ARAMID - MỘT LOẠI VẬT LIỆU ĐA NĂNG
Có thể bạn sẽ khó liên tưởng đến hình ảnh khi tôi đề cập đến các từ sợi aramid. Tuy nhiên, nếu tôi nói với bạn rằng chúng là nguyên liệu thô được sử dụng trong áo giáp, áo chống đạn, đồng phục lính cứu hỏa, v.v., bạn bắt đầu hiểu.
Trên thực tế, sợi aramid là họ siêu sao trong thế giới sợi. Chúng xuất hiện dưới dạng các sợi vàng sáng màu vàng (cho đến nay, có nhiều màu hơn). Tên gọi xuất phát từ sự kết hợp của hai từ, một "polyamit thơm". Do tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng và đặc tính chịu nhiệt vượt trội của chúng, sợi aramid được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mặc bảo vệ nêu trên.
sợi aramid hiện nay có nhiều màu hơn
Và các đặc tính của sợi aramid còn hơn thế nữa (nhiều hơn về những đặc tính sau này). Sợi aramid đóng một vai trò thiết yếu trong vật liệu tổng hợp, công nghiệp ô tô, ứng dụng quân sự và nhiều lĩnh vực tương tự.
1. Lịch sử của sợi Aramid
Phải mất khá nhiều thời gian để tìm ra cách sử dụng sợi aramid, chủ yếu là vì chúng không thể hòa tan trong bất cứ thứ gì. Điều này làm cho quá trình làm việc với sợi aramid khá phức tạp. Sự phát triển mạnh mẽ của polyamit thơm chủ yếu nhờ vào việc phát hiện ra aramid tinh thể lỏng lyotropic, ở thể rắn được biết đến với tên thương mại là Kevlar® (thương hiệu của DuPont).
Vào đầu những năm 1970, một nhà hóa học người Mỹ gốc Ba Lan tên là Stephanie Kwolek, một nhà khoa học nghiên cứu của DuPont, đã phát minh ra para-aramid, có nhãn hiệu là Kevlar®. Năm 1964, nhóm của Kwolek bắt đầu nghiên cứu một loại sợi bền và nhẹ mới cho lốp xe. Việc phát hiện ra các aramids tinh thể lỏng lyotropic cho phép bà phát triển một quy trình kéo sợi mới cho dung dịch dị hướng, dẫn đến việc thương mại hóa Kevlar.
Cấu trúc của Kevlar, một para-aramid
Phát minh của Kwolek về Kevlar về cơ bản là đột phá. Vào tháng 7 năm 1995, bà trở thành người phụ nữ thứ tư được thêm vào Đại sảnh Danh vọng các Nhà phát minh Quốc gia. Năm 1995, DuPont cũng trao tặng cho bà Huân chương Lavoisier vì thành tích kỹ thuật xuất sắc, điều đáng chú ý là cô ấy là người phụ nữ duy nhất nhận được vinh dự này.
Một lính cứu hỏa ở Toronto, Canada đội mũ trùm đầu Nomex (2007)
Tuy nhiên, bản thân sợi aramid đã được thương mại hóa vào đầu những năm 1960, trước khi Kevlar phát minh ra. Tên thương mại là Nomex®, một loại sợi siêu aramid do DuPont sản xuất. Công lao cho phát minh tuyệt vời này thuộc về Tiến sĩ Wilfred Sweeny, một nhà khoa học sinh ra ở Scotland, người cũng làm việc cho DuPont.
Loại sợi đặc biệt này có tính năng chịu nhiệt tuyệt vời, có nghĩa là nó không bị nóng chảy hoặc bắt lửa ở mức oxy điển hình. Vật liệu này rất nhanh chóng được sử dụng để sản xuất quần áo bảo hộ, bộ lọc không khí và trở thành chất thay thế cho amiăng. Nomex® được bán trên thị trường vào năm 1967 và đã cứu sống hàng triệu người, bao gồm nhân viên cứu hỏa, phi công máy bay, người lái xe đua, chỉ có một số ít!
Meta-aramids được sản xuất ở nhiều quốc gia khác như Hà Lan, Nhật Bản bởi Teijin với tên thương mại Conex, ở Hàn Quốc bởi Toray với tên thương mại Arawin, ở Trung Quốc bởi Yantai Tayho với tên thương mại New Star, bởi SRO Group (Trung Quốc) dưới tên thương mại X-Fiper, một biến thể của meta-aramid ở Pháp bởi Kermel cũng dưới tên thương mại Kermel.
Thậm chí còn có nhiều vòng xoắn hơn nữa trong sự phát triển của sợi aramid mà bạn có thể thấy trong bảng dưới đây, toàn bộ lịch sử của sợi aramid.
Lịch sử phát triển của sợi Aramid
2. Giới thiệu về loại sợi Aramid
Ngoài ra, cả Nomex (meta-aramid) và Kevlar (para-aramid) đều có một số biến thể với các thuộc tính cụ thể.
Đối với Nomex, các biến thể của nó thuộc loại copolyamide, trong đó một loại nổi tiếng là Teijinconex dưới thời Teijin.
Đối với Kevlar, các sợi para-aramid khác có thể đóng vai trò thay thế. Và chúng thường có chi phí thấp hơn, với Twaron và Technora của Teijin, Heracron của Kolon, cũng như bao gồm Alkex của Hyosung, mỗi loại đều có thể cho kết quả tương tự như Kevlar.
So sánh các lựa chọn thay thế sợi Kevlar® và Para-aramid Filament
3. Cấu trúc phân tử của sợi Aramid
Aramid bao gồm các chuỗi polyme tương đối cứng với các giàn benzen liên kết và các liên kết amit. Cấu trúc tạo ra sợi aramid có độ bền cao, mô đun cao và độ dẻo dai lớn.
Cấu trúc phân tử của các Aramid có thể được hiển thị như sau:
Aramid
Kevlar là một loại polyamide. Các nhóm amit của nó được phân tách bởi các nhóm para-phenylene. Các nhóm amit gắn vào các vòng phenyl đối diện nhau, ở các nguyên tử cacbon 1 và 4.
Trong khi Nomex là một polyamit, nó có các nhóm meta-phenylene. Tức là, các nhóm amit được gắn vào vòng phenyl ở nguyên tử cacbon 1 và 3.
4. Tính chất của sợi Aramid
Sợi Aramid được tạo ra với một loạt các đặc tính ấn tượng. Nhưng do sự khác biệt giữa para-aramid và meta-aramid, ở đây tôi sẽ liệt kê hai loại riêng biệt.
4.1. Para-aramid (ví dụ điển hình: Kevlar)
√ Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao: Sợi para-aramid, như Kevlar và Twaron, hơi khác so với những sợi khác. Cả hai đều có đặc tính chịu lực vượt trội. Thêm vào đó, chúng có độ bền cao nên chống mài mòn.
√ Môđun của High Young (độ cứng của cấu trúc): 130-179 GPa. Trong khi sợi carbon là 300 Gpa và thủy tinh 81 GPa.
(Mô đun Young: Còn được gọi là mô đun đàn hồi. Nó xác định mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vật liệu)
√ Độ giãn dài thấp tại điểm đứt, nghĩa là nó giãn ra một chút.
√ Para-aramid thường không dẫn điện trong điều kiện bình thường.
√ Khả năng chống mài mòn và cắt tốt.
√ Khả năng chống dung môi hữu cơ tốt
√ Giữ lại Khả năng bắt lửa thấp, có khả năng chống suy thoái nhiệt và tự chữa cháy.
√ Giữ nguyên vẹn vải tốt ở nhiệt độ cao
√ Độ ổn định kích thước tuyệt vời.
4.2. Meta-aramid (ví dụ điển hình: Nomex)
√ Khả năng chịu nhiệt: Meta-aramid có tính ổn định nhiệt lâu dài. Nó có thể hoạt động trong thời gian dài ở nhiệt độ 204 ° C và nó duy trì độ ổn định kích thước tuyệt vời. Nó không bị giòn, mềm hoặc tan chảy ngay cả khi nó được tiếp xúc một thời gian ngắn với nhiệt độ lên đến 300 ° C.
√ Chống ngọn lửa: Meta-aramid vốn có khả năng chống ngọn lửa. Nó sẽ không tự cháy hoặc tan chảy ở mức oxy bình thường. Và nó tự dập tắt. Nó sẽ cacbon hóa ở 400 ° C.
√ Cách điện: Meta-aramid có đặc tính cách điện tuyệt vời. Độ bền điện môi của giấy meta-aramid lên đến 20kv / mm (Mỗi meta-aramid khác nhau).
√ Tính ổn định hóa học: Meta-aramid có cấu trúc hóa học rất ổn định. Nó có khả năng chống lại các dung môi hữu cơ.
√ Khả năng chống bức xạ: Khả năng chống tia cực tím, α và β tốt.
√ Tính chất cơ học: Meta-aramid có thể tạo hình cho các bộ phận đúc được.
√ Độ giãn dài thấp tại điểm đứt cũng như para-aramid, nghĩa là nó giãn ra một chút.
Các thuộc tính chính của para-aramid và meta-aramid đã được liệt kê ở trên. Trong khi các thuộc tính giữa các biến thể para-aramid và biến thể meta-aramid cũng khác nhau.
Bảng dưới đây cho thấy các đặc điểm khác nhau của sợi aramid và được tổng hợp từ Chemical Economics Handbook and Encyclopedia of Chemical Technology, Vol.19 and Indian Journal of Fiber and Textile Research.
Thuộc tính của sợi Aramid thương mại
5. Ứng dụng chính của sợi Aramid
Nhờ những đặc tính nổi bật của sợi aramid, chúng có thể được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp.
√ Quần áo chống cháy: Ví dụ, bộ quần áo quân sự MIL-G-181188B, bao gồm quần áo bảo vệ nhiệt và mũ bảo hiểm.
√ Thay thế cho amiăng (ví dụ như tấm lót phanh), loại sợi này sẽ làm phát sinh các bệnh về phổi sau khi được hít vào phổi.
√ Các loại vải lọc khí nóng
√ Ống nhựa nhiệt dẻo gia cường
√ Chống đạn: Áo giáp, cạnh tranh với các sản phẩm làm từ sợi PE như Dyneema và Spectra.
√ Vật liệu composite và chúng thường được kết hợp với sợi carbon.
√ Lốp xe, gần đây nhất là Sulfron (Twaron được biến tính bằng lưu huỳnh)
√ Gia cố cao su cơ học
√ Dây thừng và dây cáp, mặc dù bị suy yếu nghiêm trọng dưới tác động, hạn chế sử dụng chúng trên thuyền và leo núi. Cáp Aramid được áp dụng nhiều hơn cho các tình huống tải trọng tĩnh; ví dụ, các loại cáp được sử dụng làm dây nối để lắp dựng tháp thủy điện cho Hydro Quebec.
√ Động tác múa lửa
√ Hệ thống cáp quang
√ Vải buồm (không nhất thiết phải là buồm đua thuyền)
√ Thiết bị thể thao
√ Đầu trống
√ Sậy dụng cụ gió, chẳng hạn như thương hiệu Fibracell
√ Màng loa
√ Vật liệu vỏ thuyền
√ Bê tông cốt sợi
√ Dây tennis (ví dụ: của các công ty quần vợt Ashaway và Prince)
√ Gậy khúc côn cầu (thường có thành phần từ các vật liệu như gỗ và carbon)
√ Ván trượt tuyết
√ Vỏ động cơ phản lực
Trích nguồn: Claire Blog
