Aramid Fibers의 분자 구조

Aramid 섬유는 아미드 결합에 의해 연결되는 방향 반지로 구성된 그들의 엄밀한, 막대 같이 중합체 사슬에 의해 정의됩니다. 이 구조는 방향성 반지에 관계되는 아미드 유대의 파라오디션에서 파생됩니다 향기로운 반지에 관계되는 것은 예외로 뻣뻣하고 높게 결정적인 분자 배열을 창조합니다. 가장 상업적으로 뜻깊은 아람드는 poly-]p - 페닐렌 테트라페타인 (PPA)는, 인열성 및 인열성 물질의 감소를 위해, 더 높은 장력 강도를, 더 높은 장력 강도를, 갖습니다.

열 분해 경로 및 Kinetics

Aramid 섬유의 열 안정성은 난방에 일어나는 화학 반응의 복잡한 상호 작용에 의해 지배됩니다. 비활성 대기권에서는, 1 차적인 degradation 기계장치는 amide C-N 노예의 균질성 scission입니다, 약 450-500°C를 시작하십시오. 그러나 산화 환경에서, 산소 촉매는 350°C로 온도에 degradation를 degradation 시킵니다. 탈작 과정은 3 단계로 분할될 수 있습니다:

  • Stage 1 (300–400°C): 흡수된 습기와 휘발성 올리머의 손실; 형태 지구에 있는 사슬 scission의 온세트.
  • 2단계(400~550°C):고분체 백본의 급속한 분해, 이산화탄소, 수소 시안, 향기로운 조각을 풀어 놓는 탄소.
  • Stage 3 (>550°C): 탄소화 및 일부 잔여 열 보호를 제공 할 수있는 char 층의 형성.

열경화성 분석 (TGA)을 사용하는 Kinetic 학문은 섬유 급료와 난방 비율에 따라서 150에서 250 kJ/mol에 aramid degradation 범위에 있는 활성화 에너지가 있다는 것을 나타냅니다. 800°C에 char 수확량은 일반적으로 40-60% inert 조건, 전통적인 폴리에스테 나일론의 그것 보다는 현저하게 더 높, 섬유의 불 잔류물 특성에 공헌하는.

크리스탈리니티와 오리엔테이션의 영향

높은 결정성 및 분자 방향은 취약한 무조직 도메인의 분수를 감소시키는 열 안정성을 강화합니다. 그것의 가까운 퍼펙트 사슬 줄맞춤과 더불어 파라아미드 섬유, 메타아미드 보다는 더 높은 설치된 온도 50-100 °C에 전시 degradation. 그립니다 비율과 같은 가공 조건, 열 조정 온도 및 포스트 처리 어닐링은 더 결정성 및, consequently, 열 성과 개량할 수 있습니다.

서비스 환경의 열 안정성

실제 엔지니어링 응용 분야에서, aramid 섬유는 열 및 기계적 부하의 밑에 기계적 무결성을 유지해야합니다. 주요 성능 지표는 다음과 같습니다.

  • Tensile strength holder:] 공기에 있는 200°C에 100 시간 후에, Kevlar 49는 그것의 본래 장력 강도의 대략 75%를 유지합니다. 300°C에, 분 안에 25%에 보존 하락.
  • Modulus 안정성: 탄성 계수는 엄밀한 중합체 백본 때문에 250°C까지 상대적으로 안정되, 그러나 사슬 scission 지배로 300°C의 위 급격하게 감소시킵니다.
  • Creep 저항: Aramid 섬유는 실내 온도에 우수한 주름 저항을 전시하지만, 주름 비율은 200°C의 위 가속, 특히 지속적인 높은 스트레스.

수분 흡수 (일반적으로 무게에 의하여 3-7%)는 또한 변조직 지구를 plasticizing해서 열 안정성에 영향을 미치고 유리 전이 온도를 낮추기 위하여 영향을 줍니다. 습기찬 환경에서는, degradation 온세트는 20-30 °C에 의해 아래로 이동할 수 있습니다.

열 안정성의 설계

개인 보호 장비 (PPE)

Nomex는 그것의 inherent 화염 저항 및 낮은 열 수축성 때문에 열 방어적인 의류를 위한 표준입니다. 그것은 방화관 턴아웃 장치, 인종 운전사 한 벌 및 산업 molten 금속 취급에서 사용됩니다. 직물은 녹지 않습니다 또는 화염에 드러낼 때 드립, 긴요한 안전 장벽을 제공하. Para-aramid 혼합 (예를들면, Kevlar/Nomex 잡종 직물)는 첫번째 응답자를 위한 열 보호를 가진 커트 저항을 결합합니다.

항공 및 방위

Aramid 섬유는 화물 라이너, 엔진 네셀 단열 및 브레이크 패드와 같은 항공기 구성 요소에 필수적입니다. 군용 응용 분야에서는 미사일 코 콘, 로켓 모터 케이싱 및 열 차폐에 사용됩니다. 섬유의 기능은 500°C의 비활성 조건 위의 간단한 배설을 견딜 수 있으며 재입력 차량 열 보호 시스템에 적합합니다. 예를 들어, NASA 우주 셔틀의[LT][LT]][LT]]][LT:]][LT]]][LT:]]][LT:]]][LT:]]][LT:]]]][F램id]]]]에 대한 유연한 배설을 제공합니다.

복합재 강화

Aramid-reinforced 복합 재료는 고성능 스포츠 용품 (텐니스 라켓, 하키 스틱), 자동차 구동 샤프트 및 해양 선체에서 고용됩니다. 섬유의 열 안정성은 복합 매트릭스의 처리 창을 결정합니다. 에폭시 수지 시스템 전형적인 치료 120-180°C; aramid 섬유는이 범위 내에서 안정적으로 유지됩니다. 그러나 열가소성 매트릭스 복합 재료 (예 : PEEK, PEI)는 350°C 이상의 열 저항을 요구할 수 있습니다.

전기 절연제

Nomex 종이와 pressboard는 변압기, 모터 및 발전기에 있는 전기 절연체로 널리 이용됩니다. 220°C (종류 C)의 그들의 열 종류 등급은 decomposition 없이 고열에 지속적인 가동을 허용합니다. 절연제는 산업 전력 장비를 위한 믿을 수 있는 선택을 만드는 머리말을 붙이는 열 노후화 후에 절연성 힘을 유지합니다.

다른 섬유를 가진 Comparative 열 성과

Fiber Type Continuous Use Temperature (°C) Decomposition Onset in Air (°C) Limiting Oxygen Index (LOI)
Para-aramid (Kevlar 49) 180–200 450 28–30
Meta-aramid (Nomex) 200–220 380 29–32
Carbon fiber (PAN-based) 300–400 600 (inert) 55–70
Polybenzimidazole (PBI) 250–300 550 41
Glass fiber (E-glass) 525 N/A (inorganic) N/A

Aramid 섬유는 중간 배경을 점유합니다; 그들은 극단적인 온도 조종에 있는 탄소와 세라믹 섬유의 짧은를 극화합니다. 그들의 중요한 이점은 높은 장력 강도, 낮은 조밀도 및 전기 절연제의 그들의 조합입니다, 탄소 섬유가 제공하지 않는.

열 안정성 강화를 위한 Emergent Technologies

화학 수정

이식성 단위 (예를들면, benzimidazole, benzoxazole)를 aramid 백본으로 통합하는 것은 중합체의 단단함과 열저항을 증가합니다. ACS Applied Materials &에서 연구; Interfaces는 2 (4-aminophenyl) - aminobenziazole를 포함하는 CO 중합체가 20°C 증가를 처음 기계적 특성을 유지하면서 초기 분해 온도.

Nanocomposite 코팅

흑연 산화물, 붕소 질화물, 또는 실리카 나노 입자의 표면 코팅을 적용하면 섬유 코어로 열전달을 지연시키는 열 장벽을 만듭니다. Al[]2]O3]] 및 TiO2]]2]]의 층별 증착은 열 방출률을 40% 콘트라스트에서 감소시키기 위해 보였습니다.

플라즈마 치료

산소 또는 아르곤 플라스마 처리는 섬유 표면을 교차 결합하고, 산소 침투성을 감소시키고 숯 형성을 증가할 수 있습니다. 플라스마 강화한 파라아미드 직물은 350°C에 10 분 후에 장력 강도의 90%를, 비틀린 섬유를 위해 60%와 비교했습니다 유지합니다.

테스트 표준 및 프로토콜

열 안정성은 표준화 된 방법을 사용하여 특징입니다 :

  • ASTM E1641: 열판에 의한 탈구 운동을 위한 표준 시험 방법.
  • ISO 17493: 순환 가열 조건 하에서 열 안정성의 종료.
  • ASTM D6413: 섬유의 화염 저항을 위한 표준 시험 방법 (수직 화염 시험).
  • NASA-STD-6016: 우주선 재료의 가연성 및 가스에 대한 요구 사항.

Thermogravimetric 분석 (TGA) 질량 분석 (TG-MS) 결합 된 가장 강력한 기술은 휘발성 분해 제품 및 반응 경로 식별을위한 가장 강력한 기술입니다. 동적 기계적 분석 (DMA)는 계수와 온도의 기능으로 감쇠 변화에 대한 통찰력을 제공합니다.

높은 온도 서비스에서 실패 모드

언젠가 실패 모드는 디자인 엔지니어에 중요합니다. 가장 일반적인 것은 다음과 같습니다.

  • Oxidative embrittlement: 섬유 표면에 사슬 scission 때문에 거칠기의 손실, microcrack 개시에 지도.
  • 열량 부수기:] 복합 라미네이트에서, aramid 섬유 사이 차별 열팽창 및 모체는 반복 열 순환 후에 delamination를 일으키는 원인이 됩니다.
  • 모스트레인 유도 분해:고온과 습도에 의해 가속되는 아미드 채권의 가수분해, 섬유 강도를 시간 이상 감소.

Mitigation 전략은 수분 저항하는 등급 (예를들면 Kevlar KM2 Plus)을 사용하여 보호 코팅을 적용하고 열팽창식 레이어를 사용하여 구성 요소를 설계합니다.

미래 지향과 연구 필요

aramid 섬유의 차세대는 처리 처리 능력 희생 없이 300°C의 위 지속적인 사용 온도를 밀어주기 위하여 겨냥합니다. 중요한 연구 지역은 다음을 포함합니다:

  • 바이오 기반 아람: lignin에서 파생된 재생성 방향족 디아민의 합성은 열 특성을 유지하면서 환경 영향을 줄 수 있습니다.
  • Multi-scale modeling:] 분자의 역동성 시뮬레이션 및 가이드 폴리머 디자인.
  • Aramid 폐기물 재활용: end-of-life Thermal Protection systems의 모노머를 회수하는 화학 재활용 방법 개발, 원형 경제 목표와 일치.

DuPont과 ]Teijin Advanced Fibers는 차세대 소방장치에서 고소성 차량 열 방패에 이르기까지 응용 분야에 대한 무력한 성능을 개선하기 위해 계속 투자합니다.

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