Общие сведения, свойства, применение. Что такое кевлар? Для изготовления чего в основном используют кевлар

В настоящее время кевлар стал привычным компонентом одежды и экипировки людей, чья жизнь постоянно подвергается опасности: военных и силовиков, космонавтов и исследователей, спортсменов и пожарных. Кевларовые волокна используют везде, где требуется повышенная прочность, начиная от автомобильных шин и заканчивая корпусами яхт, область их применения постоянно расширяется, а технология получения – усовершенствуется . Этот материал был получен полвека тому назад, и многим покажется странным, что его автором стала женщина.

Как появился кевлар?

Символично, что изобретательница этого уникального волокна Стефани Кволек в детстве любила шить одежду для кукол. После школы она получила специальность химика в университете Карнеги, но мечтала о медицине. Чтобы заработать средства для обучения в университете, в 1946 году девушка стала работать в знаменитом концерне Дюпон, и вскоре поняла, что ее призвание – все-таки химия. В 1964 году группа Кволек работала над усовершенствованием получения полиарамидов – полимерных веществ со стержнеобразной структурой, которые могли бы заменить стальной корд в шинах. Отказавшись от метода расплава, Стефани смогла получить необычного вида раствор, который при пропускании через фильеры превращался в арамидные нити.

Когда полученное волокно стали тестировать на прочность, исследователи решили, что аппаратура сломалась – показатели прочности нового материала были в пять раз больше, чем у стали.

Новый материал, получивший название кевлар, получил коммерческое применение в семидесятых годах. Его стали использовать для производства шин, кордовых лент, композитных материалов. В это же время на высокую прочность полиарамидных волокон обратили внимание военные и силовые структуры, целью которых была разработка индивидуальных средств защиты. Идея бронежилета появилась еще во время Первой мировой войны (ее автором был писатель Конан Дойл), но традиционные металлические пластины были тяжелыми и сковывали движения.

Специалисты американского Национального института правосудия несколько лет проводили тщательные исследования, в ходе которых доказали, что устойчивость к пулевому выстрелу для наиболее распространенного 38 калибра обеспечивает кевларовая ткань в семь слоев. Последний этап полевых испытаний показал, что прочность такого бронежилета уменьшается при его намокании и при воздействии УФ-лучей. Также было установлено, что изделия из кевларовой ткани ухудшают свои защитные свойства после нескольких стирок, и что они не переносят отбеливания и химчистки.

Результатом проведенных разработок стал кевларовый бронежилет с покрытием из водостойкой ткани, обеспечивающей защиту армированного слоя от воды и солнца . Кроме того, в качестве средств индивидуальной защиты стали применять кевларовые каски, перчатки, стельки обуви и др.

Свойства арамидных волокон

Кроме высокой прочности, кевлар обладает множеством других уникальных свойств, а именно:

• при контакте с огнем и высокими температурами это волокно не горит, не дымится и не плавится;
• кевлар не токсичен и не взрывоопасен;
• температура его терморазложения составляет 430-450 градусов;
• прочность армидных волокон начинает постепенно снижаться при нагреве более 150 градусов;
• при замерзании кевлар становится только прочнее, он способен выдерживать криогенные температуры (до -200 градусов);
• этот материал является электроизолятором.

К тому же ткань из кевлара отличается мягкостью, гигроскопичностью и способностью к воздухообмену, и вполне комфортна при использовании. Правда, это не относится к одежде, предназначенной для работы в условиях открытого огня и высоких температур. Для повышения термостойкости кевлар покрывают алюминием. Материал из такого волокна надежно защищает от мощного теплового излучения, контакта с раскаленными до 500 градусов поверхностями, а также от брызг раскаленного металла.

Следует также добавить, что этот материал довольно легок – один метр ткани весит 30-60 г, и хотя он не дешев (от 30 долларов за квадратный метр), его прекрасные защитные свойства вполне оправдывают такие расходы. Несколько дешевле стоят защитные материалы, армированные кевларовыми нитями, что придает им стойкость к разрыву и абразивному истиранию. Такие ткани используют для защитных вставок в рабочей и спортивной одежде, перчаток, а также в качестве износостойких стелек. Уход за изделиями из них чрезвычайно прост. Их не следует:

• часто стирать;
• чистить химическими реагентами;
• подвергать действию солнечных лучей.

Где применяется кевлар?

Данное высокопрочное волокно находит самое разнообразное применение – от авиационной и космической промышленности до спортивной и туристической одежды. На рынок кевлар поступает в виде нитей, корда, ткани, а также как составляющая композитных и смесовых материалов . Основными способами его применения являются.

Многие слышали название «кевлар». Из него шьют бронежилеты, делают каски. Немало людей наделяют его почти сверхъестественными способностями, считая уникальным материалом, защищающим от пуль. Разумеется, мы не могли обойти его вниманием и попробовали разобраться что же это такое.

Что про кевлар говорит Википедия:

Кевлар (англ. Kevlar) - торговая марка пара-арамидного (полипарафенилен-терефталамид) волокна, выпускаемого фирмой DuPont. Кевлар обладает высокой прочностью (в пять раз прочнее стали, предел прочности σ0= 3620 МПа). Впервые кевлар был получен группой Стефани Кволек в 1964, технология производства разработана в 1965 году, с начала 1970-х годов начато коммерческое производство.

В настоящее время арамидные волокна производятся по всему миру под разными торговыми марками. Но, наподобие того, как по всему миру копировальные аппараты называют по названию их фирмы-создателя Xerox, так же арамидные материалы в быту называют словом Kevlar.

Что же особенного в арамидном волокне?

Арамидное волокно характеризуется высокой удельной прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам. Кроме того, волокно и его разновидности является огнеупорным.

Изначально кевлар применялся для армирования автомобильных шин, но из-за его лёгкости композитные материалы на его основе, стали использовать в авиации и космической промышленности. Кроме того, из кевлара изготавливаются сверхпрочные тросы.

Фактически, именно его сопротивляемость удару при низкой плотности и сделали его отличным материалом для производства бронезащиты.

Несмотря на все свои достоинства арамидное волокно всё же имеет и недостатки. К ним относятся: старение, «водобоязнь» и цена. При намокании арамидное волокно теряет в прочности почти в два раза. При высыхании кевлар восстанавливает свои качества, но с течением времени механическая прочность пропадает безвозвратно. Впрочем, процесс этот идёт не слишком быстро - большинство производителей дают гарантию на 5 лет. А специальная обработка решает проблему с намоканием.

Кроме того, арамидное волокно с трудом поддаётся окрашиванию, поэтому практически всегда изделия из него имеют жёлтый цвет.

Помимо арамидных волокон, в современных бронежилетах также часто используют полиэтилен высокой плотности (ПВП). По сути – тот же материал, из которого шьют мешки и сумки-баулы. Несколько десятков тончайших листов ПВП способны остановить пистолетную пулю.

Но кевлар, ПВП и прочие материалы, мало что могут противопоставить мощным винтовочным патронам. Поэтому они используются для легкой защиты, или же как дополнения в бронежилетах с металлическими бронепластинами.

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.

,

Высокопрочное волокно элегантно вписалось в современную жизнь. Немногие знают, что именно представляет собой данное химическое соединение. Материал, изначально синтезированный для шин автомобилей, быстро распространился, найдя свою нишу в других сферах. Впрочем, обо всем по порядку.

Кто изобрел кевлар?

Впервые синтез был произведен в 1965 году сотрудницей химического концерна Dupont Стефани Кволек. Она занималась пара-арамидами. Очередным заданием было получить прочные полимерные нити, чтобы заменить корд из стали в шинах автомобилей.

Кволек решила изменить технологию, применив раствор пара-арамида, а не цельное вещество. Внешний вид получившейся субстанции не отвечал никаким требованиям. Инженер отказывался заливать в машину мутный раствор, напоминающий самогон, вместо темной патоки. Но женщина смогла убедить его пойти на эксперимент.

Удивлению химиков не было предела: оборудование беспрепятственно вытягивало нить. Когда пришли результаты тестирования получившейся пряжи, Стефани решила, что прибор вышел из строя, так как высокие цифры не свойственны синтетическим полимерам. Но, повторные исследования твердили свое – по прочности вещество превосходит сталь.

Какими свойствами обладает материал кевлар?

Цель достигнута! Пряжа заменит тяжелый металлический сплав в шинах. Дальнейшие исследования принесли еще больше приятных неожиданностей.

Оказалось, качества нитей ухудшаются только под постоянным действием высоких температур. При температуре 160 градусов, прочность начнет сокращаться на 10-20 %, через 20 суток. Чтобы полимер подвергся разложению, необходима температура свыше 430 градусов. Низкие температуры только увеличивают показатели прочности и эластичности волокна.

Помимо этого, материал имеет следующие характеристики:

• небольшой вес и маленькая плотность – метр кевларовой ткани весит до 60 г;
• стойкость к действию растворителей;
• низкая электропроводность;
• устойчивость к коррозии;
• стойкость к механическому воздействию.

Наряду с преимуществами, есть небольшие недостатки:

• впитывание влаги и подверженность ее влиянию;
• снижение эксплуатационных свойств, при воздействии ультрафиолета.

Углеволокно превосходит кевлар по показателям прочности и устойчивости к температурам. Попытки объединить эти два материала, привели к отрицательным последствиям. Такие ткани потяжелели, стали восприимчивее к воде, потеряли прочность.

Где применяется кевлар?

Волокно используют в различных целях и сферах:

• изготовление шин и кузовов автомобилей;
• укрепление кабелей (медных и оптоволоконных);
• кораблестроение;
• космическая и авиационная промышленность;
• изготовление ортопедических изделий;
• спортивный инвентарь;
• одежда;
• музыкальные инструменты;
• средства защиты для силовых подразделений, военных, работников (при выполнении должностных обязанностей в экстремальных условиях).

Какая изготавливается одежда из кевлара?

Различную спецодежду и спортивную форму усиливают отдельными нитями.

Тактические перчатки из кевлара являются потомком кастета. Они обеспечат сокрушающий удар и сохранят руку от повреждений. Изделия популярны у бойцов и гражданского населения. Их эффективно одевать при работе в условиях высокой температуры, с металлами, острыми предметами.

Производится усиление наколенников и налокотников. Страйкболисты применяют футболки со вставками, мотоциклисты – носят волокнистые шлемы. Незаменимым помощником для работы лесорубов станет куртка из кевлара. Любой одежде можно придать дополнительной прочности, но эти варианты наиболее распространены.

Разработка средств защиты от огнестрельного оружия проводилась в четыре этапа. Сначала, выясняли способность волокна на выполнение этой миссии. Затем, рассчитывали количество слоев, необходимых для защиты от пуль различных калибров, выпущенных с различного расстояния. Первая модель появилась в 1973 году. Всплыли все недостатки волокна. Завершающим этапом стала разработка бронежилета из кевлара, устойчивого к влаге и ультрафиолету.

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.