Aramid là vật liệu tổng hợp hữu cơ có độ bền cao, mô đun cao, mật độ thấp, khả năng chống mài mòn cao và tính chất hóa học ổn định.
Tên đầy đủ của aramid là sợi polyamide thơm, là một vật liệu tổng hợp hữu cơ có độ bền cao, mô đun đàn hồi cao, mật độ thấp và khả năng chống mài mòn cao, đồng thời có các đặc tính hóa học ổn định. Năm 1974, Ủy ban Thương mại Liên bang Hoa Kỳ (FTC) đã đặt tên cho chúng là "sợi Aramid", được định nghĩa là: ít nhất 85% chuỗi amide (-CONH-) kết nối trực tiếp hai vòng benzen. Đầu những năm 1960, DuPont đã phát triển meta-aramid HF-1 có độ ổn định nhiệt tuyệt vời, cụ thể là sợi Nomex. Ở nước tôi, nó được gọi là aramid. Nó đã được phê duyệt là aramid 14 vào năm 1981 và aramid 1414 vào năm 1985. Do sợi aramid đơn lẻ có khuyết tật khi sử dụng và độ bền của nó giảm dần sau khi tiếp xúc với nước, aramid thường được chế tạo thành vật liệu composite và được sử dụng làm sợi gia cường trong vật liệu để thích ứng với các môi trường sử dụng khác nhau, đồng thời có thể cải thiện hiệu suất của vật liệu.
Phân loại và tính chất của aramid
1.1 Para-aramid Para-aramid, còn được gọi là PPTA (Poly-P-pheneleneferephthalamide), được phát triển thành công vào năm 1971 và đưa vào sản xuất vào năm sau. Cấu trúc chuỗi chính của nó rất đều đặn và các đại phân tử tồn tại ở trạng thái rất kéo dài. Nó chịu được nhiệt độ cao, lửa, ăn mòn hóa học, tính chất cơ học cao và khả năng chống mỏi, và có mật độ thấp. Độ bền của nó gấp 3 lần thép và gấp 4 lần sợi công nghiệp polyester có độ bền cao. Mô đun ban đầu của nó gấp 4 đến 10 lần sợi công nghiệp polyester và gấp hơn 10 lần sợi polyamide. Nó có độ ổn định tốt, không co ngót ở 150°C và vẫn có thể duy trì độ bền cao ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như 65% độ bền ban đầu ở 260°C. Nó có độ bám dính tốt với cao su và là một sợi dây lý tưởng. Chẳng hạn như Kevlar-49 của DuPont tại Hoa Kỳ, Twaron của Enka tại Hà Lan và aramid 1414 tại Trung Quốc.
1.2 Meta-aramid Meta-aramid, còn được gọi là MPIA (Poly-m-phenyleneisophthalamide), bắt đầu được nghiên cứu vào năm 1956 và được công nghiệp hóa vào năm 1967. Chuỗi đại phân tử của meta-aramid có dạng zíc zắc và có các tính chất vật lý và cơ học tuyệt vời, chẳng hạn như độ bền và độ giãn dài sau khi đứt. Các đặc điểm nổi bật của nó là khả năng chống cháy và chống oxy hóa tuyệt vời. Sau khi sử dụng liên tục ở nhiệt độ 260°C trong 1.000 giờ, độ bền của nó vẫn có thể duy trì 65% độ bền ban đầu; sau khi sử dụng ở nhiệt độ cao 300°C trong 7 ngày, nó vẫn có thể duy trì độ bền ban đầu. Nó có thể cháy và có đặc tính tự dập tắt sau khi rời khỏi ngọn lửa; nó có độ ổn định tốt trong axit, kiềm, chất tẩy trắng, chất khử và dung môi hữu cơ. Nó cũng có khả năng chống bức xạ tốt. Những nhược điểm của nó giống như nylon, độ ổn định kém với ánh sáng mặt trời và khó nhuộm.
1.3 So sánh hiệu suất của aramid với các loại sợi khác Aramid có tính chất cơ học tốt. So với các loại sợi khác, aramid có đặc tính chịu nhiệt độ cao, độ giãn dài nhỏ, mô đun đàn hồi cao và độ bền cao, đặc biệt là para-aramid (sợi Kevlar) vượt trội hơn hẳn.
Chuẩn bị vật liệu composite aramid
Sợi aramid, giống như sợi thủy tinh, có các dạng sản phẩm như sợi xoắn, sợi thô không xoắn, các quy cách khác nhau của vải, băng, nỉ và sợi cắt nhỏ. Có hai loại vật liệu composite chính: composite quấn sợi-sợi và composite sợi-nhựa hoặc cao su.
2.1 Đúc composite sợi-sợi
Quấn ướt và quấn khô là hai phương pháp chính để đúc khuôn quấn vật liệu composite. Ưu điểm chính của quấn khô là dễ kiểm soát hàm lượng keo hơn. Do đó, trước đây, việc đúc bình chứa áp suất cao composite luôn sử dụng một khuôn quấn khô duy nhất. Tuy nhiên, quấn ướt có ưu điểm là chi phí sản phẩm thấp, ít hao mòn sợi, tỷ lệ rỗng thấp và hiệu quả sản xuất cao, và được áp dụng rộng rãi ở nước ngoài. Trước đây, nước tôi luôn áp dụng phương pháp đúc khô và đã phát triển hàng chục công thức kết dính đúc khô. Một số công thức như 4304 và 4303A đã được sử dụng thành công trong các động cơ tên lửa đẩy nhiên liệu rắn cỡ lớn. Quy trình như sau: nới lỏng sợi aramid → trộn → đúc → xử lý nhiệt → nghiền → thành phẩm.
Đúc quấn ướt giống như đúc khô. Ma trận nhựa phải có một số tính chất cơ học nhất định. Đồng thời, độ nhớt của hệ thống ma trận phải được kiểm soát trong một phạm vi nhất định để đảm bảo bó sợi có thể được tẩm hoàn toàn trong quá trình đúc. Có hai cách chính để giảm độ nhớt của hệ thống: (a) Chọn chất pha loãng hoạt tính có độ nhớt thấp hợp lý. Độ nhớt của hệ thống thường đáp ứng các yêu cầu của quá trình tẩm, nhưng đồng thời các tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt của hệ thống bị giảm đáng kể. Sau khi sàng lọc, một chất pha loãng hỗn hợp được sử dụng và đáp ứng các yêu cầu thiết kế ở một mức độ nhất định. (b) Chọn chất đóng rắn dạng lỏng. Việc bổ sung chất đóng rắn dạng lỏng có thể làm giảm độ nhớt của hệ thống công thức ở một mức độ nhất định. Thiếu nghiên cứu sâu hơn về công thức ướt và công nghệ đúc công thức ướt của sợi aramid và công nghệ công thức ướt hiệu suất cao là công nghệ then chốt cần được giải quyết trước tiên trong đúc quấn ướt.
2.2 Khuôn đúc composite sợi và nhựa
Phương pháp đúc giống như phương pháp đúc sợi thủy tinh, bao gồm quấn, xếp thủ công, tẩm, túi chân không, nén và phun, có thể được lựa chọn theo nhu cầu. Các loại nhựa thường được kết hợp với sợi aramid bao gồm epoxy, phenolic, polyester không bão hòa, vinyl este, polyimide, v.v. Trong những năm gần đây, chúng cũng được sử dụng kết hợp với nylon, PBT, v.v. Trong nghiên cứu về tính chất kéo của vật liệu composite sợi hỗn hợp aramid/polypropylene đơn hướng, Zhang Maolin và cộng sự đã sử dụng sợi filament không xoắn aramid (vật liệu gia cường) làm sợi dọc và sợi polypropylene (sợi nền) làm sợi ngang để dệt một loại tiền polyme nhiệt dẻo với kiểu dệt trơn. Vật liệu composite được chế tạo dưới nhiệt độ và áp suất nhất định, và mật độ sợi dọc và sợi ngang được điều chỉnh để kiểm soát thành phần của vật liệu. Dây làm bằng aramid ngày càng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp lốp ô tô. Công nghệ vật liệu composite aramid và cao su đang phát triển nhanh chóng. Do sợi aramid có ít nhóm chức năng hoạt động nên việc liên kết với cao su gặp nhiều khó khăn. Để giải quyết vấn đề liên kết, các biện pháp sau đây thường được áp dụng: một mặt, điều chỉnh hoặc cải tiến công thức và quy trình của hệ thống tẩm. Hiện nay, tẩm hai bể hoặc chất kết dính tẩm đặc biệt được thêm vào tẩm một bể; mặt khác, chất kết dính được thêm vào thiết kế công thức hợp chất cao su. Nhờ hiệu ứng hiệp đồng của hai khía cạnh trên, hiệu quả liên kết lý tưởng hơn đã đạt được.
Hiệu suất và ứng dụng của vật liệu composite aramid
Ứng dụng của vật liệu aramid chủ yếu dựa trên các đặc tính tuyệt vời của nó như độ bền cao và mô đun đàn hồi cao.
3.1 Trường chống đạn
Độ bền cao của aramid được ưa chuộng bởi mọi tầng lớp xã hội, đặc biệt là quân đội. Mũ bảo hiểm hiện đại có nguồn gốc từ Thế chiến thứ nhất và được sử dụng để giảm tỷ lệ thương vong của binh lính. Sau Thế chiến thứ hai cho đến những năm 1970, mũ bảo hiểm chống đạn của quân đội đều là mũ bảo hiểm bằng thép, hầu hết là thép mangan cao hoặc thép đặc biệt và vỏ mũ bảo hiểm chủ yếu được dập. Mũ bảo hiểm nylon chủ yếu được sử dụng ở Vương quốc Anh và Israel. Có một lớp chống sốc bằng bọt polyethylene mật độ cao trong mũ bảo hiểm để cải thiện sự thoải mái. Mũ bảo hiểm aramid là vải aramid nhiều lớp được liên kết bằng nhựa đặc biệt và đúc ở nhiệt độ và áp suất cao. Mũ bảo hiểm aramid được DuPont phát triển vào những năm 1970. Ưu điểm của chúng là độ bền cao, trọng lượng nhẹ và hiệu suất bảo vệ tốt. Chúng được ngày càng nhiều quốc gia áp dụng.
Khả năng chống va đập đạn đạo của sợi aramid được cho là nhờ độ ổn định nhiệt vượt trội, độ kết tinh cao, cấu trúc định hướng cao và hiệu suất kéo đứt cao. Nhiệt độ chuyển thủy tinh cao và độ ổn định nhiệt tuyệt vời cho phép sợi aramid đảm bảo độ ổn định của các cấu trúc chống va đập ở nhiệt độ cao do va đập đạn đạo gây ra; độ kết tinh cao và độ định hướng cao tạo ra mô đun đàn hồi cao, đảm bảo phản ứng nhanh với biến dạng dọc trục; độ đàn hồi cao và độ giãn dài trung bình mang lại cho sợi aramid độ bền cao, do đó chúng có thể hoạt động hiệu quả ngay cả khi bị đứt theo chiều dọc. Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu về tấm chống đạn aramid và đã đạt được những tiến bộ trong việc tối ưu hóa tỷ lệ nền sợi.
3.2 Lĩnh vực lốp xe
Thành phần chính của lốp xe là cao su. Để tăng cường độ bền, dây thép ban đầu được sử dụng làm vật liệu gia cố trong công nghiệp. Tuy nhiên, do mật độ dây thép cao, khi độ bền của lốp xe tăng lên, trọng lượng thân xe sẽ tăng lên và mức tiêu thụ năng lượng cũng tăng theo. Hơn nữa, do sự hiện diện của dây thép, lốp xe sẽ trở nên cứng hơn, dễ bị xóc hơn và độ êm ái sẽ giảm. Đặc biệt là ở xe hạng nặng, khả năng chịu tải rất lớn, yêu cầu về lốp xe cũng cao hơn.
So với dây thép, dây aramid có đặc tính chịu nhiệt độ cao, độ bền cao, mô đun đàn hồi cao và biến dạng nhỏ, đồng thời có độ mềm dẻo với mật độ tương đối thấp, khả năng chống mỏi và chống cắt. Nó kết hợp hiệu suất tuyệt vời của dây thép, sợi rayon, nylon và polyester, được gọi là "dây thép tổng hợp". Đây là vật liệu khung xương lý tưởng nhất hiện nay.
Ưu điểm của dây aramid là: ① Là một loại dây, có thể giảm bớt ba lớp vỏ lốp xuống còn một lớp, giảm trọng lượng lốp, giảm lực cản lăn của lốp và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. ② Hiệu ứng liên kết giữa dây aramid và cao su tốt hơn so với dây thép, không dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm. ③ Sau khi sử dụng aramid làm dây, độ cứng và khả năng chống mài mòn của lốp được cải thiện, kéo dài tuổi thọ của lốp. ④ Nhờ số lượng vỏ lốp giảm, hiệu suất lái và sự thoải mái khi lái xe của xe đã được cải thiện đáng kể.
Tuy nhiên, nhược điểm chính của dây aramid là chi phí quá cao, công nghệ sản xuất phức tạp và cần có thiết bị đặc biệt để xử lý.
3.3 Lĩnh vực đường ống
Sợi Kevlar là lựa chọn tốt nhất cho vật liệu gia cố ống. Hiện nay, ngày càng nhiều ống dẫn ô tô, ống dẫn công nghiệp hóa chất, ống dẫn công nghiệp dầu khí, các loại ống dẫn thủy lực công nghiệp hàng không và hàng hải sử dụng sợi Kevlar làm vật liệu gia cố. Chrysler và Gates tại Hoa Kỳ sử dụng sợi Kelver làm vật liệu gia cố cho ống dẫn thiết bị làm mát ô tô để chế tạo ống dẫn làm mát ô tô có nhiệt độ khoảng 150°C. Gates và Goodall tại Hoa Kỳ đã chế tạo sợi aramid thành ống dẫn đường kính lớn cho các nhà máy điện hạt nhân, nhà máy hóa chất và thăm dò dầu khí. Đường kính trong là 25,4cm, mỗi ống dài 12m, áp suất làm việc thiết kế là 56kg/cm² và bán kính uốn cong là 1,5m.
3.4 Lĩnh vực gia cố kết cấu cầu
Vải sợi aramid có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong gia cố cầu cũ. Khi gia cố các cấu kiện, vải sợi aramid chủ yếu được sử dụng để chịu lực kéo. Nó thường được sử dụng cho các bộ phận chịu kéo của dầm, bộ phận chịu cắt của dầm và cột, và gia cố giới hạn cho cột hoặc trụ cầu. Sau khi dán hai lớp sợi aramid AFS-40 lên các phần nứt của trụ cầu, sự phát triển vết nứt được kiểm soát và khả năng chịu lực của cầu được cải thiện đáng kể.
3.5 Trường điện và điện tử Sợi aramid có các đặc tính cơ học, cách điện, truyền sóng và ổn định kích thước tuyệt vời. Nó đã được sử dụng trong lĩnh vực điện và điện tử, bao gồm các bảng mạch in đặc biệt cho công nghệ lắp ráp bề mặt (SMT), công nghệ lắp ráp vi điện tử, vỏ ăng-ten radar trên không hoặc vệ tinh, các thành phần cấu trúc chức năng cấp nguồn cho ăng-ten radar và các thành phần điện chuyển động. Các bề mặt phản xạ của nhiều ăng-ten parabol do RCA phát triển cho nhiều vệ tinh đều được làm bằng vật liệu composite gia cường vải sợi aramid.
3.6 Lĩnh vực quần áo bảo hộ và chịu nhiệt
Vật liệu chế tạo bộ đồ du hành vũ trụ ngoài tàu vũ trụ cần phải nhẹ, linh hoạt, chịu mài mòn, chịu va đập và có độ bền cơ học tốt; khả năng kháng hóa chất, chịu nhiệt và chịu ánh sáng tốt, đồng thời có thể ngăn ngừa nhiều loại bức xạ. Ở nhiệt độ cực cao và cực thấp, cũng như dưới bức xạ ánh sáng nhiệt năng lượng cao, các đặc tính khác nhau của vật liệu đều ổn định. Vải sợi aramid là vật liệu được ưu tiên.
3.7 Các lĩnh vực khác
Độ bền cao và mật độ thấp của aramid được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực tấm đệm kín, tấm đệm kín bằng cao su gia cường sợi aramid được làm từ sợi aramid thay vì sợi amiăng có hiệu suất bịt kín tốt và vô hại đối với cơ thể con người. Trong nghiên cứu về má phanh đĩa, aramid có hiệu suất giảm ma sát và độ bền cắt bên trong tốt nhất, và dự kiến sẽ được sử dụng trong phanh sau của ô tô và phanh trước của xe mini trong những năm gần đây. Về tàu thủy, vật liệu composite aramid có thể được sử dụng để giảm trọng lượng thân tàu, tăng tốc độ tàu; trong vật liệu xây dựng, aramid được sử dụng để thay thế amiăng để gia cố xi măng và thay thế vật liệu kim loại, tạo ra kết cấu nhẹ và kết cấu chịu lực chính có độ bền cao. Aramid cũng có thể được sử dụng để chế tạo bộ đồ du hành vũ trụ, bộ đồ cứu hỏa, v.v. Aramid hiện được sử dụng để thay thế dây thép trong chế tạo cáp ngầm, đặc biệt là cáp ngầm dưới biển sâu. Sợi aramid cũng được thêm vào bên ngoài các cột bê tông để ức chế sự giãn nở thể tích của bê tông khi bị hư hỏng, đồng thời cải thiện độ bền và khả năng chống động đất của nó.
Là một phát minh quan trọng trong ngành công nghiệp sợi polymer của thế kỷ 20, aramid ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ độ bền cao, mật độ thấp, khả năng chịu nhiệt độ cao và các đặc tính khác. Nghiên cứu về aramid chủ yếu tập trung vào việc sử dụng aramid làm vật liệu gia cường để chế tạo vật liệu composite. Tuy nhiên, do quy trình chế tạo và xử lý aramid phức tạp cùng chi phí cao, hiện nay aramid chưa được sử dụng rộng rãi. Do sợi aramid có ít nhóm chức năng và độ bám dính kém với nền, chúng phải trải qua quá trình xử lý cạnh hoặc bổ sung chất kết dính. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ này có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của aramid.
