Материал кевлар: что это, его характеристики и история создания

История происхождения

Kevlar был произведен в 1964 году американской компанией Dupont, которая также известна как крупнейший мировой создатель и производитель нейлона. Изобрел этот материал Стефани Кволек – химик, пришедший в эту компанию на стажировку. Стефани мечтала о медицине, но процесс производства химических материалов оказался так интересен, что она решила остаться.

Само появление полотна считают случайностью. Да, производитель искал сверхпрочный материал. Его было решено изготовить при помощи из полимеров – полиарамида. Полимерные нити изготавливают, расплавляя начальное сырье и пропуская его через отверстия. Но полиарамид плохо поддается расплавке, поэтому его решили извлечь из раствора. Для этого подбирали подходящий растворитель, но такого не находилось. Тот, который был ближе, сделал его мутным, его нельзя было заливать в машину, чтобы не засорить ее и не сломать.

Поиски могли продолжиться, но Стефани убедила руководство рискнуть, и оказалось, что раствор подходит для изготовления нитей. А результат испытаний удивил – этот материал был прочнее стали!

Первое появление кевлара на рынке пришлось на 1975 год. В это время в России и Европе были созданы материалы-аналоги – СВМ и тварон. Но кевлар опередил их, поэтому все ткани данной группы стали называться так.

Что представляет собой кевлар?

Кевлар – это высокопрочный полимерный материал, патент на который принадлежит компании «Дюпон» (США). Он представляет собой пара-арамидное синтетическое волокно желтоватого цвета, состоящее из бензольных колец, соединенных в длинные молекулярные цепи. Полимер выпускают в виде нитей, пряжи, жгутов и тканей.

Для изготовления ткани используют нити, содержащие от 130 до 1000 волокон. Их переплетение бывает любым, но чаще используется полотняное, когда основная и уточная нити чередуются в шахматном порядке через одну. Такой материал тонкий и легкий, из него легко шить. Нитки особой прочности состоят из 500–10000 волокон и используются в технических целях.

Свойства кевларовой ткани

Основные свойства ткани:

• Прочность. Материал в 5 раз прочнее стали.
• Легкость. Вес 1 метра ткани варьируется от 30 до 60 г.
• Термостойкость. Материал разрушается при температуре свыше 430°С, однако прочность кевлара несколько уменьшается после 150°С. Большим плюсом является то, что он не горюч. Низкие температуры (до –190°С) также не приводят к ухудшению его свойств и даже придают дополнительную прочность. Не страшны кевлару и резкие температурные перепады.
• Стойкость к механическому воздействию, в т. ч. проколам и порезам. Броня из 7 слоев материала обеспечивает надежную защиту от пуль и осколков.
• Способность к воздухообмену. Ткань хорошо пропускает воздух, поэтому одежда из нее комфортна в использовании.
• Низкая удельная электропроводность.
• Безопасность и нетоксичность.
• Устойчивость к коррозии и воздействию органических растворителей.

Материал имеет слабые стороны. Он боится ультрафиолета, прямых солнечных лучей и влаги, которые делают кевларовые нити менее прочными и нарушают структуру полотна.

Многочисленные стирки, особенно с использованием отбеливателей и агрессивных химических средств, также отрицательно сказываются на характеристиках материала. Его прочность теряется при скручивании.

Свести к минимуму разрушение ткани под воздействием неблагоприятных факторов помогает дополнительная обработка, создающая водостойкое светонепроницаемое защитное покрытие. Еще одно слабое место материала – потеря прочности при истирании. Для снижения себестоимости и компенсации недостатков в ткань из кевлара добавляют стекло- или углеродное волокно.

Преимущественные стороны кевлара

Отметить преимущественные стороны материала позволяют  следующие качества:

• сильный, но относительно легкий материал. Удельная прочность на растяжение кевлара 29 и кевлара 49 более чем в восемь раз выше, чем у стальной проволоки;
• в отличие от большинства пластиков, этот вариант не плавится до температуры 450ºC;
• по сравнению с родственным материалом хомекс, кевлар воспламеняется, но при удалении источника тепла горение обычно прекращается;
• крайне низкие температуры не оказывают особого влияния на материал примерно до границы -196 ° C.

Как и для многих других пластмасс, длительное воздействие ультрафиолетового света вызывает изменение цвета и некоторую деградацию волокон структуры кевлара.

Вместе с тем, материал успешно противостоит воздействию различных химических веществ. Правда, длительное воздействие сильных кислот или оснований ухудшает структуру со временем.

Этот кевларовый чехол смартфона надолго обеспечит владельца дорогостоящего аппарата от проблем повреждения, появления царапин на корпусе устройства и других. Фактически – стальной чехол

Компанией «DuPont» проводилось тестирование кевлара долговременным воздействием горячей воды (более 200 дней). По результатам испытаний выяснилась полная неизменность сверхпрочных свойств, которые практически не подвержены влиянию влаги.

Недостатки материала

Между тем, кевлар также обладает определёнными недостатками. В частности, 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.

Технология производства кевлара?

Существует двухэтапная технология изготовления. Изначально подготавливается основной пластик, на основе которого делается материал (химическое вещество поли-пара-фенилентерефталамид). Далее подготовленная основа преобразуется в прочные волокна.

Кевларовое волокно – основа, использованием которой создаются крепкие прочные вещи, к примеру, защитного характера – бронированные жилеты, одежда специального назначения, а также масса иных предметов

Полиамиды, подобные кевлару, представляют собой полимеры (массивные молекулы, состоящие из множества одинаковых частей, соединенных вместе длинными цепями), образованные многократным повторением амидов. Амиды — простые химические соединения, где часть органической (углеродной) кислоты заменяет один из атомов водорода аммиака (NH3).

Таким образом, основной способ получения полиамида состоит в том, чтобы взять химикат, подобный аммиаку, чтобы ввести в реакцию с органической кислотой. Это пример того, что химики называют реакцией конденсации, когда два вещества сливаются в одно.

Химическая структура кевлара естественным образом превращает материал в крошечные прямые стержни, плотно упакованные вместе, подобно множеству жестких карандашей, плотно набитых в коробку.

Эти стержни образуют дополнительные связи между собой (водородные связи), придающие дополнительную прочность, как если бы «карандаши» склеивали. Эта скреплённая структура стержней придает кевлару удивительные свойства.

Спортивное каноэ – маломерное судно (лодка) без традиционных уключин под вёсла, корпус которого выполнен на основе кевлара. Этому судну не страшны бурные горные реки и другие экстремальные условия хода

Натуральные материалы — шерсть и хлопок, требуется спрячь в волокна, прежде чем удастся получить полезные текстильные изделия. Аналогичная технология относится и к искусственным волокнам:

• нейлону,
• кевлару,
• хомексу.

Основную арамидную массу превращают в волокна с помощью процесса, называемого «мокрое прядение». Процесс предполагает вытягивание горячего, концентрированного и очень вязкого раствора поли-пара-фенилентерефталамида через фильеру (металлический формирователь — нечто похожее на решето).

Получают тонкие, прочные и жёсткие волокна, которые наматываются на барабаны. Затем волокна нарезаются по длине и сплетаются в прочный мат. Так создаётся сверхпрочный, сверхтвердый материал, именуемый кевларом.

Виды ткани

Виды кевлара представлены в таблице.

Какие нормы используются при изготовлении? Что в них учитывается?

Кевларовая ткань — зарегистрированный товарный знак пара-арамидного синтетического волокна. При ее изготовлении необходимо опираться на ГОСТ 33842-2016 «Волокно пара-арамидное».

При производстве этого материала учитываются:

• линейная плотность;
• модуль упругости при растяжении;
• крутка;
• провисание нити;
• содержание влаги;
• содержание аппрета;
• прочность на разрыв;
• удлинение при разрыве.

Применение

Изначально целью разработчиков было создать лёгкое, но очень прочное волокно, которое можно было бы использовать при производстве шин.

Кевларовые ткани

Выпускаются обычно в виде полотна в рулонах под названием Кевлар-49. Также бывают другие виды:

• штапель-кевлар — коротко нарезанные волокна длиной чуть более шести мм. Прочностные свойства теряются из-за нарезки, но сохраняются барьерные. Используется для производства пряжи, войлока и нетканых изделий с высокими теплоизоляционными и виброизоляционными свойствами;
• флок-кевлар — измельчённое волокно (до 1 мм), применяют для армирования различных смол.

Кевларовые ткани имеют и минусы:

• теряют прочность при истирании;
• разрушаются под действием ультрафиолета. Требуют специального покрытия смолой.

Туризм и спорт

Использование нитей кевлара при производстве туристического снаряжения имеет большую популярность, т. к. этот материал невозможно случайно порезать или порвать.

• Например, скалолазам не обойтись без специальных перчаток, в тканевую основу которых вплетены крепкие арамидные волокна.
• Кевлар также используется при изготовлении тросов, которые считаются одними из наиболее крепких.
• Да и любой турист не откажется от прочного рюкзака, которому не страшно зацепиться за ветку – она не сможет даже просто проткнуть ткань, а порезать ее не сможет даже случайно открывшийся в рюкзаке складной нож.

Защитная одежда из кевлара

Армирующие свойства кевлара используют, включая его в состав тканей, из которых изготавливают элементы защитной одежды: перчатки, отдельные вставки в костюм, наколенники, антипрокольные стельки, одежду спортивной группы — для сноубординга, мотоспорта и т. д. Подобная ткань становится устойчивой к порезам и прокалыванию.

Кевларовые перчатки могут защитить от порезов о стекло, кратковременного воздействия пламени и раскалённых предметов, при этом они мягкие, эластичные и хорошо пропускают воздух (по внешнему виду напоминают трикотажные) и позволяют работать даже с самыми мелкими деталями, так как не нарушают чувствительности рук.

С 1970 года велась разработка антипрокольной ткани для  бронежилета, а затем началось производство лёгких пуленепробиваемых бронежилетов из нескольких слоёв кевлара. Для того чтобы качества материала не ухудшались под воздействием воды и ультрафиолета, кевларовая броня имеет покрытие из водостойкой ткани.

Также производят другие элементы защиты от огнестрельных и осколочных поражений, например, в бронеавтомобилях.

Защита на руки

Для защиты рук от повреждений при столкновении с зубами противника, а также для значительного усиления удара используются тактические перчатки со вставками кевларовых пластин. Такие перчатки еще называют своеобразным современным аналогом кастета. У сотрудников специализированных подразделений, а также у экстремалов, любителей активного отдыха и уличных бойцов подобные аксессуары пользуются большим спросом. Такая популярность объясняется прочностью, устойчивостью к влаге и повреждениям, а также теплотой. Руки в таких перчатках будут полностью защищены.

Кевларовая защита на руки

Ортопедические изделия

Материал используется также в ортопедической промышленности для изготовления бионических протезов. Это важная вещь для человека, потерявшего конечность, и кевлар играет в ней особую роль.

Из него делают приемную гильзу, которая соединяет поврежденную конечность и механическую часть протеза. Она должна быть крепкой, чтобы не сломаться при резком движении, но в то же время легкой, чтобы не отягощать конструкцию.

Такие материалы, как карбон и кевлар подходят для этого, но второй имеет дополнительное преимущество. Приемная гильза может неприятно сжимать конечность, доставляя неприятные ощущения, а кевлар упругий, чтобы быть удобным в этом плане.

Спортивное снаряжение

Лыжи, доски для сноуборда, шлемы, лодки и вёсла из кевлара обладают очень высокой прочностью и лёгкостью.

Судостроение

Кевлар начали применять в судостроении относительно недавно — последние два десятилетия. Процесс его производства высокотехнологичный и достаточно дорогой, поэтому его применяют выборочно — для отделки корпуса по швам, в килевой части.
Применяется для строительства яхт. Из этого материала они получаются очень лёгкими, расходуют меньше топлива и способны развивать более высокую скорость.

Узнайте из видео, что это такое кевларовые пакеты и пострадает ли кевларовая ткань от ножа.

Автомобильная промышленность

Как вы уже могли догадаться, из кевлара производят обшивку для гоночных машин, которая позволяет облегчить вес конструкции и увеличить скорость автомобиля. Но на этом его применение не заканчивается – производители из компании Дюпон на сайте приводят примеры, где еще может использоваться их материал. Усилить элементы автомобиля: ремни, колодки, сальники. А также популярно применение в покрышках – здесь используется композит из разных материалов, в сочетании с кевларом.

Кроме внутренних улучшений можно забронировать автомобиль от пуль и других повреждений. При этом он не станет намного тяжелее – вы не потеряете плавный контроль над своим автомобилем и его управляемость.

Авиационная промышленность

О свойствах кевлара, что это за материал не понаслышке знают в авиационной промышленности. Он применяется при производстве ряда беспилотных летательных аппаратов с целью обеспечения защиты.

Другие сферы

• Кевлар используется в качестве армирующего волокна, чтобы придать материалу прочность и лёгкость. Им укрепляют кабели, продевая нить из кевлара по всей длине, защищая его от растяжения и обрыва.
• Также его применяют для изготовления ортопедических протезов.
• Кевларовые канаты характеризуются высокой прочностью, малым весом, устойчивостью к коррозии, не электропроводностью, благодаря чему широко используются в судостроении и горной промышленности, где заменяют стальные тросы.
• Прочностные свойства волокон кевлара объединяют с термостойкостью карбона и получают гибридный материал — карбон-кевлар. Его используют для строительства корпусов лодок, способных развивать высокую скорость.

Благодаря высоким показателям прочности и устойчивости к внешним механическим и химическим воздействиям кевлар широко применяется в самых разных сферах и признан одним из самых высокотехнологичных современных материалов.

Как правильно ухаживать за вещами из кевларовой ткани

Как правило, одежда из кевлара имеет защитную пропитку, которая предохраняет волокна от воды. Однако вещам все же не помешает правильный уход. Запрещены следующие действия:

• частое мытье;
• стирка при температуре выше 40 °С;
• использование отбеливателей и других агрессивных моющих средств (лучше брать жидкие порошки для деликатных тканей);
• химчистка;
• сушка на солнце.

В глажке необходимости нет, так как ткань не мнется. Небольшие загрязнения по возможности лучше удалить щеткой с жесткой щетиной, а не с помощью стирки.

Кажется, что изделия из материала кевлар выдержат любое воздействие, но это не исключает правильный уход для поддержания уникальных эксплуатационных характеристик. Изделие отправляют на хранение обязательно сухими и чистыми. Влага негативно сказывается на свойствах ткани.

При работе с материалом потребуется специальный инструментарий – ножницы по кевлару обязаны быть твердосплавными, а вот прошить ткань удастся обычной иглой, т. к. довольно рыхлое плетение позволяет раздвинуть волокна и пропустить иглу с нитью. Разумеется, нить также должна быть арамидной.