопасный материал Кевлар позволяет в значительной степени улучшить эксплуатационные характеристики спецодежды и средств защиты. Сегодня Кевлар применяется в производстве продукции, требующей высоких показателей износостойкости материалов: альпинистские верёвки, оттяжки, шлемы, верх обуви, рюкзаки, лыжи, перчатки, а так же для изготовления спецодежды. Волокно Кевлар имеет небольшой вес и высокую стойкость к различного рода воздействиям. Обладает такими свойствами, как негорючесть и термостойкость. По данным, разработчиков, волокна Кевлар при равном весе в пять раз прочнее стали.

Область применение кевлара

Изначально материал разрабатывался для армирования автомобильных шин, в этом качестве он используется и теперь. 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.).

В спецодежде ткань с кевларовым волокном используют в основном для усиливающих накладок в области колен (наколенники) и области локтей. Т.к. кевларовая ткань имеет высоки показатели на истираемость, то в её используют в одежде в тех местах где больше всего нагрузка на истираемость, порезы и проколы.

Использование в бронежилетах

Структура кевлара. Высокая степень упорядоченности полимера и прочность обеспечиваются межмолекулярными водородными связями.

Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления пуленепробиваемых жилетов. Это одно из самых известных применений кевлара.

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 (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, также 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

В последнее десятилетие 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, Danish yacht, Zeelander Yachts), делая в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование кевлара. Лидером в производстве яхт из кевлара считается 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.

Температурные свойства

Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196 °C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.

При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430-480 °C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150 °C) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160 °C прочность на разрыв уменьшается на 10-20 % после 500 часов. При 250°C кевлар теряет 50 % своей прочности за 70 часов.

Кевлар: суперпрочность и сверхзащита

Технические инновации шаг за шагом преобразуют окружающий нас мир, и никого уже не удивляют материалы, свойства которых совсем недавно показались бы фантастическими. Среди таких высокотехнологичных материалов – кевларовая ткань, которая совершила переворот в средствах защиты людей опасных профессий. Полученный более полувека назад материал кевлар оказался прочнее стали, при этом из его нитей можно ткать полотно или использовать их для создания разнообразных технических приспособлений, отличающихся прочностью и устойчивостью к пламени .

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.

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.

Правила ухода

При уходе за защитными приспособлениями нужно помнить, что кевлар – это полимер, который не переносит намокание, ультрафиолетовые лучи и химическую чистку, поэтому при уходе за ним нужно придерживаться рекомендаций производителя. Концерн Дюпон гарантирует сохранение защитных свойств и прочности своей кевларовой продукции до 10 циклов стирки. Выстиранные вещи следует сушить в закрытом помещении, а вот воздействие тепла им не вредит. Что же касается воздействия различных химикатов, особенно содержащих хлор, то контакт с ними крайне нежелателен, хотя очистка с помощью кислородных отбеливателей вполне допустима.

Судостроение

Авиационная промышленность

Температурные свойства

Теги: Кевлар, изготовитель кевлара, производство кевлара, кевлар, производитель кевлара, военные типа кевлара, баллистические кевлар, пулестойкость кевлара, защитные свойства кевлара, Арамидная ткань, арамидные ткани, гибридные ткани, арамиды Кевлар идет на конвейерные ленты арамидные ткани для пожарной одежды
Кевлар на бронежилеты

Сегодня Кевлар применяется в производстве продукции, требующей высоких показателей износостойкости материалов: альпинистские верёвки, оттяжки, шлемы, верх обуви, рюкзаки, лыжи, перчатки, а так же для изготовления спецодежды. Волокно Кевлар имеет небольшой вес и высокую стойкость к различного рода воздействиям. Обладает такими свойствами, как негорючесть и термостойкость. По данным, разработчиков, волокна Кевлар при равном весе в пять раз прочнее стали.

На фотографии пуля не смогла пробить арамидные ткани (кевлар).

Широкое использование кевлара находит:

Детская спортивная одежда, хоккейная форма.
Вкладыши в одежду в места повышенного износа.
Вкладыши в места вероятных трамв (колени, локти),
вероятные места поражения ножом (корманы, живот).
Хорошая защита от травматики (травматического оружия)
при конфликтах на дорогах.

Лучшая защита от пореза.
Перчатки, мотоциклетная, байкерская отдежда.
Хорошо идет даже на мощные музыкальные динамики и пожарную форму так как не горит.

Судостроение

Авиационная промышленность

Температурные свойства

При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430—480 °C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры