Характеристики, изготовление и применение арамидных композиционных материалов

Полное название арамида — ароматическое полиамидное волокно, которое является органическим синтетическим материалом с высокой прочностью, высоким модулем, низкой плотностью и высокой износостойкостью, а также имеет стабильные химические свойства. В 1974 году Федеральная торговая комиссия США (FTC) назвала их «арамидным волокном», что определяется как: не менее 85% амидных цепей (-CONH-) напрямую соединяют два бензольных кольца. В начале 1960-х годов компания DuPont разработала мета-арамид HF-1 с превосходной термической стабильностью, а именно волокно Nomex. В моей стране его называли арамидом. Он прошел идентификацию арамида 14 в 1981 году и арамида 1414 в 1985 году. Поскольку одиночное арамидное волокно имеет дефекты при использовании, а его прочность снижается после контакта с водой, арамид обычно изготавливают из композитных материалов и используют в качестве армирующего волокна в материалах для адаптации к различным условиям использования, а также он может улучшить эксплуатационные характеристики материалов.

1.1 Параарамид
Параарамид, также известный как PPTA (поли-P-фениленферефталамид), был успешно разработан в 1971 году и запущен в производство в следующем году. Его основная цепочечная структура очень регулярна, а макромолекулы существуют в очень растянутом состоянии. Он устойчив к высоким температурам, огню, химической коррозии, имеет высокие механические свойства и усталостную прочность, а также имеет низкую плотность. Его прочность в 3 раза больше, чем у стали и в 4 раза больше, чем у высокопрочной полиэфирной промышленной пряжи. Его начальный модуль в 4-10 раз больше, чем у полиэфирной промышленной пряжи и более чем в 10 раз больше, чем у полиамидного волокна. Он обладает хорошей стабильностью, с нулевой усадкой при 150 °C, и может по-прежнему сохранять высокую прочность при высоких температурах, например, 65% от первоначальной прочности при 260 °C. Он имеет хорошую адгезию к резине и является идеальным кордным волокном. Например, Kevlar-49 компании DuPont в США, Twaron компании Enka в Нидерландах и арамид 1414 в Китае.

1.2 Мета-арамид
Мета-арамид, также известный как MPIA (поли-м-фениленизофталамид), начал изучаться в 1956 году и был промышленно освоен в 1967 году. Макромолекулярная цепь мета-арамида зигзагообразная, и он обладает превосходными физическими и механическими свойствами, такими как прочность и удлинение после разрыва. Его выдающимися характеристиками являются превосходная огнестойкость и стойкость к окислению. После непрерывного использования при температуре 260 °C в течение 1000 часов его прочность все еще может сохранять 65% от его первоначальной прочности; после использования при высокой температуре 300 °C в течение 7 дней он все еще может сохранять свою первоначальную прочность. Он может гореть и обладает самозатухающими свойствами после выхода из пламени; он имеет хорошую устойчивость к кислотам, щелочам, отбеливателям, восстановителям и органическим растворителям. Он также имеет хорошую радиационную стойкость. Его недостатки такие же, как у нейлона, плохая устойчивость к солнечному свету и трудность окрашивания.

1.3 Сравнение характеристик арамида с другими волокнами
Арамид обладает хорошими механическими свойствами. По сравнению с другими волокнами, арамид обладает характеристиками высокой термостойкости, малого удлинения, высокого модуля упругости и высокой прочности, особенно параарамид (волокно кевлар), который является более превосходным.

Арамидное волокно, как и стекловолокно, имеет такие формы продукта, как скрученная пряжа, не скрученный ровинг, различные спецификации ткани, ленты, войлока и рубленых нитей. Существует два основных типа подготовки композитного материала: композит с намоткой волокна на волокно и композит с волокном на смолу или резину.

2.1 Формование композитных материалов «волокно-волокно»
Мокрая и сухая намотка являются двумя основными методами формования композитных материалов. Главное преимущество сухой намотки заключается в том, что содержание клея легче контролировать. Поэтому в прошлом формование композитных контейнеров высокого давления всегда использовало одинарное формование сухой намотки. Однако мокрая намотка имеет такие преимущества, как низкая себестоимость продукции, меньший износ волокон, низкий коэффициент пустотности и высокая эффективность производства, и широко применяется за рубежом. В прошлом моя страна всегда применяла сухую формовку и разработала десятки формул клея для сухой формовки. Некоторые формулы, такие как 4304 и 4303A, успешно использовались в больших твердотопливных ракетных двигателях. Технологический процесс выглядит следующим образом: ослабление арамидного волокна → смешивание → формование → термообработка → шлифование → готовое изделие.

Формование мокрой намотки такое же, как и сухое формование. Смоляная матрица должна обладать определенными механическими свойствами. В то же время вязкость матричной системы должна контролироваться в определенном диапазоне, чтобы гарантировать, что пучок волокон может быть полностью пропитан во время формования. Существует два основных способа снижения вязкости системы: (a) Выберите разумный активный разбавитель с низкой вязкостью. Часто вязкость системы соответствует требованиям процесса пропитки, но в то же время механические свойства и термостойкость системы значительно снижаются. После просеивания используется смешанный разбавитель, который в определенной степени соответствует требованиям конструкции. (b) Выберите жидкий отвердитель. Добавление жидкого отвердителя может в определенной степени снизить вязкость системы формулы. Отсутствуют дальнейшие исследования по мокрой формуле и технологии формования мокрой формулы арамидного волокна, и высокопроизводительная технология мокрой формулы является ключевой технологией, которую необходимо решить в первую очередь при формовании мокрой намотки.

2.2 Формование композитных изделий из волокон и смол
Метод формования такой же, как и метод формования стекловолокна, включая намотку, ручную укладку, пропитку, вакуумный мешок, герметизацию и впрыскивание, которые можно выбирать в соответствии с потребностями. Смолы, которые часто сочетаются с арамидными волокнами, включают эпоксидную, фенольную, ненасыщенную полиэфирную, винилэфирную, полиимидную и т. д. В последние годы их также используют в сочетании с нейлоном, ПБТ и т. д. При изучении свойств растяжения однонаправленных смешанных композитов из арамидных/полипропиленовых волокон Чжан Маолинь и др. использовали арамидную некрученую нить (армирующий материал) в качестве основной нити и полипропиленовое волокно (матричное волокно) в качестве уточной нити для плетения термопластичного преполимера с полотняным переплетением. Композитные материалы изготавливались при определенной температуре и давлении, а плотность нитей основы и утка регулировалась для контроля состава материала. Корды из арамида все более широко используются в автомобильной шинной промышленности. Технология композитных материалов из арамида и резины стремительно развивается. Поскольку арамидные волокна имеют мало активных функциональных групп, их трудно склеивать с резиной. Для решения проблемы склеивания обычно принимаются следующие меры: с одной стороны, корректируется или улучшается формула и процесс системы пропитки. В настоящее время к однованной пропитке добавляются двухванная пропитка или специальные пропиточные клеи; с другой стороны, клеи добавляются в конструкцию формулы резиновой смеси. Благодаря синергетическому эффекту двух вышеупомянутых аспектов достигается более идеальный эффект склеивания.

Высокая прочность арамида приветствуется во всех слоях общества, особенно в армии. Современные шлемы появились во время Первой мировой войны и использовались для снижения уровня потерь среди солдат. После Второй мировой войны и до 1970-х годов все военные пуленепробиваемые шлемы были стальными шлемами, большинство из которых были из стали с высоким содержанием марганца или специальной стали, а оболочки шлемов в основном штамповались. Нейлоновые шлемы в основном используются в Великобритании и Израиле. В шлеме есть ударопрочный слой из вспененного полиэтилена высокой плотности для повышения комфорта. Арамидные шлемы представляют собой многослойную арамидную ткань, скрепленную специальными смолами и отформованную при высокой температуре и высоком давлении. Арамидные шлемы были разработаны компанией DuPont в 1970-х годах. Их преимуществами являются высокая прочность, малый вес и хорошие защитные характеристики. Они принимаются все большим количеством стран.

Ударопрочность арамидного волокна при баллистических ударах обусловлена его превосходной термической стабильностью, высокой кристалличностью, структурой с высокой ориентацией и высокими показателями прочности на разрыв. Высокая температура стеклования и превосходная термическая стабильность позволяют арамидным волокнам обеспечивать устойчивость ударопрочных конструкций при высоких температурах, создаваемых баллистическими ударами; высокая кристалличность и высокая ориентация обеспечивают высокий модуль, что обеспечивает быструю реакцию на осевую деформацию; высокая эластичность и среднее удлинение придают арамидным волокнам высокую прочность, благодаря чему они могут эффективно работать при продольном разрыве. Моя страна провела исследования по арамидным пуленепробиваемым пластинам и достигла прогресса в оптимальном соотношении матрицы и волокна.

Основным компонентом шин является резина. Для повышения прочности в промышленности впервые в качестве армирующего материала была использована стальная проволока. Однако из-за высокой плотности стальной проволоки при повышении прочности шины увеличится вес кузова транспортного средства и увеличится потребление энергии. А из-за наличия стальной проволоки шина станет тверже, более подверженной ударам, и комфорт снизится. Особенно в большегрузных транспортных средствах несущая способность очень велика, и требования к шинам выше.

По сравнению со стальной проволокой, арамидный шнур обладает характеристиками высокой термостойкости, высокой прочности, высокого модуля и малой деформации, а также имеет гибкость низкой относительной плотности, усталостной прочности и сопротивления сдвигу. Он сочетает в себе превосходные характеристики стальной проволоки, вискозы, нейлона и полиэфирного шнура и известен как «синтетическая стальная проволока». Это самый идеальный материал для каркаса в настоящее время.

Преимущества арамидного корда: ① В качестве корда каркас шины можно сократить с трех слоев до одного, вес шины уменьшается, сопротивление качению шины уменьшается, а расход топлива может быть уменьшен. ② Сцепляющий эффект арамидного корда и резины лучше, чем у стальной проволоки, и он не так легко подвержен воздействию влаги и сырости. ③ После использования арамида в качестве корда жесткость и износостойкость шины улучшаются, а срок службы шины увеличивается. ④ Благодаря сокращению количества каркасов значительно улучшаются ходовые качества и комфорт езды автомобиля.

Однако основными недостатками арамидного шнура являются его высокая стоимость, сложность технологии производства и необходимость специального оборудования для переработки.

Кевларовое волокно является лучшим выбором для армирующих материалов для шлангов. В настоящее время все больше и больше автомобильных шлангов, шлангов для химической промышленности, шлангов для нефтяной промышленности, различных гидравлических шлангов для авиационной промышленности и морских шлангов используют кевларовое волокно в качестве армирующего материала. Chrysler и Gates в Соединенных Штатах используют волокно Kelver в качестве армирующего материала для шлангов автомобильных охлаждающих устройств, чтобы изготавливать автомобильные охлаждающие шланги с температурой около 150 °C. Gates и Goodall в Соединенных Штатах сделали арамидное волокно для шлангов большого диаметра для атомных электростанций, химических заводов и нефтеразведки. Внутренний диаметр составляет 25,4 см, каждый имеет длину 12 м, расчетное рабочее давление составляет 56 кг/см2, а радиус изгиба составляет 1,5 м.

3.4 Область армирования мостовой конструкции
Ткань из арамидного волокна имеет широкий спектр применения при армировании старых мостов. При армировании компонентов ткань из арамидного волокна в основном используется для сопротивления растяжению. Она обычно используется для растягиваемых частей балок, частей сдвига балок и колонн, а также для армирования колонн или опор моста. После того, как два слоя арамидного волокна AFS-40 были наклеены на треснувшие части опор моста, развитие трещин было взято под контроль, и несущая способность моста была значительно улучшена.

3.5 Электрическая и электронная область
Арамидное волокно обладает превосходными механическими свойствами, электроизоляционными свойствами, свойствами передачи волн и размерной стабильностью. Оно использовалось в электротехнической и электронной областях в специальных печатных платах для технологии поверхностного монтажа (SMT) в технологии сборки микроэлектроники, в покрытиях антенн бортовых или спутниковых радаров, функциональных структурных компонентах питания антенн радаров и подвижных электрических компонентах. Отражающие поверхности множественных параболических антенн, разработанных RCA для множественных спутников, изготовлены из композитных материалов, армированных арамидным волокном.

3.6 Область термостойкой и защитной одежды
Материалы для скафандров для выхода в открытый космос должны быть легкими, гибкими, износостойкими, ударопрочными и иметь хорошую механическую прочность; химическая стойкость, термостойкость и светостойкость хорошие, и они могут предотвращать различные излучения. При сверхвысоких и сверхнизких температурах, а также при высокоэнергетическом тепловом световом излучении различные свойства материала стабильны. Предпочтительным материалом является ткань из арамидного волокна.

Высокая прочность и низкая плотность арамида используются в различных областях. В области уплотнительных пластин армированные арамидным волокном резиновые уплотнительные пластины, изготовленные из арамидного волокна вместо асбестового волокна, обладают хорошими уплотнительными характеристиками и безвредны для человеческого организма. В исследовании дисковых тормозных колодок арамид имеет лучшие характеристики потерь на трение и внутреннюю прочность на сдвиг, и, как ожидается, будет использоваться в задних тормозах автомобилей и передних тормозах мини-автомобилей в последние годы. Что касается судов, арамидные композитные материалы могут использоваться для снижения веса корпуса с целью увеличения скорости судна; в строительных материалах арамид используется для замены асбеста для армирования цемента и замены металлических материалов для обеспечения легкой конструкции и высокопрочной основной несущей конструкции. Арамид также может использоваться для изготовления скафандров, пожарных костюмов и т. д. В настоящее время арамид используется для замены стальной проволоки при изготовлении подводных кабелей, особенно глубоководных кабелей. Арамидные волокна также добавляются на внешнюю сторону бетонных колонн, чтобы предотвратить расширение объема бетона при его повреждении и повысить его прочность и сейсмостойкость.

Как важное изобретение в индустрии полимерных волокон в 20 веке, арамид используется во все большем количестве областей из-за его высокой прочности, низкой плотности, высокой термостойкости и других характеристик. Исследования по нему в основном сосредоточены на использовании арамида в качестве армирующего материала для изготовления композитных материалов. Однако из-за сложной подготовки и обработки арамида и его высокой стоимости он не может быть широко использован в настоящее время. Поскольку арамидные волокна имеют мало функциональных групп и плохое сцепление с матрицей, они должны подвергаться обработке кромок или добавлению клеев. Исследования и разработки этой технологии могут расширить область применения арамида.