Идентификаторы | |
---|---|
ChemSpider |
|
Характеристики | |
[-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n | |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
проверить ( что есть ?) | |
Ссылки на инфобоксы | |
Кевлар - термостойкое и прочное синтетическое волокно , родственное другим арамидам, таким как Nomex и Technora . Разработанный Стефани Кволек в DuPont в 1965 году [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 из него прядут веревки или полотна ткани, которые можно использовать как таковые или в качестве ингредиента в компонентах композитных материалов .
Кевлар имеет множество применений, от велосипедных шин и гоночных парусов до пуленепробиваемых жилетов , из-за его высокого отношения прочности на разрыв к весу ; по этому показателю он в пять раз прочнее стали. [2] Он также используется для изготовления современных маршевых пластиков , стойких к сильным ударам. Он используется для швартовки тросов и других подводных применений.
Подобное волокно под названием Twaron с такой же химической структурой было разработано компанией Akzo в 1970-х годах; коммерческое производство началось в 1986 году, и сейчас Twaron производится компанией Teijin . [4] [5]
История
Полипарафенилентерефталамид (K29) - известный как кевлар - был изобретен польско-американским химиком Стефани Кволек, когда он работал в 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] образовывали жидкие кристаллы в растворе, что было уникальным для этих полимеров того времени. [6]
Раствор был «мутным, опалесцирующим при перемешивании и низкой вязкостью », и его обычно выбрасывали. Тем не менее, Кволек уговорил техник, Чарльз Smullen, который управлял фильеры , чтобы испытать ее решение, и был поражен, обнаружив , что волокна не ломаются, в отличие от нейлона . Ее руководитель и директор лаборатории поняли значение ее открытия, и быстро возникла новая область химии полимеров . 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 синтезирован в растворе из мономеров 1,4- фенилен -ди амин ( пункт -phenylenediamine ) и терефталоилхлорид в реакции конденсации , получ хлористо - водородную кислоту в качестве побочного продукта. Результат имеет жидкокристаллическое поведение, а механическое вытягивание ориентирует полимерные цепи в направлении волокна. Первоначально для полимеризации использовался гексаметилфосфорамид (HMPA) , но по соображениям безопасности DuPont заменил его раствором N-метилпирролидон и хлорид кальция. Поскольку этот процесс был запатентован Akzo (см. Выше) при производстве Twaron , последовала патентная война . [10]
Производство кевлара (полипарафенилентерефталамида) является дорогостоящим из-за трудностей, связанных с использованием концентрированной серной кислоты , необходимой для удержания нерастворимого в воде полимера в растворе во время его синтеза и формования . [ необходима цитата ]
Доступны несколько марок кевлара:
- Кевлар К-29 - для промышленного применения, например, для кабелей, замены асбеста , шин и тормозных накладок.
- Кевлар К49 - высокомодульный, используемый в кабельно-канатной продукции.
- Кевлар K100 - цветная версия кевлара
- Кевлар K119 - более эластичный, более эластичный и устойчивый к усталости
- Кевлар K129 - более высокая прочность для баллистических применений
- Кевлар K149 - самая высокая стойкость для баллистических, броневых и аэрокосмических применений [11] [12]
- Кевлар AP - прочность на разрыв на 15% выше, чем у K-29 [13]
- Кевлар XP - более легкая смола и комбинация волокон KM2 плюс [14]
- Кевлар КМ2 - повышенная баллистическая стойкость для брони [15]
Ультрафиолетового компонента солнечного света деградирует и разлагает кевлар, проблемы , известной как УФ деградации , и поэтому она редко используется на открытом воздухе без защиты от солнечных лучей. [16]
Структура и свойства
Когда кевлар прядут , полученное волокно имеет предел прочности на разрыв около 3620 МПа [17] и относительную плотность 1,44. Полимер обязан своей высокой прочностью множеству межцепочечных связей. Эти межмолекулярные водородные связи образуют между карбонильными группами и N H центрами. Дополнительная сила достигается за счет ароматического взаимодействия между соседними нитями. Эти взаимодействия имеют большее влияние на кевлар, чем ван-дер-ваальсовы взаимодействия и длину цепи, которые обычно влияют на свойства других синтетических полимеров и волокон, таких как Dyneema . Наличие солейи некоторые другие примеси, особенно кальций , могут мешать взаимодействию цепей, поэтому необходимо избегать их включения в их образование. Структура кевлара состоит из относительно жестких молекул, которые, как правило, образуют плоские структуры, похожие на шелковый белок. [18]
Тепловые свойства
Кевлар сохраняет свою прочность и устойчивость до криогенных температур (-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 еще больше снижается. Например: выдержка при температуре 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
Этот раздел требует дополнительных ссылок для проверки . Март 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( |
Защита
Криогеника
Кевлар часто используется в области криогеники из- за его низкой теплопроводности и высокой прочности по сравнению с другими материалами для изготовления суспензий . Чаще всего он используется для подвешивания парамагнитной соляной оболочки к оправке сверхпроводящего магнита , чтобы минимизировать любые утечки тепла на парамагнитный материал. Он также используется в качестве теплового барьера или структурной опоры, где желательны низкие тепловые утечки.
Броня
Кевлар - хорошо известный компонент личной брони, такой как боевые шлемы , баллистические маски для лица и баллистические жилеты . Шлет PASGT и жилет , используемый США вооруженных сил, использовать кевлар в качестве ключевого компонента в их конструкции. Другие виды использования в военных целях включают пуленепробиваемые маски для лица и противосколочные вкладыши, используемые для защиты экипажей боевых бронированных машин . Авианосцы класса « Нимиц» используют усиление кевларом в жизненно важных областях. Гражданские применения включают: униформу с высокой термостойкостью, которую носят пожарные, бронежилеты, которые носят полицейские, службы безопасности и полицейские тактические группы, такие какSWAT . [20]
Личная защита
Кевлар используется для производства перчаток, рукавов, курток, чулок и других предметов одежды [21], предназначенных для защиты пользователей от порезов, истирания и воздействия тепла. Защитное снаряжение на основе кевлара часто значительно легче и тоньше, чем аналогичное снаряжение, сделанное из более традиционных материалов. [20]
Спортивный
Личная защита
Он используется для защитной одежды мотоциклов , особенно в таких областях, как плечи и локти. В фехтовании используется в защитных куртках, бриджах, пластронах и нагрудниках масок. Он все чаще используется в пето , мягком покрытии, которое защищает лошадей пикадоров на арене для боя быков. Конькобежцы также часто носят подкладку из кевларовой ткани, чтобы предотвратить возможные ранения от коньков в случае падения или столкновения.
Оборудование
В кюдо , или японской стрельбе из лука , он может использоваться как альтернатива более дорогой [22] пеньке для тетивы лука . Это один из основных материалов, используемых для подвески параплана . [23] Он используется в качестве внутренней прокладки для некоторых велосипедных шин для предотвращения проколов. В настольном теннисе слои кевлара добавляются к лезвиям или лопастям, изготовленным по индивидуальному заказу, чтобы увеличить отскок и уменьшить вес. На теннисные ракетки иногда натягивают кевлар. Он используется в парусах высокопроизводительных гоночных лодок.
обувь
В 2013 году, благодаря достижениям в области технологий, Nike впервые применила кевлар в обуви. Она выпустила серию Elite II [24] с усовершенствованием своей более ранней версии баскетбольных кроссовок за счет использования кевлара в передней части, а также шнурков для обуви . Это было сделано для уменьшения эластичности носка обуви в отличие от нейлона, используемого обычно, поскольку кевлар расширился примерно на 1% по сравнению с нейлоном, который расширился примерно на 30%. Обувь в этой линейке 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 футбольных бутс Adidas F50 adiZero Prime.
Велосипедные шины
Несколько компаний, в том числе Continental AG , производят велосипедные шины с кевларом для защиты от проколов. [25]
Велосипедные шины со складывающимся бортом, представленные в велоспорте Томом Ричи в 1984 году [26] [ круглая ссылка ], используют кевлар в качестве борта 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 диффузоров громкоговорителей , особенно для низкочастотных и среднечастотных динамиков . [27] Кроме того, кевлар использовался в качестве силового элемента в волоконно-оптических кабелях, таких как те, которые используются для передачи аудиоданных. [28]
Смычковые струнные инструменты
Кевлар можно использовать в качестве акустической основы смычков для струнных инструментов . [29] Физические свойства кевлара обеспечивают прочность, гибкость и стабильность для пользователя лука. На сегодняшний день единственным производителем лука этого типа является CodaBow . [30]
Кевлар также в настоящее время используется в качестве материала для хвостовых шнуров (также называемых регуляторами хвостовика), которые соединяют хвостовик с концевой иглой смычковых струнных инструментов. [31]
Пластики для ударных
Кевлар иногда используется в качестве материала для маршевых малых барабанов. Он обеспечивает чрезвычайно высокое натяжение, что приводит к более чистому звуку. 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. Нашивка Remo 'Falam Slam сделана из кевлара и используется для усиления пластиков бас-барабана в местах ударов колотушки. [32]
Трости для деревянных духовых инструментов
Кевлар используется в трости для деревянных духовых инструментов Fibracell. Материал этих тростников - это композит из аэрокосмических материалов, созданный для того, чтобы повторить 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 дорогостоящих автомобилях, таких как Ferrari F40 [34].
Тормоза
Рубленое волокно использовалось в качестве замены асбеста в тормозных колодках . [35] Действительно, арамиды выделяют меньшее количество переносимых по воздуху волокон, чем асбестовые тормоза. Волокна асбеста известны своими канцерогенными свойствами. [36]
Другое использование
Танец огня
Фитили для реквизита для танцев с огнем изготавливаются 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 хлопок . Высокая термостойкость кевлара позволяет многократно использовать фитили.
Сковородки
Кевлар иногда используется вместо тефлона в некоторых сковородах с антипригарным покрытием. [37]
Веревка, кабель, оболочка
Волокно используется в канате и кабеле, где волокна удерживаются параллельно внутри полиэтиленовой гильзы. Кабели использовались в подвесных мостах, таких как мост в Аберфелди в Шотландии . Они также использовались для стабилизации растрескивающихся бетонных градирен с помощью кругового крепления с последующим натяжением для закрытия трещин. Кевлар широко используется в качестве защитной внешней оболочки для волоконно-оптического кабеля , 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 Технологического института Джорджии в качестве основы текстиля для экспериментов по производству одежды, производящей электричество. Это было сделано путем вплетения нанопроволок оксида цинка в ткань. В случае успеха новая ткань будет генерировать около 80 милливатт на квадратный метр. [39]
Строительная конструкция
Выдвижная крыша из кевлара площадью более 60 000 квадратных футов (5 575 квадратных метров) была ключевой частью дизайна олимпийского стадиона Монреаля для летних Олимпийских игр 1976 года . Он оказался крайне неудачным, поскольку 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 используется в качестве армирующего слоя в компенсаторах резиновых сильфонов и резиновых шлангах , 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 кевларовое окно использовалось в эксперименте NA48 в ЦЕРНе для отделения вакуумного сосуда от сосуда с почти атмосферным давлением, оба 192 см в диаметре. Окно обеспечивает вакуумную герметичность в сочетании с относительно небольшим количеством материала (всего от 0,3% до 0,4% радиационной длины ). [ необходима цитата ]
Смартфоны
Семейство Motorola RAZR , Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 и Pocophone F1 имеют заднюю панель из кевлара , которую предпочитают другим материалам, таким как углеродное волокно, из-за его устойчивости 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 композитных материалов, часто в сочетании с углеродным волокном и стекловолокном . Матрица для композитов с высокими эксплуатационными характеристиками обычно представляет собой эпоксидную смолу . Типичные области применения включают корпуса- монококи для гоночных автомобилей F1 , лопасти винта вертолетов , теннис , настольный теннис , ракетки для бадминтона и сквоша , каяки , биты для крикета , а также клюшки для хоккея на траве , хоккея с шайбой и лакросса . [47] [48][49] [50]
Кевлар 149, самое прочное волокно и наиболее кристаллическое по структуре, является альтернативой в некоторых частях авиастроения. [51] Передняя кромка крыла - одно из применений, поскольку кевлар менее склонен, чем углеродное или стекловолокно, ломаться при столкновении с птицами.
Смотрите также
- Иннегра С
- Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы
- Twaron
- Вектран
Рекомендации
- ^ Мера, Хироши; Таката, Тадахико (2000). «Высокоэффективные волокна». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . DOI : 10.1002 / 14356007.a13_001 . ISBN 978-3527306732.
- ^ a b "Что такое кевлар" . DuPont. Архивировано из оригинала на 2007-03-20 . Проверено 28 марта 2007 .
- ^ "Полностью ароматическое карбоциклическое поликарбонамидное волокно, имеющее ориентацию ... - US 3819587 A - IP.com" . ip.com .
- ^ Тацуя Hongu, Глин О. Филлипс, новые волокна , Эллис Хорвуд, 1990, стр. 22
- ^ JK Fink, Справочник по инженерным и специальным термопластам: полиолефины и стиреники , Scrivener Publishing, 2010, стр. 35 год
- ^ a b c «Изобретая современную Америку: понимание - Стефани Кволек» . Лемельсон - программа Массачусетского технологического института . Архивировано из оригинального 27 марта 2009 года . Проверено 24 мая 2009 года .
- ^ Стефани Луиза Кволек Биография . Букрагс. Архивировано 29 июня 2011 года . Проверено 24 мая 2009 года .
- ↑ Куинн, Джим. «Я мог быть творческим и работать так усердно, как я хотел» . Издательство "Американское наследие". Архивировано из оригинала на 2 декабря 2008 года . Проверено 24 мая 2009 года .
- ^ https://digital.hagley.org/VID_2011320_B05_ID01
- ^ Как работает Кевлар®: простое введение . Explainthatstuff.com (07.12.2009). Проверено 26 мая 2012.
- ^ http://www.matweb.com/search/datasheettext.aspx?matguid=706f16a3a8be468284571dd36bbdea35
- ^ https://www.researchgate.net/publication/279740540_Determination_of_Fracture_Behavior_under_Biaxial_Loading_of_Kevlar_149
- ^ Kevlar K-29 AP Технический паспорт - Dupont
- ^ Кевлар XP - Dupont
- ^ Кевлар KM2 Техническое описание . dupont.com. Проверено 26 мая 2012.
- ^ Юсиф, Эмад; Хаддад, Рагад (23.08.2013). «Фотодеградация и фотостабилизация полимеров, особенно полистирола: обзор» . SpringerPlus . 2 : 398. DOI : 10,1186 / 2193-1801-2-398 . ISSN 2193-1801 . PMC 4320144 . PMID 25674392 .
- Перейти ↑ Quintanilla, J. (1990). «Микроструктура и свойства случайных гетерогенных материалов: обзор теоретических результатов». Полимерная инженерия и наука . 39 (3): 559–585. DOI : 10.1002 / pen.11446 .
- ^ Майкл С. Петти, Молекулярная электроника: от принципов к практике , John Wiley & Sons, 2007, стр. 310
- ^ Техническое руководство KEVLAR . dupont.com. Проверено 26 мая 2012.
- ^ a b Нательный доспех из кевлара . (2005-0604). DuPont Чудеса науки. Проверено 4 ноября 2011 г.
- ^ Кевлар - средства индивидуальной защиты DuPont . .dupont.com. Проверено 26 мая 2012.
- ^ Genzini, Луиджи. «Кюдо - способ стрельбы из лука; Искусство стрельбы из традиционного японского лука по школе Хэки Инсай Ха» (PDF) .
- ^ Pagen, Dennis (1990), парапланеризм Рейс: Прогулка по воздуху , Pagen Книги, стр. 9, ISBN 978-0-936310-09-1
- ^ «Nike Basketball ELITE Series 2.0 поднимается выше остальных» . Новости Nike . 20 марта 2013 . Проверено 16 апреля 2017 года .
- ^ "Выключатель системы безопасности" . www.continental-tires.com . Проверено 25 февраля 2019 .
- ↑ Том Ричи
- ^ Использование аудиоколонок . Audioholics.com (23 июля 2009 г.). Проверено 26 мая 2012.
- ^ Добро пожаловать в Кевлар . (2005-06-04). DuPont Чудеса науки. Проверено 4 ноября 2011 г.
- ↑ Смычки из углеродного волокна для скрипки, альта, виолончели и баса. Архивировано 10 ноября 2011 г. в Wayback Machine . CodaBow. Проверено 26 мая 2012.
- ↑ Смычки из углеродного волокна для скрипки, альта, виолончели и баса. Архивировано 9 марта 2012 г. в Wayback Machine . CodaBow. Проверено 26 мая 2012.
- ^ Для гитар и Tailcords архивации 2012-11-23 в Wayback Machine Aitchison Mnatzaganian виолончель руководителей, реставраторов и дилеров. Проверено 17 декабря 2012.
- ^ "Falam® Slam" . Ремо . Проверено 11 декабря 2019 .
- ^ "Веб-сайт FibraCell" .
- ^ «История Ferrari F40 - от его создателей» . 2017-07-21.
- ^ "Обзор колодок для дисковых тормозов из кевлара Superstar" . BikeRadar . Проверено 23 октября 2016 .
- ^ Джеффри, SAMT; Руд, AP; Скотт, Р.М. (1992). «Волокнистая пыль из заменителей асбеста в изделиях трения» . Летопись гигиены труда . 36 (2): 173–81. DOI : 10.1093 / annhyg / 36.2.173 . ISSN 0003-4878 . PMID 1530232 .
- ^ M.Rubinstein, RHColby, Polymer Physics , Oxford University Press, P337
- ^ Burgoyne, CJ (1987-03-01). «Конструктивное использование парафильных канатов». Строительные и строительные материалы . 1 (1): 3–13. DOI : 10.1016 / 0950-0618 (87) 90053-5 . ISSN 0950-0618 .
- ^ Ткань производит электричество, когда вы ее носите . Scientific American (22 февраля 2008 г.). Проверено 26 мая 2012.
- ^ Крыша Монреальского олимпийского стадиона в Structurae
- ^ Бейсбол Клема ~ Олимпийский стадион . Andrewclem.com. Проверено 26 мая 2012.
- ^ Шеперд, Роберт; Стоукс, Адам; Нунес, Руи; Уайтсайдс, Джордж (октябрь 2013 г.). «Мягкие машины, устойчивые к проколам и самоуплотняющимся материалам» (PDF) . Современные материалы . 25 (46): 6709–6713. DOI : 10.1002 / adma.201303175 . PMID 24123311 .
- Перейти ↑ Gong (Ed), RH (2011). Специализированные структуры пряжи и тканей: разработки и применения . Издательство Вудхед. п. 349. ISBN 9781845697570.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ↑ Мейер, Брюс (9 ноября 2015 г.). «Unaflex увеличивает площадь, мощность на заводе SC» . Новости резины и пластмасс .
- ^ Дроид RAZR . (2011-10-11). Motorola Mobility. Проверено 4 ноября 2011 г.
- ^ Ван, Цзифэн; Норберт Мюллер (декабрь 2011 г.). «Численное исследование судовой турбины из композитного материала с использованием CFD» . Центральноевропейский инженерный журнал . 1 (4): 334–340. Bibcode : 2011CEJE .... 1..334W . DOI : 10,2478 / s13531-011-0033-6 .
- ^ Кадольф, Сара Дж. Анна Л. Лэнгфорд. Текстиль, девятое издание. Pearson Education, Inc, 2002 г., Верхняя Сэдл-Ривер, Нью-Джерси
- ^ Д. Таннер; Дж. А. Фицджеральд; Б. Р. Филлипс (1989). "История кевлара - исследование передовых материалов". Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 28 (5): 649–654. DOI : 10.1002 / anie.198906491 .
- ↑ EE Magat (1980). «Волокна из ароматических полиамидов с удлиненной цепью, новые волокна и их композиты». Философские труды Королевского общества А . 294 (1411): 463–472. Bibcode : 1980RSPTA.294..463M . DOI : 10,1098 / rsta.1980.0055 . JSTOR 36370 . S2CID 121588983 .
- ^ Рональд В. Джовен. Производство кевларовых панелей методом термоотверждения. Университет Лос-Анд, 2007 год. Богота, Колумбия.
- ^ "Кевлар" . www.physics.ncsu.edu . Проверено 29 ноября 2020 .
внешняя ссылка
Викискладе есть медиафайлы по теме кевлара . |
- Официальный веб-сайт
- Арамиды
- Свойства материала Matweb из кевлара
- Патент США 5,565,264
- Кевлар
- Кевлар в бронежилетах
- Синтез кевлара
- Пешеходный мост Аберфелди через реку Тай
- Кевлар в Plastics Wiki