Кевлар химическая формула. Кевлар – ткань для героев

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.

Волокно кевлара характерного золотисто-жёлтого цвета. Диаметр элементарного волокна 10 мкм.

Kevlar K-29 (1975) - применяется в промышленности для изготовления кабелей, тормозных колодок, индивидуальной брони и брони боевых машин. Kevlar K49 - марка высокомодульного волокна используется в кабельной промышленности, для изготовления оплётки оптоволокна, для изготовления канатов, армирования пластмасс. Kevlar K100 - пряжа, окрашенная производителем. Kevlar K119 - с повышенным удлинением, гибкая и обладающая повышенной усталостной прочностью. Kevlar K129 - марка волокна повышенной прочности для брони. Kevlar AP - по прочности превосходит K-29 на 15 процентов. Kevlar XP - композиция на основе смолы с повышенной вязкостью и нового волокна KM2plus. Kevlar KM2 (1992) - марка волокна для получения ткани, отвечающей требованиям, предъявляемым к бронешлемам и бронежилетам.

Применение [ | ]

Изначально материал разрабатывался для армирования автомобильных шин , для чего он используется и по сей день. 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.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек.

Средства индивидуальной бронезащиты [ | ]

Фрагменты тканевополимерного шлема из кевлара, использованного в бою для поглощения энергии взрыва ручной гранаты, северо-восточный Ирак, 2004. Личный состав отделения спасен, капрал Данэм, закрывший шлемом гранату, погиб.

Механические свойства материала делают его пригодным для изготовления средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) - бронежилетов и бронешлемов . Исследования второй половины 1970-х годов показали, что волокно марки кевлар-29 и его последующие модификации при использовании в виде многослойных тканевых и пластиковых (тканевополимерных) преград дают наилучшее сочетание скорости поглощения энергии и длительности взаимодействия с ударником, обеспечивая тем самым относительно высокие, при данной массе преграды, показатели противопульной и противоосколочной стойкости . Это одно из самых известных применений кевлара.

Кевлар обладает сравнительно небольшим весом, при этом значительной силой внутреннего трения, которая позволяет быстро рассеивать кинетическую энергию при столкновении, превращая её в тепловую. При этом он из-за своей тонкости не способен остановить острые и тяжёлые предметы, обладающие большим импульсом, к примеру, винтовочную пулю или лезвие штыка. По этой причине в современных армейских бронежилетах его комбинируют с дополнительными защитными пластинами из стали, титана или керамики, которые недолговечны, но способны спасти жизнь солдату в бою, а также с амортизирующими элементами для уменьшения заброневых действий снарядов.

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 США (англ. 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, так же, 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 [ | ]

С начала 1990-х годов 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, Dolphin, Danish yacht, Zeelander Yachts), делая в год не очень большое количество яхт, планомерно переходят на использование кевлара. Одним из лидеров в производстве яхт из кевлара считается [кем? ] итальянская верфь Cranchi, которая производит яхты из кевлара размером от 11 до 21 метра.

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.).

У каждого поколения, живущего в ту или иную временную эпоху, свои правила и устои, требования к мобильности и качеству жизни. Соответственно, за ускорением научно-технического прогресса во всех отраслях следует и повышение общего темпа, а новое время диктует свои правила. Так что своеобразная мода на вещи с включением кевларовых нитей коснулась не только специализированных подразделений, в том числе и военных, но и обычных обывателей, которые ценят свою безопасность и любят комфорт.

Кевлар: что это такое?

Прочные кевларовые волокна давно вплелись в структуру разработок в автомобильной, строительной, военной отраслях промышленности, частично вытеснив менее прочную и практичную сталь. «Сотканный» из органических нитей материал стал просто незаменимым благодаря своим уникальным характеристикам. Итак, теперь подробно рассмотрим вопрос о том, кевлар - что это, и узнаем историю его появления.

Вкратце о возникновении

Новый полимер в каком-то смысле стал «ребенком» его величества Случая, родившись в лабораториях компании Dupont, которая уже на тот момент имела в своем активе изобретение такого материала, как нейлон. Тогда, в 1964-м, исследовательская группа искала решение, как заменить стальной корд в автомобильных шинах на значительно более легкие полимерные нити, например полиарамидные. Соответственно, занятие было не из простых, поскольку полиарамиды предварительно необходимо растворить (что само по себе нелегкое дело), а уже затем из получившейся массы «прясть» нити. Положительного результата удалось достичь Стефани Кволек. Она сумела получить волокна исключительной прочности, которые после тестирования показали ошеломляющие результаты - новая нить оказалась прочнее стали.

Но это было лишь начало блестящей истории этого материала. Ткань кевлар появилась на рынке в 1975 году, и с того времени на недостаток спроса жаловаться не приходится. А он рождает производство, так что Dupont не останавливается на достигнутом. Компания осуществляет заметные финансовые вливания, направленные на то, чтобы модернизировать запатентованный материал кевлар и наделить его улучшенными характеристиками.

Состояние на сегодня

Теперь перейдем к нашему времени. Современный кевлар - что это? А это на удивление легкий и мягкий материал, который в огне не горит и даже почти не тлеет, влагу прекрасно впитывает, позволяя кожным покровам «дышать», а при этом по своей прочности превосходит сталь в разы, выдерживая нагрузку на разрыв в пределах 2500 Н. Да и обработка ткани достаточно легка и не требует узкопрофильного оборудования.

Как производят

Волокнообразующие полимеры производятся при низкой температуре путем поликонденсации в растворе. К последнему добавляют реагенты и интенсивно перемешивают. Из этого раствора выделяется полимер в виде крошки или геля. Далее его промывают и высушивают. Затем полимер растворяют в сильных кислотах (например, в серной). Из получившегося раствора методом экструзии формируются нити и волокна. Они промываются и просушиваются.

Кевларовые волокна - кристаллизующий полимер. Их структура отличается высокой степенью жесткости. Это обусловлено наличием бензольных колец. По структуре кевлар относится к сетчатым полимерам. Производится он в виде технических нитей, имеющих различную линейную плотность и структуру. Количество волокон в нитях может быть разным: от 130 до 1000 при производстве кевларовой ткани и от 500 до 10 тыс. при изготовлении корда и канатов. Этот материал выпускается в виде ровинга, ткани и пряжи. Волокна непрозрачны, их средний диаметр - 11 мкм.

Сферы применения

Свое применение кевлар находит в тех отраслях, где крайне важны стойкость к износу и термическая стабильность, низкая структурная жесткость и максимальная легкость, а также отличная прочность при низком весе. Поэтому неудивительно, что этот материал пришелся «ко двору» при изготовлении средств индивидуальной защиты, в частности бронежилетов, шлемов.

Кевлар: защищаемся с комфортом

На сегодняшний день изготавливается различная одежда из кевлара, предназначенная не только для военнослужащих и различных спецподразделений, но и для тех, кто выбирает ультраактивный образ жизни и помешан на той же охоте или страйкболе. Конечно, страйкболисту ни к чему кевларовая броня с высоким уровнем защиты и дополнительными бронепластинами, а вот футболка со специальными кевларовыми вставками будет весьма уместной. К тому же, такие элементы легко скрыть под верхней одеждой, да и подходящие по дизайну модели разработаны.

Пожалуй, наиболее популярными изделиями из кевлара можно считать бронешлемы, и, конечно же, бронежилеты. Кстати, именно из этой ткани и изготавливают средства пассивной защиты, принятые на вооружение в НАТО.

Защита на руки

Тактические перчатки с кевларом в виде защитных вставок на ладонях и костяшках позволяют не только защитить руку от повреждений при столкновении, например, с зубами противника, но и значительно усилить удар, сделав его сокрушающим. Такой своеобразный современный аналог кастета. Если учитывать прочность, теплоту и устойчивость к влаге и повреждениям, такие аксессуары в последнее время популярны не только у сотрудников специализированных подразделений, но и у экстремалов, уличных бойцов, любителей активного образа жизни. Также они пользуются спросом у тех, у кого темные улицы родного населенного пункта вызывают вполне обоснованные опасения.

И пулю, и штык... остановит ли кевлар?

Бронежилет из кевлара по праву считается одним из наиболее надежных средств индивидуальной пассивной защиты. Благодаря своей уникальной легкости, прочности и относительной долговечности такая «броня» способна защитить владельца от скользящих ударов холодного оружия и смягчить последствия попадания пуль, препятствуя проникновению и распространению осколков.

Выбирая бронежилет, в основе которого используется данный полимер, следует учесть некоторые нюансы, которыми он наделен. Кевлар - что это? Мягкая броня, которая не спасет от выстрела в упор или проникающего удара ножом или шилом, поэтому разработаны модели со специальными жесткими панелями, призванными дополнительно амортизировать удар.

У всех свои минусы

К недостаткам кевлара можно отнести светочувствительность - при длительном пребывании под солнечными лучами чудо-материал начинает разрушаться, хоть и очень-очень медленно. Оптимальным средством предохранения стало вшивание элементов с кевларовыми нитями в более плотную ткань.

Цена на изделия с параамидными нитями достаточно высока, и именно это препятствует всеобщей «кевларизации». Оснащать армию тактическими изделиями из данного материала могут себе позволить только развитые в экономическом плане страны.

В завершение

На сегодняшний день крайне сложно представить пассивную защиту без кевларовых волокон, а выполненные из такой ткани бронежилеты и спасли множество жизней. Поэтому создателям есть чем гордиться. А изготовителям нужно расширять производство кевлара и постоянно улучшать характеристики его качества.

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.

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.