Волокно Кевлар фірми Дюпон (частина 3)
Структура та механічні властивості волокна KEVLAR® фірми Дюпон
У 1960-х фірма Дюпон виробляла волокна з поліамідів і поліефірів, які становили основну номенклатуру синтетичних волокон. Однак, для досягнення максимальної жорсткості, високої міцності та великого початкового модуля полімерні молекули мали конфігурацію гнучких ланцюгів, хоча кристалізувалися в досить добре орієнтовані системи. Для гнучких полімерів, таких як поліамід або поліефір, необхідна була механічна витяжка для орієнтації волокна після його екструзії. У 1965 році вчені фірми Дюпон розробили новий метод виробництва майже досконалого полімерного витягнутого ланцюга. Полімер поліпарабензаміду був отриманий у формі рідкого кристалічного розчину завдяки простій повторюваності молекулярних структур. Ключова структурна вимога до основи полягала в тому, що орієнтовані в пара-положенні бензольні кільця формувалися в паличкоподібні молекулярні структури. Ця технологія надалі втілилася у створенні волокна KEVLAR®. Для того щоб проілюструвати відмінності між рідкокристалічними жорстколанцюгові та гнучколанцюгові полімерами, одержуваними в розчині, розглянемо схеми, представлені на рис. 1.
Мал. 1. Відмінність у поведінці під час формування волокна між гнучко- та жорстколанцюговими полімерами
З малюнка видно, що для гнучколанцюгових полімерів у розведених розчинах характерний випадковий розподіл ланцюгів, потім, у міру концентрування розчину, ланцюгові клубки добре агрегуються, і при витяжці розплаву відбувається орієнтація ланцюгів, яка може бути досить досконалою, але все одно не буває абсолютної. Якщо розглядати жорстколанцюгові молекули, такі як поліпарабензамід, тут існуютьпаличкоподібні молекули, вони являють собою добре сформовані орієнтовані ланцюги вже в розведеному розчині, при високій концентрації їх форма не змінюється. Потім при накладенні на розчин зсувних напруг формується добре орієнтована молекулярна структура, яка представлена на рис. 2.
Мал. 2. Циліндрична структура волокна, радіально складеного з площин, пов'язаних водневими зв'язками
З малюнка видно, що пов'язані водневими зв'язками по амідним групам ланцюга укладені в хорошу площину, а потім ці площини збираються в пачки і утворюють паличкоподібну структуру. Фактично жорстколанцюгова структура полімерної молекули призводить до отримання досконалої орієнтації вже й у матеріалах у формі волокна.
Саме на цій структурній основі при формуванні таких надмолекулярних структур фірма Дюпон отримала можливість створити технологію волокна з поліпарафенілентерефталаміду, яке було введено в асортимент як високоміцне арамідне волокно KEVLAR® у 1971 році. На схемі рис. 3 видно, що вихідне сире волокно подається спочатку на попереднє покриття, потім висушується в печі, потім на нього наноситься зовнішнє покриття, після чого відбувається сушіння з одночасною витяжкою. Залежно від технологічних умов витяжки можливе одержання двох основних різновидів волокна KEVLAR® - або матеріал з більшим модулем пружності та меншим відносним подовженням, або матеріал з більшим відносним подовженням та меншим модулем пружності. Ці матеріали отримали торгові марки KEVLAR® 29 та KEVLAR® 49.
У таблиці 1 представлені всі види властивостей цих видів волокон. Як зазначалося, основне відмінність становлять величини модуля пружності і відносного подовження прирозрив. KEVLAR® 29 має подовження при розриві 3,6% проти 2,4% для KEVLAR® 49, а за величиною модуля пружності KEVLAR® 49 майже на 30% перевищує KEVLAR® 29. Інші властивості будуть обговорюватися надалі докладніше. Асортимент волокон у ході розвитку технологічного процесу також розширювався, і в даний час представлений чотирма типами, що мають інші умовні найменування. Перш за все, це Кевлар тип 956, який є KEVLAR® 29, який пристосований, головним чином, для армування полімерних матеріалів, і має гарну комбінацію високої міцності, модуля, при малій вазі, жорсткості та довговічності. Унікальний баланс властивостей Кевлара 956 робить його чудовим армуючим агентом, наприклад, для труб з зшитого поліетилену, а також для гумотехнічних виробів, таких як приводні ремені, конвеєрні стрічки та ін. найбільш високою жорсткістю з усіх арамідних кордів, і застосовується у випадках, коли особливо важливою є міцність волокна. Кевлар тип 956Е, або Кевлар 119, характеризується дуже високими довготривалими властивостями та високими втомними властивостями, які необхідні, коли нитки Кевлар використовуються для армування трансмісійних ременів. Він має хороші температурні характеристики, високе подовження і низький модуль, а також більшу жорсткість порівняно з Кевларом 956. KEVLAR® 49 в даний час представлений волокном Кевлар 965, він також має високу міцність, рівну міцності Кевлара 956, але більш високий модуль та менше подовження. Він добре підходить для приводних ременів, де потрібний високомодульний армуючий елемент.