Wykonanie, przygotowanie i zastosowanie materiałów kompozytowych aramidowych

Pełna nazwa aramidu to włókno poliamidowe aromatyczne, które jest organicznym materiałem syntetycznym o wysokiej wytrzymałości, wysokim module, niskiej gęstości i wysokiej odporności na zużycie, a także ma stabilne właściwości chemiczne. W 1974 r. Federalna Komisja Handlu USA (FTC) nadała im nazwę „włókno aramidowe”, które jest zdefiniowane jako: co najmniej 85% łańcuchów amidowych (-CONH-) łączy bezpośrednio dwa pierścienie benzenowe. Na początku lat 60. firma DuPont opracowała meta-aramid HF-1 o doskonałej stabilności termicznej, mianowicie włókno Nomex. W moim kraju nazywano je aramidem. Przeszło ono identyfikację aramidu 14 w 1981 r. i aramidu 1414 w 1985 r. Ponieważ pojedyncze włókno aramidowe ma wady podczas użytkowania, a jego wytrzymałość maleje po kontakcie z wodą, aramid jest zwykle wytwarzany z materiałów kompozytowych i stosowany jako włókno wzmacniające w materiałach w celu dostosowania się do różnych środowisk użytkowania, a także może poprawić wydajność materiałów.

1.1 Para-aramid
Para-aramid, znany również jako PPTA (Poli-P-fenylenofereftalamid), został pomyślnie opracowany w 1971 r. i wprowadzony do produkcji w roku następnym. Jego główna struktura łańcucha jest wysoce regularna, a makrocząsteczki występują w stanie bardzo rozciągniętym. Jest odporny na wysokie temperatury, ogień, korozję chemiczną, ma wysokie właściwości mechaniczne i odporność na zmęczenie oraz niską gęstość. Jego wytrzymałość jest 3 razy większa od wytrzymałości stali i 4 razy większa od wytrzymałości przędzy przemysłowej z poliestru. Jego początkowy moduł jest 4 do 10 razy większy od wytrzymałości przędzy przemysłowej z poliestru i ponad 10 razy większy od wytrzymałości włókna poliamidowego. Ma dobrą stabilność, z zerowym skurczem w temperaturze 150°C i nadal może zachować wysoką wytrzymałość w wysokich temperaturach, na przykład 65% pierwotnej wytrzymałości w temperaturze 260°C. Ma dobrą przyczepność do gumy i jest idealnym włóknem kordowym. Na przykład Kevlar-49 firmy DuPont w Stanach Zjednoczonych, Twaron firmy Enka w Holandii i aramid 1414 w Chinach.

1.2 Meta-aramid
Meta-aramid, znany również jako MPIA (Poly-m-phenyleneisofthalamide), zaczęto badać w 1956 roku, a wprowadzono go do przemysłu w 1967 roku. Makrocząsteczkowy łańcuch meta-aramidu jest zygzakowaty i ma doskonałe właściwości fizyczne i mechaniczne, takie jak wytrzymałość i wydłużenie po zerwaniu. Jego wyjątkowe cechy to doskonała odporność na ogień i utlenianie. Po ciągłym użytkowaniu w temperaturze 260°C przez 1000 godzin jego wytrzymałość może nadal utrzymywać 65% pierwotnej wytrzymałości; po użytkowaniu w wysokiej temperaturze 300°C przez 7 dni nadal może utrzymywać pierwotną wytrzymałość. Może się palić i ma właściwości samogasnące po opuszczeniu płomienia; ma dobrą stabilność w kwasach, zasadach, wybielaczach, środkach redukujących i rozpuszczalnikach organicznych. Ma również dobrą odporność na promieniowanie. Jego wady są takie same jak nylonu, słaba stabilność na światło słoneczne i trudność w barwieniu.

1.3 Porównanie właściwości aramidu z innymi włóknami
Aramid ma dobre właściwości mechaniczne. W porównaniu z innymi włóknami, aramid ma cechy wysokiej odporności na temperaturę, małego wydłużenia, wysokiego modułu sprężystości i wysokiej wytrzymałości, szczególnie para-aramid (włókno Kevlar), który jest bardziej doskonały.

Włókno aramidowe, podobnie jak włókno szklane, ma formy produktów, takie jak skręcana przędza, nieskręcany roving, różne specyfikacje tkaniny, taśmy, filcu i ciętych pasm. Istnieją dwa główne typy przygotowania materiału kompozytowego: kompozyt włókno-włókno do nawijania oraz kompozyt włókno-żywica lub guma.

2.1 Formowanie kompozytów włókno-włókno
Nawijanie na mokro i na sucho to dwie główne metody formowania nawijania materiałów kompozytowych. Główną zaletą nawijania na sucho jest to, że zawartość kleju jest łatwiejsza do kontrolowania. Dlatego w przeszłości formowanie kompozytowych pojemników wysokociśnieniowych zawsze stosowało pojedyncze formowanie nawijania na sucho. Jednak nawijanie na mokro ma zalety niskich kosztów produktu, mniejszego zużycia włókien, niskiego współczynnika pustych przestrzeni i wysokiej wydajności produkcji i jest szeroko stosowane za granicą. W przeszłości mój kraj zawsze przyjmował formowanie na sucho i opracował dziesiątki formuł klejów do formowania na sucho. Niektóre formuły, takie jak 4304 i 4303A, zostały z powodzeniem zastosowane w dużych silnikach rakietowych na paliwo stałe. Przebieg procesu jest następujący: rozluźnianie włókna aramidowego → mieszanie → formowanie → obróbka cieplna → mielenie → gotowy produkt.

Formowanie na mokro jest takie samo jak formowanie na sucho. Matryca żywiczna musi mieć określone właściwości mechaniczne. Jednocześnie lepkość układu matrycowego musi być kontrolowana w określonym zakresie, aby zapewnić, że wiązka włókien może zostać całkowicie zaimpregnowana podczas formowania. Istnieją dwa główne sposoby na zmniejszenie lepkości układu: (a) Wybierz rozsądny rozcieńczalnik aktywny o niskiej lepkości. Często lepkość układu spełnia wymagania procesu impregnacji, ale jednocześnie właściwości mechaniczne i odporność cieplna układu są znacznie zmniejszone. Po przesianiu stosuje się mieszany rozcieńczalnik, który w pewnym stopniu spełnia wymagania projektowe. (b) Wybierz ciekły środek utwardzający. Dodanie ciekłego środka utwardzającego może w pewnym stopniu zmniejszyć lepkość układu formuły. Brakuje dalszych badań nad formułą mokrą i technologią formowania formuły mokrej włókna aramidowego, a wysokowydajna technologia formuły mokrej jest kluczową technologią, która musi zostać rozwiązana w pierwszej kolejności w formowaniu na mokro.

2.2 Formowanie kompozytów włóknistych i żywicznych
Metoda formowania jest taka sama jak metoda formowania włókna szklanego, w tym nawijanie, ręczne układanie, impregnacja, worek próżniowy, ciśnieniowanie i wtrysk, które można wybrać w zależności od potrzeb. Żywice, które są często dopasowywane do włókien aramidowych, obejmują żywice epoksydowe, fenolowe, nienasycone poliestry, winyloestry, poliimidy itp. W ostatnich latach są one również stosowane w połączeniu z nylonem, PBT itp. W badaniu właściwości rozciągających jednokierunkowych kompozytów włókien mieszanych aramid/polipropylen, Zhang Maolin i in. użyli nieskręconej przędzy aramidowej (materiał wzmacniający) jako przędzy osnowy i włókna polipropylenowego (włókno matrycowe) jako przędzy wątku, aby utkać termoplastyczny prepolimer o splocie płóciennym. Materiały kompozytowe wytwarzano w określonej temperaturze i ciśnieniu, a gęstość przędz osnowy i wątku dostosowywano w celu kontrolowania składu materiału. Sznury wykonane z aramidu są coraz szerzej stosowane w przemyśle opon samochodowych. Technologia materiałów kompozytowych z aramidu i gumy rozwija się szybko. Ponieważ włókna aramidowe mają niewiele aktywnych grup funkcyjnych, trudno jest je łączyć z gumą. Aby rozwiązać problem wiązania, zazwyczaj stosuje się następujące środki: z jednej strony dostosowuje się lub ulepsza formułę i proces systemu impregnacji. Obecnie do impregnacji jednokąpielowej dodaje się impregnację dwukąpielową lub specjalne kleje impregnacyjne; z drugiej strony do projektu formuły mieszanki gumowej dodaje się kleje. Ze względu na synergistyczny efekt powyższych dwóch aspektów uzyskuje się bardziej idealny efekt wiązania.

Wysoka wytrzymałość aramidu jest preferowana przez wszystkie dziedziny życia, szczególnie wojsko. Nowoczesne hełmy pochodzą z czasów I wojny światowej i były używane w celu zmniejszenia liczby ofiar wśród żołnierzy. Po II wojnie światowej do lat 70. wszystkie wojskowe hełmy kuloodporne były hełmami stalowymi, z których większość była wykonana ze stali wysokomanganowej lub stali specjalnej, a skorupy hełmów były w większości tłoczone. Hełmy nylonowe są używane głównie w Wielkiej Brytanii i Izraelu. W hełmie znajduje się warstwa amortyzująca z pianki polietylenowej o dużej gęstości, aby poprawić komfort. Hełmy aramidowe to wielowarstwowa tkanina aramidowa łączona specjalnymi żywicami i formowana w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Hełmy aramidowe zostały opracowane przez firmę DuPont w latach 70. Ich zalety to wysoka wytrzymałość, lekkość i dobre właściwości ochronne. Są przyjmowane przez coraz więcej krajów.

Odporność na uderzenia balistyczne włókna aramidowego należy przypisać jego doskonałej stabilności termicznej, wysokiej krystaliczności, strukturze o wysokiej orientacji i wysokiej wytrzymałości na rozciąganie. Wysoka temperatura zeszklenia i doskonała stabilność termiczna umożliwiają włóknom aramidowym zapewnienie stabilności struktur odpornych na uderzenia w wysokich temperaturach generowanych przez uderzenia balistyczne; wysoka krystaliczność i wysoka orientacja zapewniają wysoki moduł, zapewniając szybką reakcję na odkształcenie osiowe; wysoka elastyczność i średnie wydłużenie nadają włóknom aramidowym wysoką wytrzymałość, dzięki czemu mogą one skutecznie pracować po rozbiciu wzdłużnym. Mój kraj przeprowadził badania nad kuloodpornymi płytami aramidowymi i poczynił postępy w zakresie optymalnego stosunku matrycy do włókien.

Głównym składnikiem opon jest guma. Aby zwiększyć wytrzymałość, drut stalowy został pierwotnie użyty jako materiał wzmacniający w przemyśle. Jednak ze względu na wysoką gęstość drutu stalowego, podczas gdy wytrzymałość opony wzrasta, zwiększa się masa nadwozia pojazdu i zwiększa się zużycie energii. A ze względu na obecność drutu stalowego opona stanie się twardsza, bardziej podatna na uderzenia, a komfort jazdy się zmniejszy. Zwłaszcza w ciężkich pojazdach nośność jest bardzo duża, a wymagania dotyczące opon są wyższe.

W porównaniu z drutem stalowym, kord aramidowy ma cechy wysokiej odporności na temperaturę, wysokiej wytrzymałości, wysokiego modułu i małej deformacji, a także ma elastyczność niskiej gęstości względnej, odporność na zmęczenie i odporność na ścinanie. Łączy w sobie doskonałe właściwości drutu stalowego, wiskozy, nylonu i kordu poliestrowego i jest znany jako „syntetyczny drut stalowy”. Jest to obecnie najbardziej idealny materiał szkieletowy.

Zalety kordu aramidowego to: ① Jako kord, karkas opony może zostać zredukowany z trzech warstw do jednej, waga opony jest zmniejszona, opór toczenia opony jest zmniejszony, a zużycie paliwa może zostać zmniejszone. ② Efekt wiązania kordu aramidowego i gumy jest lepszy niż drutu stalowego i nie jest łatwo podatny na wilgoć i wilgotność. ③ Po zastosowaniu aramidu jako kordu, sztywność i odporność na zużycie opony ulegają poprawie, a żywotność opony jest wydłużona. ④ Ze względu na zmniejszenie liczby karkasów, osiągi jazdy i komfort jazdy samochodem zostały znacznie poprawione.

Jednakże głównymi wadami aramidu jako sznura są zbyt wysoki koszt, złożona technologia produkcji i konieczność użycia specjalistycznego sprzętu do przetwarzania.

Włókno Kevlar jest najlepszym wyborem na materiały wzmacniające węże. Obecnie coraz więcej węży samochodowych, węży dla przemysłu chemicznego, węży dla przemysłu naftowego, różnych węży hydraulicznych dla przemysłu lotniczego i węży morskich wykorzystuje włókno Kevlar jako materiał wzmacniający. Chrysler i Gates w Stanach Zjednoczonych wykorzystują włókno Kelver jako materiał wzmacniający węże samochodowych urządzeń chłodzących, aby wytwarzać węże samochodowe o temperaturze około 150°C. Gates i Goodall w Stanach Zjednoczonych wyprodukowali włókno aramidowe na węże o dużej średnicy dla elektrowni jądrowych, zakładów chemicznych i poszukiwań ropy naftowej. Średnica wewnętrzna wynosi 25,4 cm, każdy ma 12 m długości, projektowane ciśnienie robocze wynosi 56 kg/cm2, a promień gięcia wynosi 1,5 m.

3.4 Pole zbrojenia konstrukcji mostu
Tkanina z włókien aramidowych ma szeroki zakres zastosowań w zbrojeniu starych mostów. Podczas wzmacniania elementów tkanina z włókien aramidowych jest używana głównie do przeciwstawiania się rozciąganiu. Jest ona powszechnie stosowana do rozciąganych części belek, ścinanych części belek i kolumn oraz do zbrojenia ograniczającego kolumn lub filarów mostowych. Po naklejeniu dwóch warstw włókna aramidowego AFS-40 na pęknięte części filarów mostowych kontrolowano rozwój pęknięć, a nośność mostu znacznie się poprawiła.

3.5 Pole elektryczne i elektroniczne
Włókno aramidowe ma doskonałe właściwości mechaniczne, właściwości izolacji elektrycznej, właściwości transmisji fal i stabilność wymiarową. Zostało wykorzystane w dziedzinie elektrycznej i elektronicznej w specjalnych płytkach drukowanych do technologii montażu powierzchniowego (SMT) w technologii montażu mikroelektroniki, osłonach anten radarowych pokładowych lub satelitarnych, funkcjonalnych elementach konstrukcyjnych zasilania anten radarowych i ruchomych elementach elektrycznych. Odblaskowe powierzchnie wielu anten parabolicznych opracowanych przez RCA dla wielu satelitów są wykonane z materiałów kompozytowych wzmocnionych tkaniną z włókna aramidowego.

3.6 Zakres odzieży odpornej na ciepło i ochronnej
Materiały na skafandry kosmiczne muszą być lekkie, elastyczne, odporne na zużycie, uderzenia i mieć dobrą trwałość mechaniczną; odporność chemiczna, odporność na ciepło i odporność na światło są dobre i mogą zapobiegać różnym promieniowaniom. W ultrawysokich i ultraniskich temperaturach oraz pod wpływem wysokoenergetycznego promieniowania cieplnego różne właściwości materiału są stabilne. Tkanina z włókien aramidowych jest preferowanym materiałem.

Wysoka wytrzymałość i niska gęstość aramidu są wykorzystywane w różnych dziedzinach. W dziedzinie płyt uszczelniających, płyty uszczelniające z gumy wzmocnionej włóknem aramidowym, wykonane z włókna aramidowego zamiast włókna azbestowego, mają dobre właściwości uszczelniające i są nieszkodliwe dla ludzkiego ciała. W badaniach nad klockami hamulcowymi, aramid ma najlepszą wydajność strat tarcia i wewnętrzną wytrzymałość na ścinanie i oczekuje się, że będzie stosowany w tylnych hamulcach samochodów i przednich hamulcach mini samochodów w ostatnich latach. W odniesieniu do statków, materiały kompozytowe aramidowe mogą być stosowane w celu zmniejszenia masy kadłuba w celu zwiększenia prędkości statku; w materiałach budowlanych, aramid jest stosowany w celu zastąpienia azbestu w celu wzmocnienia cementu i zastąpienia materiałów metalowych w celu zapewnienia lekkiej konstrukcji i wysokiej wytrzymałości głównej konstrukcji nośnej. Aramid może być również stosowany do produkcji skafandrów kosmicznych, skafandrów przeciwpożarowych itp. Aramid jest obecnie stosowany w celu zastąpienia drutu stalowego w celu produkcji podwodnych kabli, zwłaszcza kabli głębinowych. Włókna aramidowe dodaje się również do zewnętrznej części kolumn betonowych, aby ograniczyć rozszerzalność objętościową betonu w razie jego uszkodzenia oraz poprawić jego wytrzymałość i odporność na wstrząsy sejsmiczne.

Jako ważny wynalazek w przemyśle włókien polimerowych w XX wieku, aramid jest stosowany w coraz większej liczbie dziedzin ze względu na swoją wysoką wytrzymałość, niską gęstość, odporność na wysoką temperaturę i inne cechy. Badania nad nim koncentrują się głównie na wykorzystaniu aramidu jako materiału wzmacniającego do wytwarzania materiałów kompozytowych. Jednak ze względu na złożone przygotowanie i przetwarzanie aramidu oraz jego wysoki koszt, nie może być on obecnie szeroko stosowany. Ponieważ włókna aramidowe mają niewiele grup funkcyjnych i słabą przyczepność do matrycy, muszą być poddawane obróbce krawędzi lub dodawaniu klejów. Badania i rozwój tej technologii mogą rozszerzyć pole zastosowań aramidu.