เรียนรู้เกี่ยวกับวัสดุคอมโพสิตเส้นใยอะรามิด รวมถึงคุณสมบัติการทนแรงกระแทก น้ำหนักเบา ความแข็ง ความทนทานต่อการสึกหรอ และการใช้งานที่สำคัญในด้านการทหารและอุตสาหกรรม
เส้นใยอะรามิดหรือที่เรียกว่า "โพลี (p-phenylene terephthalamide)" มีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม เช่น มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ โมดูลัสสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อกรดและด่าง และมีน้ำหนักเบา เส้นใยอะรามิดได้รับการพัฒนาและจำหน่ายในเชิงพาณิชย์อย่างประสบความสำเร็จในช่วงทศวรรษปี 1960 โดยดูปองท์ (ภายใต้ชื่อทางการค้าเคฟลาร์) ดังนั้น ก่อนการถือกำเนิดของคาร์บอนไฟเบอร์ เส้นใยอะรามิดจึงครองตลาดเส้นใยประสิทธิภาพสูง
1. ประวัติโดยย่อของการพัฒนาเส้นใยอะรามิด
ในทศวรรษ 1960 ดูปองท์เป็นบริษัทแรกในโลกที่แนะนำและผลิตเส้นใยอะรามิดภายใต้เครื่องหมายการค้าจดทะเบียนเคฟลาร์ เส้นใยอะรามิดจำหน่ายในตลาดมาตั้งแต่ปี 1973 อะรามิดถูกค้นพบโดยนักเคมีหญิงชาวโปแลนด์ Stephanie Kwolek ซึ่งกำลังทำการวิจัยโดยหวังว่าจะพบวัสดุน้ำหนักเบาและแข็งแรงเป็นพิเศษเพื่อใช้ทดแทนไนลอนในการผลิตยางรถยนต์
ผู้ประดิษฐ์เส้นใยเคฟลาร์ – Stephanie Kwolek นักเคมีหญิงชาวโปแลนด์
ปัจจุบัน วัสดุคอมโพสิตอะรามิดที่มีชื่อเสียงที่สุดคือเส้นใยเคฟลาร์ของดูปองท์ เมื่อเวลาผ่านไป ซัพพลายเออร์รายอื่นๆ ได้จัดหาอะรามิดภายใต้ชื่อทางการค้าที่แตกต่างกัน รวมถึง: Nomex จาก DuPont, Twaron และ Technora จาก Teijin แห่งญี่ปุ่น, Arawin จาก Toray แห่งเกาหลีใต้, Kolon จาก Heracron แห่งเกาหลีใต้ และผลิตภัณฑ์บางอย่างจากบริษัทจีน
ดังนั้นวัสดุใดๆ ก็ตามที่เรียกว่า Kevlar, Twaron หรือ Nomex แท้จริงแล้วหมายถึงอะรามิด ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษ ได้แก่ ทนต่อแรงกระแทกและการเสียดสีได้ดีเยี่ยม ทนต่ออุณหภูมิสูง และมีน้ำหนักเบา เนื่องจากคุณลักษณะเหล่านี้ วัสดุนี้จึงถูกใช้บ่อยครั้งในกองทัพบก กองทัพอากาศ กีฬาทางน้ำ และมอเตอร์สปอร์ต รวมถึงในการผลิตยางรถยนต์ เสื้อผ้า ถุงมือป้องกัน และการใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย
ถุงมือป้องกันที่ทำจากวัสดุเส้นใยอะรามิด
2.1 ทนต่อแรงกระแทกและการแตกร้าวสูง
เส้นใยอะรามิดมีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดีเยี่ยม และไม่แตกร้าวภายใต้แรงกดดัน เนื่องจากมีความเหนียวและความสามารถในการดูดซับพลังงานจำนวนมาก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเสื้อเกราะกันกระสุน เรือ เรือคายัค และชุดเกราะสำหรับส่วนประกอบของยานพาหนะทางทหาร ความต้านทานแรงกระแทกของคอมโพสิตเส้นใยอะรามิดเป็นห้าเท่าของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ (ทดสอบโดยใช้วิธีการกระแทกแบบน้ำหนักตก) ความสามารถในการต้านทานแรงกระแทกหรือความสามารถในการกันกระสุนเป็นพิเศษนี้เนื่องมาจากสายโซ่อะตอมขนาดยาวที่สร้างเป็นโครงสร้างอะรามิด
ด้วยคุณสมบัติต้านทานแรงกระแทกที่ยอดเยี่ยม เส้นใยอะรามิดจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานทางทหารเพื่อผลิตเสื้อกันกระสุนและวัสดุเกราะรถถัง โดยทั่วไปเสื้อเกราะกันกระสุนจะทำจากวัสดุที่ประกอบด้วยอะรามิดหลายสิบชั้น (เช่น เคฟลาร์) โดยมีแผ่นเซรามิกอยู่ระหว่างสองชั้น เกราะป้องกันที่ใช้ในยานเกราะบางรุ่นทำจากวัสดุเหล็ก-อะรามิด-เหล็ก ซึ่งสามารถทนต่อขีปนาวุธต่อต้านรถถังที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 700 มม.
เส้นใยอะรามิดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเสื้อเกราะกันกระสุน
นอกจากนี้ นอกเหนือจากการปกป้องตัวถังแล้ว เกราะเหล็ก-อะรามิด-เหล็กยังปกป้องลูกเรือด้วยการดูดซับพลังงานจลน์ที่เกิดจากขีปนาวุธเจาะทะลุ การใช้งานอีกประการหนึ่งของเคฟลาร์คือในโบอิ้ง AH-64 เฮลิคอปเตอร์โจมตีของกองทัพสหรัฐฯ ที่ติดตั้งใบพัดเคฟลาร์ ที่นี่เคฟล่าร์ให้การป้องกันกระสุนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุด 23 มม.
เส้นใยอะรามิดช่วยป้องกันกระสุนสำหรับเฮลิคอปเตอร์
เนื่องจากทนต่อแรงกระแทกได้สูง เคฟลาร์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างเรือและเรือคายัค เช่น ตัวเรือยอทช์ที่ออกแบบมาสำหรับ Volvo Ocean Race ซึ่งเป็นหนึ่งในความท้าทายด้านกีฬาที่มีความต้องการมากที่สุด เรือคายัคประสิทธิภาพสูงสำหรับกีฬาทางน้ำส่วนใหญ่ผลิตจากเส้นใยอะรามิดหรือวัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์/เส้นใยอะรามิด
เส้นใยอะรามิดช่วยปกป้องเรือคายัคจากความเสียหาย
2.2 ความหนาแน่นต่ำ/น้ำหนักต่ำ
เส้นใยอะรามิดมีน้ำหนักต่ำมาก ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบในการผลิตวัสดุคอมโพสิต แม้ว่าคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จะถือว่ามีน้ำหนักเบามาก แต่คอมโพสิตเส้นใยอะรามิดจะเบากว่าคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ประมาณ 20% การใช้ผ้าอะรามิดในวัสดุคอมโพสิตช่วยเพิ่มความทนทานต่อแรงกระแทกและการสึกหรอ และช่วยลดน้ำหนักของส่วนประกอบคอมโพสิต
ความหนาแน่นของเส้นใยอะรามิดอยู่ที่ประมาณ 1.45 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ในขณะที่ความหนาแน่นของวัสดุคอมโพสิตอะรามิด-อีพอกซีเรซินอยู่ที่ประมาณ 1.3 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร การคำนวณนี้อิงตามความหนาแน่นผสมของอีพอกซีเรซินและสารทำให้แข็ง (~1.1 ก./ซม.) และเทคโนโลยีขั้นสูงที่ใช้ในการผลิตวัสดุคอมโพสิต ได้แก่ พรีเพกแบบนึ่งฆ่าเชื้อ แม้ว่าคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งโดยทั่วไปถือว่ามีน้ำหนักเบามาก มีความหนาแน่นประมาณ 1.55 g/cm³ แต่คอมโพสิตไฟเบอร์อะรามิดจะเบากว่า 20%
น้ำหนักของอะรามิดไฟเบอร์คอมโพสิตเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะเป็นอย่างไร อะลูมิเนียม 2.7 ก./ซม. ไทเทเนียม 4.5 ก./ซม. และเหล็ก 7.9 ก./ซม. 3 ดังนั้น คอมโพสิตไฟเบอร์อะรามิดจึงเบาเป็นสองเท่าของอลูมิเนียม เบากว่าไททาเนียมสามหรือสี่เท่า และเบากว่าเหล็กหกเท่า
2.3 ความแข็งปานกลางระหว่างใยแก้วและคาร์บอนไฟเบอร์
คอมโพสิตใยอะรามิดมีความแข็งสูงกว่าคอมโพสิตใยแก้ว แต่จะต่ำกว่าคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์อย่างมาก เช่นเดียวกับเส้นใยคาร์บอน เส้นใยอะรามิดมีหลายประเภท รวมถึงเส้นใยมาตรฐาน ปานกลาง และโมดูลัสสูง ซึ่งมีความแข็งและความแข็งแรงต่างกัน
ความแข็งของเส้นใยประเภทต่างๆ มีดังนี้
ผ้าใยแก้ว – ตั้งแต่ 72 GPa (E-glass มาตรฐาน) ถึง 87 GPa (ผ้าใยแก้วเสริมความแข็งแรง S)
ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ – ตั้งแต่ 230 GPa (Toray T300) ถึง 588 GPa (Toray HM เกรด M60J)
ผ้าใยอะรามิด – ตั้งแต่ 96 GPa (อะรามิดมาตรฐาน เช่น เคฟลาร์ 129) ถึง 186 GPa (อะรามิดที่ใช้ในอุตสาหกรรมอากาศยาน/การบิน เช่น เคฟลาร์ 149)
โดยสรุป คอมโพสิตอะรามิดที่ทำจากผ้ามาตรฐานมีความแข็งสูงกว่าคอมโพสิตใยแก้ว 30-40% แต่จะต่ำกว่า 50% เมื่อเทียบกับคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์
2.4 ความต้านทานต่อการขัดถู
คอมโพสิตไฟเบอร์อะรามิดมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบที่สึกหรอง่าย เช่น แผ่นกันลื่นที่ปกป้องเครื่องยนต์ของรถแข่ง อะรามิดมักใช้ในอุตสาหกรรมสกัด (เช่น การทำเหมือง) เพื่อเสริมกำลังสายพานลำเลียงยาง เพื่อให้มั่นใจถึงความแข็งแกร่งและความทนทานต่อการเสียดสีที่สูงขึ้น ตามที่ผู้ผลิตเคฟล่าร์เสริมแรงนี้สามารถเพิ่มความต้านทานการเสียดสีได้ 50-70% เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ วัสดุนี้จึงสามารถนำไปใช้ในวัสดุคอมโพสิตและชุดทำงาน เช่น ถุงมือนิรภัยป้องกันการบาดโดยใช้ผ้าอะรามิด เช่น Twaron หรือ Kevlar 2.5 ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ
คอมโพสิตไฟเบอร์อะรามิดมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำประมาณ 3.85 (ที่ 10 GHz) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงสัญญาณทะลุผ่านและความแรงที่ดีผ่านฝาครอบป้องกัน/เรโดมของอะรามิด เสาอากาศประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อวัตถุประสงค์ทางทหาร เช่น บนเครื่องบินทหาร
เส้นใยอะรามิดที่ใช้ในเรโดมทางการทหาร
เคส/เรโดมไฟเบอร์อะรามิดช่วยปกป้องเสาอากาศจากความเสียหาย และรับประกันประสิทธิภาพสัญญาณที่ดี ในทางตรงกันข้าม วัสดุคอมโพสิตใยแก้ว E มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ 6.1 (ที่ 10 GHz) ส่งผลให้กำลังและประสิทธิภาพของสัญญาณเสาอากาศลดลง 60% นอกจากอะรามิดแล้ว ยังใช้เส้นใยควอตซ์ด้วย โดยมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ 3.78 (ที่ 10 GHz)
2.6 ลักษณะอื่นๆ
เส้นใยอะรามิดมีลักษณะการขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ มีความเสถียรมากที่อุณหภูมิสูง โดยมีการขยายตัวเนื่องจากความร้อนเกือบเป็นศูนย์ และมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนติดลบเล็กน้อย เทียบเท่ากับ (-2.4 x 10⁻⁶ /°C) เส้นใยอะรามิดเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยมและไม่นำไฟฟ้า
คุณสมบัติพิเศษของคอมโพสิตไฟเบอร์อะรามิดเกี่ยวข้องกับการดูดซับแรงสั่นสะเทือน ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตส่วนประกอบที่ทนทานต่อการสั่นสะเทือน เช่น ส่วนประกอบโครงสร้างเครื่องบิน
2.7 วัสดุผสมผสมกับผ้าอื่นๆ
ผ้าใยอะรามิดสามารถปรับพาราเมตริกได้ตามต้องการเพื่อใช้ในคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และคอมโพสิตใยแก้ว ช่วยให้ซัพพลายเออร์ผลิตภัณฑ์คอมโพสิตมีความเป็นไปได้ที่หลากหลาย
สำหรับคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ สามารถปรับปรุงความต้านทานแรงกระแทกได้โดยการเพิ่มผ้าใยอะรามิดหลายชั้น คอมโพสิตไฮบริดที่ประกอบด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ 50% และเส้นใยอะรามิด 50% มีความต้านทานแรงกระแทกดีขึ้นถึง 25% เมื่อเทียบกับวัสดุคอมโพสิตที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์เพียงอย่างเดียว
ผ้าผสมเส้นใยอะรามิด-คาร์บอนไฟเบอร์
