ความก้าวหน้าการวิจัยการประยุกต์ใช้พาราอะรามิด

การประยุกต์ใช้พาราอะรามิดต้องเผชิญกับปัญหาสำคัญสามประการ ได้แก่ ความต้านทานรังสียูวีต่ำ ความแข็งแรงในแนวแกนต่ำ และการยึดเกาะกับเรซินไม่ดี ข้อบกพร่องเหล่านี้จำกัดการประยุกต์ใช้พาราอะรามิดในวัสดุคอมโพสิตและสาขาอื่นๆ

การประยุกต์ใช้พาราอะรามิดระบุว่าการใช้งานกลางแจ้งเป็นเวลานานเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้นการปรับปรุงความต้านทานรังสียูวีจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ความต้านทานรังสียูวีที่ต่ำของอะรามิดเกิดจากวงแหวนเบนซีนและหมู่คาร์บอนิลจำนวนมากในโครงสร้าง โครงสร้างคอนจูเกตนี้จะดูดซับพลังงานรังสียูวีและทำให้พันธะเอไมด์แตกสลาย มีการศึกษามากมายเกี่ยวกับการปรับปรุงความต้านทานรังสียูวีของอะรามิด วิธีการทั่วไป ได้แก่ การเคลือบผิวเส้นใย การต่อกิ่งสารดูดซับรังสียูวีหรือสารป้องกันรังสียูวี เป็นต้น ตัวอย่างเช่น การนำ TiO2 และ ZnO มาใช้กับพื้นผิวเส้นใย หลักการคือการกระเจิงรังสียูวีผ่าน TiO2 หรือ ZnO ซึ่งจะช่วยลดการดูดซับรังสียูวีของตัวเส้นใย การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่า หลังจากการฉายรังสี UV เป็นเวลา 168 ชั่วโมง เส้นใยเคฟลาร์ที่มีนาโน TiO2 ต่ออยู่บนพื้นผิวยังคงรักษาความแข็งแรงแรงดึงได้ 90% ในขณะที่เส้นใยเคฟลาร์ที่ไม่ได้รับการเคลือบสามารถรักษาความแข็งแรงแรงดึงได้เพียง 75% หลังจากการฉายรังสีในระยะเวลาเดียวกัน

ข้อเสียอีกประการหนึ่งของพารา-อะรามิดในฐานะวัสดุเสริมแรงแบบคอมโพสิตคือมีความแข็งแรงอัดตามแนวแกนต่ำ โดยทั่วไปความแข็งแรงอัดของอะรามิดจะอยู่ที่ 200-400 เมกะปาสคาล ซึ่งน้อยกว่า 1 ใน 10 ของความแข็งแรงดึง และต่ำกว่าความแข็งแรงอัดของคาร์บอนไฟเบอร์ (มากกว่า 1.0 กิกะปาสคาล) มาก ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการนำไปใช้ในวัสดุคอมโพสิตและสาขาอื่นๆ นักวิชาการหลายท่านได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการปรับปรุงความแข็งแรงอัดตามแนวแกนของอะรามิด เช่น การอบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 400°C เพื่อเชื่อมเส้นใย แม้ว่าความแข็งแรงอัดของเส้นใยจะเพิ่มขึ้นมากกว่า 2.5 เท่าหลังจากการอบด้วยความร้อน แต่ความแข็งแรงดึงของเส้นใยกลับลดลงอย่างมาก ซึ่งบ่งชี้ว่าสายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่มีการเสื่อมสภาพในระดับหนึ่งระหว่างกระบวนการอบด้วยความร้อน นักวิจัยบางท่านยังได้นำหมู่ที่เชื่อมขวางเข้าสู่สายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่โดยตรงผ่านการโคพอลิเมอไรเซชัน Tao Jiang และคณะ นำเสนอโครงสร้างเบนโซไซโคลบิวทีน (XTA) ที่สามารถเชื่อมขวางได้ที่อุณหภูมิสูงเข้าสู่สายโมเลกุลขนาดใหญ่ของ PPTA ผ่านการโคพอลิเมอไรเซชัน ที่อุณหภูมิสูงกว่า 320°C โครงสร้างเบนโซไซโคลบิวทีนจะเริ่มเชื่อมขวาง และระดับการเชื่อมขวางจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามอุณหภูมิและเวลาที่ใช้ในการอบชุบด้วยความร้อนที่เพิ่มขึ้น หลังจากอบเส้นใย PPTA-co-XTA ที่อุณหภูมิ 330°C เป็นเวลา 10 วินาที พบว่ายังคงมีโครงสร้างไมโครไฟบริลจำนวนมากอยู่ภายในเส้นใย อย่างไรก็ตาม หลังจากอบที่อุณหภูมิ 410°C เป็นเวลา 120 วินาที หน้าตัดของเส้นใยมีลักษณะแบนราบและเรียบ ไม่พบโครงสร้างไมโครไฟบริลใดๆ บ่งชี้ว่ามีโครงสร้างเชื่อมขวางขนาดใหญ่เกิดขึ้นระหว่างไมโครไฟบริล อย่างไรก็ตาม การทดสอบคุณสมบัติเชิงกลแสดงให้เห็นว่าความต้านทานแรงดึงของเส้นใยลดลงอย่างมีนัยสำคัญหลังจากการเชื่อมขวาง เนื่องจากกระบวนการเชื่อมขวางที่อุณหภูมิสูงย่อมส่งผลให้เกิดการเสื่อมสภาพในระดับหนึ่ง ส่งผลให้ความแข็งแรงแรงดึงลดลง

แผนผังแสดงหลักการดัดแปลงพื้นผิว TiO2 ของพาราไฟเบอร์เพื่อปรับปรุงความต้านทานรังสียูวี

บางคนเสนอให้เคลือบชั้นวัสดุอนินทรีย์ที่มีความแข็งแรงรับแรงอัดสูง เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) บนพื้นผิวเส้นใย อย่างไรก็ตาม การเคลือบจะส่งผลต่อความสามารถในการเปียกของเส้นใยกับเรซิน และความหนาของการเคลือบจะส่งผลต่อความเหนียวของเส้นใย อีกวิธีหนึ่งที่นิยมใช้กันคือการเพิ่มปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลด้วยพันธะไฮโดรเจน ยกตัวอย่างเช่น เส้นใย Armos ที่ผลิตในรัสเซียถูกโคพอลิเมอร์แบบเทอร์นารี (ternary copolymerization) โดยการนำโมโนเมอร์ไดอะมีนที่มีโครงสร้างเบนซิมิดาโซลมาใช้ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพันธะไฮโดรเจนระหว่างสายโมเลกุลขนาดใหญ่ถูกปรับปรุงให้ดีขึ้น และมีความแข็งแรงรับแรงอัดสูงกว่าเส้นใยอะรามิด VICWA ถึง 1.39 เท่า อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงความแข็งแรงรับแรงอัดของพาราอะรามิดให้มากขึ้นยังคงเป็นปัญหาสำคัญ

ข้อเสียอีกประการหนึ่งของพารา-อะรามิดที่ใช้เป็นวัสดุเสริมแรงแบบคอมโพสิตคือมีการยึดเกาะที่ไม่ดีกับเรซินเมทริกซ์ ซึ่งจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเส้นใย วิธีการทั่วไป ได้แก่ การต่อกิ่งด้วยสารเคมี การรักษาด้วยพลาสมา การฉายรังสี การกัดด้วยสารเคมี และการฟลูออไรด์โดยตรง ซึ่งเทคโนโลยีฟลูออไรด์โดยตรงถือเป็นวิธีการปรับสภาพพื้นผิวที่ค่อนข้างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเพิ่งเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา