เส้นใยอะรามิดเป็นหนึ่งในสี่เส้นใยประสิทธิภาพสูง

เส้นใยอะรามิด หรือที่รู้จักกันในชื่อเส้นใยโพลีอะไมด์อะโรมาติก จัดอยู่ในกลุ่มเส้นใยประสิทธิภาพสูง 4 ชนิดที่ได้รับความสำคัญในการพัฒนาในประเทศจีน ร่วมกับเส้นใยคาร์บอน เส้นใยโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก (UHMWPE) และเส้นใยบะซอลต์ เช่นเดียวกับไนลอนทั่วไป เส้นใยอะรามิดอยู่ในตระกูลเส้นใยโพลีอะไมด์ โดยมีพันธะอะไมด์อยู่ในสายโซ่โมเลกุลหลัก ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่การเชื่อมต่อ: พันธะอะไมด์ของไนลอนเชื่อมต่อกับกลุ่มอะลิฟาติก ในขณะที่พันธะอะรามิดเชื่อมต่อกับวงแหวนเบนซีน โครงสร้างโมเลกุลพิเศษนี้ทำให้เส้นใยอะรามิดมีความแข็งแรงตามแนวแกนสูงมาก (>20 cN/dtex) และโมดูลัสสูงมาก (>500 GPa) ทำให้เป็นวัสดุที่นิยมใช้ในการเสริมแรงสายเคเบิลคุณภาพสูง

ประเภทของเส้นใยอะรามิด

เส้นใยอะรามิดโดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยเส้นใยโพลีอะไมด์อะโรมาติกทั้งหมดและเส้นใยโพลีอะไมด์อะโรมาติกเฮเทอโรไซคลิก ซึ่งสามารถแบ่งย่อยได้อีกเป็นออร์โธอะรามิด พาราอะรามิด (PPTA) และเมตาอะรามิด (PMTA) ในบรรดาเส้นใยเหล่านี้ เมตาอะรามิดและพาราอะรามิดเป็นเส้นใยที่ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมมากที่สุด จากมุมมองโครงสร้างโมเลกุล ความแตกต่างหลักระหว่างเส้นใยทั้งสองชนิดนี้อยู่ที่ตำแหน่งของอะตอมคาร์บอนในวงแหวนเบนซีนที่พันธะอะไมด์ยึดติดอยู่ ความแตกต่างทางโครงสร้างนี้ส่งผลให้คุณสมบัติทางกลและความเสถียรทางความร้อนแตกต่างกันอย่างมาก

พารา-อะรามิด

พารา-อะรามิด หรือ โพลี(พี-ฟีนิลีนเทเรฟทาลาไมด์) (PPTA) หรือที่รู้จักในประเทศจีนว่า อะรามิด 1414 เป็นพอลิเมอร์เชิงเส้นที่มีพันธะอะไมด์มากกว่า 85% เชื่อมต่อโดยตรงกับวงแหวนอะโรมาติก ผลิตภัณฑ์พารา-อะรามิดที่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์มากที่สุด ได้แก่ เคฟลาร์® ของดูปองท์ และ ทวารอน® ของเทจิน ซึ่งครองตลาดโลก พารา-อะรามิดเป็นเส้นใยชนิดแรกที่ผลิตโดยใช้สารละลายปั่นพอลิเมอร์ผลึกเหลว ซึ่งเป็นการเปิดศักราชใหม่ของเส้นใยสังเคราะห์ประสิทธิภาพสูง ในด้านคุณสมบัติทางกล ความแข็งแรงดึงสามารถสูงถึง 3.0–3.6 GPa โมดูลัสยืดหยุ่น 70–170 GPa และการยืดตัวเมื่อขาด 2–4% คุณลักษณะที่โดดเด่นเหล่านี้ทำให้พารา-อะรามิดมีข้อได้เปรียบที่หาที่เปรียบไม่ได้ในการเสริมแรงสายเคเบิลใยแก้วนำแสง การป้องกันกระสุน และสาขาอื่นๆ

เมตา-อะรามิด

เมตา-อะรามิด หรือ โพลี(เอ็ม-ฟีนิลีน ไอโซฟทาลาไมด์) (PMTA) ซึ่งในประเทศจีนรู้จักกันในชื่อ อะรามิด 1313 เป็นเส้นใยอินทรีย์ทนความร้อนสูงชั้นนำ โครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยหมู่เอไมด์ที่เชื่อมต่อวงแหวนเมตา-ฟีนิลีน ก่อให้เกิดสายโซ่เชิงเส้นแบบซิกแซกที่เสถียรด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลที่แข็งแรงในโครงข่ายสามมิติ โครงสร้างนี้ทำให้เส้นใยมีคุณสมบัติหน่วงไฟ เสถียรภาพทางความร้อน และความต้านทานต่อรังสีได้ดีเยี่ยม ผลิตภัณฑ์ทั่วไปคือ Nomex® ของ DuPont ซึ่งมีดัชนีออกซิเจนจำกัด (LOI) อยู่ที่ 28–32 อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วประมาณ 275°C และอุณหภูมิใช้งานต่อเนื่องสูงกว่า 200°C ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสายเคเบิลทนไฟและวัสดุฉนวนทนความร้อนสูง

คุณสมบัติที่โดดเด่นของเส้นใยอะรามิด

เส้นใยอะรามิดมีคุณสมบัติเด่นหลายประการ ได้แก่ ความแข็งแรงสูงมาก โมดูลัสสูง ทนความร้อน ทนกรดและด่าง น้ำหนักเบา เป็นฉนวน ทนต่อการเสื่อมสภาพ อายุการใช้งานยาวนาน มีเสถียรภาพทางเคมี ไม่เกิดหยดหลอมเหลวขณะเผาไหม้ และไม่ปล่อยก๊าซพิษ ในแง่ของการใช้งานในสายเคเบิล พาราอะรามิดมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเมตาอะรามิดในด้านความทนทานต่อความร้อน โดยมีช่วงอุณหภูมิการใช้งานต่อเนื่องตั้งแต่ -196 ถึง 204°C และไม่เกิดการสลายตัวหรือหลอมเหลวที่ 500°C คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของพาราอะรามิด ได้แก่ ความแข็งแรงสูงมาก โมดูลัสสูง ทนความร้อน ทนต่อสารเคมี และความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงของมันเกิน 25 กรัม/เดซิเท็กซ์ ซึ่งมากกว่าเหล็กคุณภาพสูง 5-6 เท่า มากกว่าใยแก้ว 3 เท่า และมากกว่าเส้นใยไนลอนอุตสาหกรรมความแข็งแรงสูง 2 เท่า โมดูลัสของมันมากกว่าเหล็กหรือใยแก้ว 2-3 เท่า และมากกว่าไนลอนความแข็งแรงสูง 10 เท่า วัสดุนี้มีความแข็งแรงทนทานกว่าลวดเหล็กถึงสองเท่า แต่มีน้ำหนักเพียงประมาณ 1/5 ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้เป็นวัสดุเสริมแรงในสายเคเบิลใยแก้วนำแสง สายเคเบิลใต้น้ำ และสายเคเบิลคุณภาพสูงประเภทอื่นๆ

คุณสมบัติเชิงกลของเส้นใยอะรามิด

เมตาอะรามิดเป็นพอลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูง มีความแข็งแรงในการรับแรงดึงมากกว่าโพลีเอสเตอร์ ฝ้าย หรือไนลอนทั่วไป มีอัตราการยืดตัวสูง สัมผัสนุ่ม ปั่นได้ดี และสามารถผลิตเป็นเส้นใยสั้นหรือเส้นใยขนาดต่างๆ ได้ สามารถปั่นเป็นผ้าและวัสดุไม่ทอโดยใช้เครื่องจักรสิ่งทอมาตรฐาน และแปรรูปเพื่อตอบสนองความต้องการด้านเครื่องแต่งกายป้องกันของอุตสาหกรรมต่างๆ ในด้านฉนวนไฟฟ้า คุณสมบัติในการหน่วงไฟและทนความร้อนของเมตาอะรามิดนั้นโดดเด่น ด้วยค่า LOI มากกว่า 28 จะไม่ลุกไหม้ต่อหลังจากออกจากเปลวไฟ ความทนไฟเป็นคุณสมบัติเฉพาะของโครงสร้างทางเคมี ทำให้ทนไฟได้อย่างถาวร ทนต่อการสูญเสียประสิทธิภาพเนื่องจากการซักหรือการใช้งานในระยะยาว เมตาอะรามิดมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม สามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 205°C และยังคงความแข็งแรงได้ดีแม้ในอุณหภูมิที่สูงกว่า 205°C อุณหภูมิการสลายตัวสูง และจะไม่ละลายหรือหยดที่อุณหภูมิสูง จะเริ่มกลายเป็นคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงกว่า 370°C เท่านั้น คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเป็นฉนวนและวัสดุเสริมแรงในสายเคเบิลที่ทนต่ออุณหภูมิสูงหรือทนไฟ

ความเสถียรทางเคมีของเส้นใยอะรามิด

เมตาอะรามิดมีความทนทานต่อสารเคมีและกรดอนินทรีย์เข้มข้นได้ดีเยี่ยม แม้ว่าจะไวต่อกรดซัลฟิวริกและกรดไนตริกเข้มข้นก็ตาม นอกจากนี้ยังมีความทนทานต่อด่างได้ดีที่อุณหภูมิห้อง

ความต้านทานต่อรังสีของเส้นใยอะรามิด

เมตาอะรามิดมีคุณสมบัติทนทานต่อรังสีได้อย่างยอดเยี่ยม ตัวอย่างเช่น ภายใต้การสัมผัสกับแสงอัลตราไวโอเลต 1.2×10⁻² วัตต์/ซม.² และรังสีแกมมา 1.72×10⁸ แรด เป็นเวลานาน ความแข็งแรงของวัสดุยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ความทนทานต่อรังสีที่โดดเด่นนี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสายเคเบิลที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และยานอวกาศ

ความทนทานของเส้นใยอะรามิด

เมตาอะรามิดยังแสดงให้เห็นถึงความทนทานต่อการเสียดสีและสารเคมีที่ดีเยี่ยม หลังจากการซัก 100 ครั้ง ผ้าที่ทำจากเมตาอะรามิดที่ผลิตในประเทศยังคงรักษาความแข็งแรงในการฉีกขาดได้มากกว่า 85% ของความแข็งแรงดั้งเดิม ในการใช้งานด้านสายเคเบิล ความทนทานนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงเสถียรภาพของประสิทธิภาพทางกลและทางไฟฟ้าในระยะยาว

การประยุกต์ใช้เส้นใยอะรามิด

เส้นใยอะรามิดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ เครื่องจักรกลไฟฟ้า การก่อสร้าง และกีฬาของจีน เนื่องจากคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม ทนต่ออุณหภูมิสูง และมีความเสถียรทางเคมี ถือเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมประสิทธิภาพสูงในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อะรามิดมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในด้านสายเคเบิลใยแก้วนำแสงสำหรับการสื่อสาร สายเคเบิลไฟฟ้า สายเคเบิลทนต่ออุณหภูมิสูง สายเคเบิลใต้น้ำ และสายเคเบิลพิเศษต่างๆ

สาขาการบินและอวกาศและสาขาการทหาร

เส้นใยอะรามิดมีคุณสมบัติเด่นคือ ความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงสูง และทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในส่วนประกอบโครงสร้างของยานอวกาศ เช่น ปลอกเครื่องยนต์จรวดและโครงสร้างเรดาร์แบบบรอดแบนด์ วัสดุคอมโพสิตของอะรามิดแสดงให้เห็นถึงความทนทานต่อแรงกระแทกและความโปร่งใสของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ช่วยลดน้ำหนักของเครื่องบินและเพิ่มความปลอดภัยได้อย่างมาก ในภาคการป้องกันประเทศ อะรามิดถูกนำไปใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุน หมวกกันน็อค และภาชนะกันระเบิด ทำให้เป็นวัสดุชั้นนำสำหรับอุปกรณ์ป้องกันทางทหารน้ำหนักเบารุ่นใหม่

สาขาการก่อสร้างและการขนส่ง

ในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง เส้นใยอะรามิดถูกนำมาใช้เพื่อเสริมแรงโครงสร้างและระบบเคเบิลสะพาน เนื่องจากมีน้ำหนักเบา ยืดหยุ่น และทนต่อการกัดกร่อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประสิทธิภาพในการเสริมแรงโครงสร้างที่ไม่เป็นรูปทรงปกติ ในด้านการขนส่ง อะรามิดถูกนำมาใช้ในผ้าใยยางสำหรับรถยนต์และเครื่องบิน ยางที่เสริมด้วยอะรามิดมีความแข็งแรงสูง ทนต่อการเจาะ ทนต่อความร้อน และมีอายุการใช้งานยาวนาน ตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพของยานพาหนะความเร็วสูงและเครื่องบินในปัจจุบัน

อุตสาหกรรมไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และสายเคเบิล

เส้นใยอะรามิดมีการใช้งานที่โดดเด่นเป็นพิเศษในอุตสาหกรรมไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และการผลิตสายไฟและสายเคเบิล โดยเฉพาะในด้านต่อไปนี้:

ส่วนประกอบรับแรงดึงในสายเคเบิลใยแก้วนำแสง: ด้วยความแข็งแรงและความยืดหยุ่นสูง เส้นใยอะรามิดจึงทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบรับแรงดึงในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงสำหรับการสื่อสาร ช่วยปกป้องเส้นใยนำแสงที่บอบบางจากการเสียรูปภายใต้แรงดึง และรับประกันการส่งสัญญาณที่เสถียร

การเสริมแรงในสายเคเบิล: ในสายเคเบิลชนิดพิเศษ สายเคเบิลใต้น้ำ สายเคเบิลไฟฟ้า และสายเคเบิลทนความร้อนสูง อะรามิดมักถูกใช้เป็นองค์ประกอบเสริมแรงหลักหรือชั้นเกราะ เมื่อเทียบกับการเสริมแรงด้วยโลหะ อะรามิดมีความแข็งแรงสูงกว่าในขณะที่มีน้ำหนักเบากว่า ช่วยเพิ่มความแข็งแรงต่อแรงดึงและความเสถียรทางกลของสายเคเบิลได้อย่างมาก

ฉนวนและการหน่วงไฟ: วัสดุผสมอะรามิดมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในชั้นฉนวนสายเคเบิล ปลอกหุ้มกันไฟ และปลอกหุ้มไร้ฮาโลเจนที่มีควันน้อย กระดาษอะรามิดหลังจากเคลือบด้วยวานิชฉนวนแล้ว จะถูกนำมาผสมกับไมกาธรรมชาติเพื่อใช้ในมอเตอร์และหม้อแปลงที่ทนต่ออุณหภูมิสูง

สายเคเบิลทนไฟและสายเคเบิลสำหรับระบบขนส่งทางราง: คุณสมบัติทนไฟและทนความร้อนโดยธรรมชาติของเส้นใยอะรามิด ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสายเคเบิลบนเรือ สายเคเบิลสำหรับระบบขนส่งทางราง และสายเคเบิลทนไฟระดับโรงงานนิวเคลียร์ ซึ่งมีมาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวด

คุณสมบัติ EMC และการลดน้ำหนัก: ความโปร่งใสทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำของอะรามิด ทำให้เหมาะสำหรับชั้นป้องกัน EMI, โดมเรดาร์ และส่วนประกอบการรวมระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ช่วยปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและลดน้ำหนักของระบบ

แอปพลิเคชันอื่นๆ

เนื่องจากมีปริมาณวงแหวนอะโรมาติกสูง เส้นใยอะรามิดจึงมีความเสถียรทางเคมีและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในเชือกเดินเรือ สายเคเบิลขุดเจาะน้ำมัน และสายเคเบิลใยแก้วนำแสงส่งผ่านเหนือศีรษะในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์กีฬาคุณภาพสูง อุปกรณ์ป้องกัน และผ้าเบรกสำหรับรถยนต์ และกำลังได้รับการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆ ในฐานะทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแทนใยหินในการใช้งานด้านการปิดผนึกและฉนวน แผ่นฉนวนกันความร้อน และส่วนประกอบการปิดผนึกอื่นๆ ซึ่งรับประกันทั้งประสิทธิภาพและความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม