Волокно кевлар (Kevlar®) – первый представитель семейства параарамидов, было разработано фирмой DuPont и обладает целым комплексом защитных свойств и очень высокой прочностью.
Кевлар относится к арамидным волокнам (ароматический полиамид). Это сверхпрочные и сверхвысокомодульные волокна. Особенности строения молекул параарамидов обуславливают то, что при полимеризации они располагаются по строго упорядоченной структуре. Амидные связи обеспечивают высокую энергию диссоциации, а значит высокую прочность, а арамидные кольца дают высокую термостабильность.
Выпускается Кевлар в виде комплексных нитей разной линейной плотности, в виде штапельного волокна, нетканых материалов и даже специальной бумаги.
Из пряжи можно ткать или вязать различные типы изделий защитного назначения, и ее в первую очередь используют для вязки бесшовных перчаток и рукавов.
Перчатки Kevlar
Такая пряжа используется на рынке термо- и порезостойких изделий. Изделия из пряжи более комфортны в носке по сравнению с изделиями из комплексных нитей.
Волокна Kevlar имеют высокую ориентацию полимерных молекул и кристалличность, благодаря чему отличаются большим модулем упругости и разрывной нагрузкой. Арамидные волокна не уступают по прочности стали, при этом в пять раз легче, чем сталь. Не знаю, как хорошо вы помните физику, поэтому напомню. С разрывной нагрузкой всё, наверное, понятно – это наибольшее усилие, которое выдерживает образец нити до разрыва. А что это за модуль упругости?
Модуль упругости характеризует способность материала упруго деформироваться (и принимать в итоге первоначальный вид после приложения силы) при приложении к нему силы. В наиболее распространенном случае зависимость напряжения и деформации линейная (закон Гука):
Е=σ/ε
E— модуль упругости; σ - напряжение, вызываемое в образце действующей силой (равно силе, делённой на площадь приложения силы); ε - упругая деформация образца, вызванная напряжением (равна отношению изменения размера образца после деформации к его первоначальному размеру).
Если напряжение измеряется в паскалях, то, поскольку деформация является безразмерной величиной, единицей измерения Е также будет паскаль. Так вот модуль упругой деформации у Кевлара достигает 180 ГПа.
Относительная разрывная нагрузка Кевларовой комплексной нити достигает 260 сН/текс. Это 5-7 раз выше, чем у полиэфирной нити, в 10 раз прочнее шёлковой нити и, примерно, в 5 раз прочнее стальной проволоки.
Для сравнения, разрывная прочность кевлара может колебаться от 270 до 540 кг/мм² (у стали этот параметр находится в пределах 50—170 кг/мм²).
Это обуславливает основное применение параарамидов в качестве корда для шин, а также для изготовления облегченных баллистических материалов.
Преимущества кевлара:
1. Термоустойчивость – ткань хорошо переносит высокие и низкие температуры. Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196º C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.
2. При нагреве кевлар не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430—480º C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150º C) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160º C прочность уменьшается на 10—20% после 500 часов. При 250º C кевлар теряет 50% своей прочности за 70 часов.
Кислородный индекс Kevlar® 129 до 30.
К другим достоинствам ткани из Кевлара можно отнести:
3. Низкая электропроводность – позволяет использовать экипировку из кевлара при работах с электрическим током;
4. Устойчивость к воздействию химических веществ – материал не теряет прочности при взаимодействии с химикатами и абразивными веществами, не подвергается коррозии, не окисляется;
5. Отсутствие токсичности – несмотря на синтетическое происхождние, он абсолютно безопасен для человека.
Вследствие этих уникальных характеристик, в области защитного текстиля материалы из него обеспечивают сразу несколько видов защиты:
- Тепло- и огнезащита,
- Механическая защита,
- Баллистическая защита,
Недостатки кевлара
· Длительное нагревание и пребывание под солнечными лучами снижает прочность материала. Речь идет об интенсивной эксплуатации сотни часов подряд. Нить имеет тенденцию менять цвет с желтого на коричневый после длительного воздействия. Длительное воздействие УФ-излучения также может привести к потере механических свойств в зависимости от длины волны, времени воздействия, интенсивности излучения и геометрии изделия. Изменение цвета нити после воздействия обычного комнатного света является нормальным явлением и не свидетельствует о деградации. Разложение, которое происходит только в присутствии кислорода, не усиливается влагой или атмосферными загрязнителями, такими как двуокись серы. Дополнительная защита от УФ-излучения может быть обеспечена инкапсуляцией: путем оплетки другими волокнами; или путем нанесения экструдированной оболочки на канаты и тросы.
· Намокшая ткань также теряет часть своих уникальных свойств, поэтому при эксплуатации кевлара в условиях повышенной влажности его укрепляют и пропитывают.
· Низкое разрывное удлинение 2-3%, что снижает работу разрыва ткани.
· Кевлар обладает сравнительно небольшим весом, при этом значительной силой внутреннего трения, которая позволяет быстро рассеивать кинетическую энергию при столкновении, превращая её в тепловую. Прочностные характеристики кевлара высокие, но не настолько, как бытует о нем мнение. Даже самая плотная ткань в один слой не способна остановить пулю или сильный колотый удар ножа. 7 слоев кевлара базовой марки К-29 способны остановить пулю, выпущенную из пистолета. 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.
· Кевларовое волокно не обладает эстетической привлекательностью, но это нельзя назвать минусом, если вспомнить, для какой цели был изобретен полимер. Он не используется при пошиве уличной одежды, а потому не нуждается в улучшенных декоративных свойствах.
· обладая очень высокой прочностью на растяжение, материал показывает низкую прочность на сжатие. Вот почему кевлар не используется вместо стали в качестве основного строительного материала при работе с такими объектами, как здания, мосты и другие конструкции, где присутствуют силы сжатия.