Prestasi, penyediaan dan penggunaan bahan komposit aramid

Nama penuh aramid ialah serat poliamida aromatik, yang merupakan bahan sintetik organik dengan kekuatan tinggi, modulus tinggi, ketumpatan rendah dan rintangan haus yang tinggi, dan mempunyai sifat kimia yang stabil. Pada tahun 1974, Suruhanjaya Perdagangan Persekutuan AS (FTC) menamakan mereka "serat Aramid", yang ditakrifkan sebagai: sekurang-kurangnya 85% daripada rantai amida (-CONH-) menyambung terus dua gelang benzena. Pada awal 1960-an, DuPont membangunkan meta-aramid HF-1 dengan kestabilan haba yang sangat baik, iaitu gentian Nomex. Di negara saya, ia dipanggil aramid. Ia melepasi pengenalan aramid 14 pada tahun 1981 dan aramid 1414 pada tahun 1985. Oleh kerana gentian aramid tunggal mempunyai kecacatan apabila digunakan, dan kekuatannya berkurangan selepas bersentuhan dengan air, aramid biasanya dibuat menjadi bahan komposit dan digunakan sebagai gentian penguat dalam bahan untuk menyesuaikan diri dengan persekitaran penggunaan yang berbeza, dan ia juga boleh meningkatkan prestasi bahan.

1.1 Para-aramid
Para-aramid, juga dikenali sebagai PPTA (Poly-P-pheneleneferepthalamide), telah berjaya dibangunkan pada tahun 1971 dan dimasukkan ke dalam pengeluaran pada tahun berikutnya. Struktur rantai utamanya sangat teratur, dan makromolekul wujud dalam keadaan yang sangat renggang. Ia tahan kepada suhu tinggi, kebakaran, kakisan kimia, sifat mekanikal yang tinggi dan rintangan lesu, dan mempunyai ketumpatan yang rendah. Kekuatannya adalah 3 kali ganda daripada keluli dan 4 kali ganda daripada benang industri poliester berkekuatan tinggi. Modulus awalnya adalah 4 hingga 10 kali ganda daripada benang industri poliester dan lebih daripada 10 kali ganda daripada gentian poliamida. Ia mempunyai kestabilan yang baik, dengan pengecutan sifar pada 150°C, dan masih boleh mengekalkan kekuatan tinggi pada suhu tinggi, seperti 65% daripada kekuatan asal pada 260°C. Ia mempunyai lekatan yang baik pada getah dan merupakan gentian tali yang ideal. Seperti Kevlar-49 dari DuPont di Amerika Syarikat, Twaron dari Enka di Belanda, dan aramid 1414 di China.

1.2 Meta-aramid
Meta-aramid, juga dikenali sebagai MPIA (Poly-m-phenyleneisophthalamide), mula dikaji pada tahun 1956 dan telah diindustrikan pada tahun 1967. Rantaian makromolekul meta-aramid adalah zigzag, dan ia mempunyai sifat fizikal dan mekanikal yang sangat baik, seperti kekuatan dan pemanjangan selepas putus. Ciri-ciri cemerlangnya ialah rintangan api dan rintangan pengoksidaan yang sangat baik. Selepas penggunaan berterusan pada suhu 260°C selama 1,000 jam, kekuatannya masih boleh mengekalkan 65% daripada kekuatan asalnya; selepas digunakan pada suhu tinggi 300°C selama 7 hari, ia masih boleh mengekalkan kekuatan asalnya. Ia boleh terbakar dan mempunyai ciri pemadaman sendiri selepas meninggalkan nyalaan; ia mempunyai kestabilan yang baik dalam asid, alkali, agen peluntur, agen pengurangan dan pelarut organik. Ia juga mempunyai rintangan sinaran yang baik. Kekurangannya adalah sama seperti nilon, kestabilan yang lemah kepada cahaya matahari dan sukar untuk dicelup.

1.3 Perbandingan prestasi aramid dengan gentian lain
Aramid mempunyai sifat mekanikal yang baik. Berbanding dengan gentian lain, aramid mempunyai ciri-ciri rintangan suhu tinggi, pemanjangan kecil, modulus elastik tinggi dan kekuatan tinggi, terutamanya para-aramid (gentian Kevlar), yang lebih cemerlang.

Gentian aramid, seperti gentian kaca, mempunyai bentuk produk seperti benang berpintal, mengembara tidak berpintal, pelbagai spesifikasi kain, pita, helai dirasa dan dicincang. Terdapat dua jenis utama penyediaan bahan komposit, komposit penggulungan gentian ke gentian, dan komposit gentian ke resin atau getah.

2.1 Pengacuan komposit gentian kepada gentian
Penggulungan basah dan penggulungan kering adalah dua kaedah utama pengacuan penggulungan bahan komposit. Kelebihan utama penggulungan kering ialah kandungan gam lebih mudah dikawal. Oleh itu, pada masa lalu, pengacuan bekas tekanan tinggi komposit sentiasa menggunakan pengacuan penggulungan kering tunggal. Walau bagaimanapun, penggulungan basah mempunyai kelebihan kos produk yang rendah, kurang haus serat, nisbah lompang yang rendah dan kecekapan pengeluaran yang tinggi, dan diterima pakai secara meluas di luar negara. Pada masa lalu, negara saya sentiasa menggunakan acuan kering dan membangunkan berpuluh-puluh formula pelekat acuan kering. Beberapa formula seperti 4304 dan 4303A telah berjaya digunakan dalam enjin roket pepejal yang besar. Aliran proses adalah seperti berikut: melonggarkan gentian aramid → mencampurkan → membentuk → rawatan haba → mengisar → produk siap.

Pengacuan penggulungan basah adalah sama dengan pengacuan kering. Matriks resin mesti mempunyai sifat mekanikal tertentu. Pada masa yang sama, kelikatan sistem matriks mesti dikawal dalam julat tertentu untuk memastikan berkas gentian boleh diresapi sepenuhnya semasa pengacuan. Terdapat dua cara utama untuk mengurangkan kelikatan sistem: (a) Pilih pelarut aktif berkelikatan rendah yang munasabah. Selalunya kelikatan sistem memenuhi keperluan proses impregnasi, tetapi pada masa yang sama sifat mekanikal dan rintangan haba sistem sangat berkurangan. Selepas penyaringan, pelarut campuran digunakan dan memenuhi keperluan reka bentuk pada tahap tertentu. (b) Pilih agen pengawet cecair. Penambahan agen pengawet cecair boleh mengurangkan kelikatan sistem formula ke tahap tertentu. Terdapat kekurangan penyelidikan lanjut mengenai formula basah dan teknologi pengacuan formula basah gentian aramid, dan teknologi formula basah berprestasi tinggi ialah teknologi utama yang perlu diselesaikan terlebih dahulu dalam pengacuan belitan basah.

2.2 Pengacuan komposit gentian dan resin
Kaedah pengacuan adalah sama dengan kaedah pengacuan gentian kaca, termasuk penggulungan, letak tangan, impregnasi, beg vakum, tekanan dan suntikan, yang boleh dipilih mengikut keperluan. Resin yang sering dipadankan dengan gentian aramid termasuk epoksi, fenolik, poliester tak tepu, ester vinil, polimida, dsb. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, ia juga digunakan dalam kombinasi dengan nilon, PBT, dsb. Dalam kajian sifat tegangan komposit gentian campuran aramid/polipropilena satu arah, Zhang Maolin et al. menggunakan benang filamen tak berpilin aramid (bahan tetulang) sebagai benang meledingkan dan gentian polipropilena (gentian matriks) sebagai benang pakan untuk menenun prapolimer termoplastik dengan anyaman biasa. Bahan komposit dibuat di bawah suhu dan tekanan tertentu, dan ketumpatan benang meledingkan dan benang dilaraskan untuk mengawal komposisi bahan. Kord yang diperbuat daripada aramid semakin banyak digunakan dalam industri tayar kereta. Teknologi bahan komposit aramid dan getah berkembang pesat. Oleh kerana gentian aramid mempunyai beberapa kumpulan berfungsi aktif, sukar untuk diikat dengan getah. Untuk menyelesaikan masalah ikatan, langkah-langkah berikut secara amnya diterima pakai: di satu pihak, formula dan proses sistem impregnasi diselaraskan atau diperbaiki. Pada masa ini, impregnasi dua mandi atau pelekat impregnasi khas ditambah pada impregnasi satu mandi; sebaliknya, pelekat ditambah pada reka bentuk formula sebatian getah. Oleh kerana kesan sinergistik kedua-dua aspek di atas, kesan ikatan yang lebih ideal dicapai.

Kekuatan aramid yang tinggi digemari oleh semua lapisan masyarakat terutamanya tentera. Topi keledar moden berasal dari Perang Dunia I dan digunakan untuk mengurangkan kadar korban tentera. Selepas Perang Dunia II sehingga tahun 1970-an, topi keledar kalis peluru tentera semuanya adalah topi keledar keluli, kebanyakannya adalah keluli mangan tinggi atau keluli khas, dan cangkerang topi keledar kebanyakannya dicop. Topi keledar nilon digunakan terutamanya di United Kingdom dan Israel. Terdapat lapisan kalis kejutan busa polietilena berketumpatan tinggi dalam topi keledar untuk meningkatkan keselesaan. Topi keledar Aramid ialah kain aramid berbilang lapisan yang diikat dengan resin khas dan dibentuk pada suhu tinggi dan tekanan tinggi. Topi keledar Aramid telah dibangunkan oleh DuPont pada tahun 1970-an. Kelebihan mereka adalah kekuatan tinggi, ringan, dan prestasi perlindungan yang baik. Mereka diterima pakai oleh lebih banyak negara.

Rintangan hentaman balistik gentian aramid harus dikaitkan dengan kestabilan haba yang unggul, kehabluran tinggi, struktur orientasi tinggi dan prestasi tegangan tinggi. Suhu peralihan kaca yang tinggi dan kestabilan terma yang sangat baik membolehkan gentian aramid memastikan kestabilan struktur tahan hentaman pada suhu tinggi yang dihasilkan oleh hentakan balistik; kehabluran tinggi dan orientasi tinggi menghasilkan modulus yang tinggi, memastikan tindak balas yang cepat terhadap ubah bentuk paksi; keanjalan yang tinggi dan pemanjangan sederhana memberikan gentian aramid keliatan tinggi, supaya ia boleh berfungsi dengan berkesan apabila patah secara membujur. negara saya telah menjalankan penyelidikan mengenai plat kalis peluru aramid dan telah mencapai kemajuan dalam nisbah gentian matriks yang optimum.

Komponen utama tayar ialah getah. Untuk meningkatkan kekuatan, dawai keluli mula-mula digunakan sebagai bahan pengukuhan dalam industri. Walau bagaimanapun, disebabkan ketumpatan tinggi dawai keluli, manakala kekuatan tayar meningkat, ia akan meningkatkan berat badan kenderaan dan meningkatkan penggunaan tenaga. Dan disebabkan kehadiran wayar keluli, tayar akan menjadi lebih keras, lebih terdedah kepada benjolan, dan keselesaan akan berkurangan. Terutamanya dalam kenderaan berat, kapasiti galas beban sangat besar, dan keperluan untuk tayar lebih tinggi.

Berbanding dengan dawai keluli, kord aramid mempunyai ciri-ciri rintangan suhu tinggi, kekuatan tinggi, modulus tinggi dan ubah bentuk kecil, dan mempunyai fleksibiliti ketumpatan relatif rendah, rintangan keletihan dan rintangan ricih. Ia menggabungkan prestasi cemerlang dawai keluli, rayon, nilon dan tali poliester, dan dikenali sebagai "dawai keluli sintetik". Ia adalah bahan rangka yang paling ideal pada masa ini.

Kelebihan kord aramid ialah: ① Sebagai kord, bangkai tayar boleh dikurangkan daripada tiga lapisan kepada satu lapisan, berat tayar dikurangkan, rintangan rolling tayar dikurangkan, dan penggunaan bahan api dapat dikurangkan. ② Kesan ikatan tali aramid dan getah adalah lebih baik daripada dawai keluli, dan ia tidak mudah terjejas oleh kelembapan dan kelembapan. ③ Selepas menggunakan aramid sebagai kord, ketegaran dan rintangan haus tayar bertambah baik, dan hayat perkhidmatan tayar dilanjutkan. ④ Disebabkan oleh pengurangan bilangan bangkai, prestasi pemanduan dan keselesaan perjalanan kereta telah bertambah baik.

Walau bagaimanapun, kelemahan utama aramid sebagai kord ialah kosnya terlalu tinggi, teknologi pengeluaran adalah kompleks, dan peralatan khas diperlukan untuk pemprosesan.

Gentian Kevlar adalah pilihan terbaik untuk bahan tetulang hos. Pada masa ini, semakin banyak hos kereta, hos untuk industri kimia, hos untuk industri petroleum, pelbagai hos hidraulik untuk industri penerbangan dan hos marin menggunakan gentian Kevlar sebagai bahan tetulang. Chrysler dan Gates di Amerika Syarikat menggunakan gentian Kelver sebagai bahan tetulang untuk hos peranti penyejuk kereta untuk membuat hos penyejuk kereta dengan suhu kira-kira 150°C. Gates dan Goodall di Amerika Syarikat telah membuat gentian aramid menjadi hos berdiameter besar untuk loji tenaga nuklear, loji kimia dan penerokaan minyak. Diameter dalam ialah 25.4cm, setiap satunya adalah 12m panjang, tekanan kerja reka bentuk ialah 56kg/cm2, dan jejari lenturan ialah 1.5m.

3.4 Medan tetulang struktur jambatan
Kain gentian Aramid mempunyai pelbagai aplikasi dalam pengukuhan jambatan lama. Apabila menguatkan komponen, kain gentian aramid digunakan terutamanya untuk menahan ketegangan. Ia biasanya digunakan untuk bahagian tegangan rasuk, bahagian ricih rasuk dan tiang, dan tetulang kurungan tiang atau tiang jambatan. Selepas dua lapisan gentian aramid AFS-40 ditampal pada bahagian retak tiang jambatan, perkembangan retakan dikawal dan kapasiti galas jambatan telah bertambah baik dengan ketara.

3.5 Bidang Elektrik dan Elektronik
Gentian Aramid mempunyai sifat mekanikal yang sangat baik, sifat penebat elektrik, sifat penghantaran gelombang, dan kestabilan dimensi. Ia telah digunakan dalam bidang elektrik dan elektronik dalam papan litar bercetak khas untuk teknologi pelekap permukaan (SMT) dalam teknologi pemasangan mikroelektronik, penutup antena radar bawaan udara atau satelit, suapan antena radar komponen struktur berfungsi, dan komponen elektrik yang bergerak. Permukaan reflektif bagi berbilang antena parabola yang dibangunkan oleh RCA untuk berbilang satelit semuanya diperbuat daripada bahan komposit bertetulang fabrik aramid.

3.6 Bidang pakaian tahan haba dan pelindung
Bahan sut ruang ekstravehikular dikehendaki ringan, fleksibel, tahan haus, tahan hentaman dan mempunyai ketahanan mekanikal yang baik; rintangan kimia, rintangan haba, dan rintangan cahaya adalah baik, dan ia boleh menghalang pelbagai sinaran. Pada suhu ultra tinggi dan ultra rendah, dan di bawah sinaran cahaya haba tenaga tinggi, pelbagai sifat bahan adalah stabil. Fabrik serat aramid adalah bahan pilihan.

Kekuatan tinggi dan ketumpatan rendah aramid digunakan dalam pelbagai bidang. Dalam bidang plat pengedap, plat pengedap getah bertetulang gentian aramid yang diperbuat daripada gentian aramid dan bukannya gentian asbestos mempunyai prestasi pengedap yang baik dan tidak berbahaya kepada tubuh manusia. Dalam penyelidikan pad brek cakera, aramid mempunyai prestasi kehilangan geseran terbaik dan kekuatan ricih dalaman, dan dijangka digunakan dalam brek belakang kereta dan brek hadapan kereta mini dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Dari segi kapal, bahan komposit aramid boleh digunakan untuk mengurangkan berat badan kapal untuk meningkatkan kelajuan kapal; dalam bahan binaan, aramid digunakan untuk menggantikan asbestos untuk mengukuhkan simen dan menggantikan bahan logam untuk menyediakan struktur ringan dan struktur galas beban utama berkekuatan tinggi. Aramid juga boleh digunakan untuk membuat sut angkasa, sut api, dll. Aramid kini digunakan untuk menggantikan dawai keluli untuk membuat kabel bawah air, terutamanya kabel laut dalam. Gentian aramid juga ditambah ke bahagian luar tiang konkrit untuk menghalang pengembangan isipadu konkrit apabila ia rosak dan meningkatkan kekuatan dan rintangan seismiknya.

Sebagai ciptaan penting dalam industri gentian polimer pada abad ke-20, aramid digunakan dalam lebih banyak bidang kerana kekuatannya yang tinggi, ketumpatan rendah, rintangan suhu tinggi dan ciri-ciri lain. Penyelidikan mengenainya terutamanya tertumpu kepada penggunaan aramid sebagai bahan pengukuhan untuk membuat bahan komposit. Walau bagaimanapun, disebabkan penyediaan dan pemprosesan yang kompleks dan kos yang tinggi, aramid tidak boleh digunakan secara meluas pada masa ini. Oleh kerana gentian aramid mempunyai beberapa kumpulan berfungsi dan lekatan yang lemah pada matriks, ia mesti menjalani rawatan tepi atau penambahan pelekat. Penyelidikan dan pembangunan teknologi ini dapat meluaskan bidang aplikasi aramid.