หนึ่งในสี่เส้นใยประสิทธิภาพสูง: เส้นใยอะรามิด

เส้นใยอะรามิด หรือเรียกสั้นๆ ว่าเส้นใยโพลีเอไมด์อะโรมาติก อยู่ในกลุ่มเส้นใยประสิทธิภาพสูงสี่ประเภทที่จีนให้ความสำคัญในการพัฒนา ร่วมกับเส้นใยคาร์บอน เส้นใยโพลีเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (UHMWPE) และเส้นใยบะซอลต์ เช่นเดียวกับไนลอนทั่วไป เส้นใยอะรามิดจัดอยู่ในตระกูลเส้นใยโพลีเอไมด์ โดยมีพันธะเอไมด์ในสายโซ่โมเลกุลหลัก ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่การยึดเกาะ พันธะเอไมด์ของไนลอนเชื่อมต่อกับหมู่อะลิฟาติก ในขณะที่พันธะเอไมด์ของอะรามิดเชื่อมต่อกับวงแหวนเบนซีน โครงสร้างโมเลกุลพิเศษนี้ทำให้เส้นใยอะรามิดมีความแข็งแรงตามแนวแกนสูงมาก (>20cN/dtex) และโมดูลัส (>500GPa) ทำให้เป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมสำหรับการเสริมแรงสายเคเบิลระดับไฮเอนด์

ประเภทของเส้นใยอะรามิด

เส้นใยอะรามิดส่วนใหญ่ประกอบด้วยเส้นใยโพลีเอไมด์อะโรมาติกล้วนและเส้นใยโพลีเอไมด์อะโรมาติกเฮเทอโรไซคลิก ซึ่งสามารถแบ่งประเภทเพิ่มเติมได้เป็น ออร์โธ-อะรามิด พารา-อะรามิด (PPTA) และเมตา-อะรามิด (PMTA) ในบรรดาเส้นใยเหล่านี้ เมตา-อะรามิดและพารา-อะรามิดเป็นเส้นใยที่ถูกนำเข้าสู่อุตสาหกรรม จากมุมมองโครงสร้างโมเลกุล ความแตกต่างหลักระหว่างสองชนิดนี้อยู่ที่ตำแหน่งของอะตอมคาร์บอนในวงเบนซีนที่พันธะเอไมด์ยึดติดอยู่ ความแตกต่างทางโครงสร้างนี้นำไปสู่ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในด้านคุณสมบัติเชิงกลและเสถียรภาพทางความร้อน

พารา-อะรามิด

พารา-อะรามิด หรือ โพลี(พี-ฟีนิลีนเทเรฟทาลาไมด์) (PPTA) หรือที่รู้จักกันในประเทศจีนในชื่อ อะรามิด 1414 เป็นพอลิเมอร์เชิงเส้นสูงที่มีพันธะเอไมด์มากกว่า 85% เชื่อมต่อโดยตรงกับวงแหวนอะโรมาติก ผลิตภัณฑ์พารา-อะรามิดที่ประสบความสำเร็จทางการค้ามากที่สุดคือ Kevlar® ของดูปองท์ และ Twaron® ของเทย์จิน ซึ่งครองตลาดโลก ถือเป็นเส้นใยแรกที่ผลิตโดยใช้สารละลายโพลีเมอร์ผลึกเหลวในการปั่น นับเป็นการเปิดศักราชใหม่ของเส้นใยสังเคราะห์ประสิทธิภาพสูง ในด้านคุณสมบัติเชิงกล ความต้านทานแรงดึงสูงถึง 3.0–3.6 GPa โมดูลัสยืดหยุ่น 70–170 GPa และค่าการยืดตัว ณ จุดขาด 2–4% คุณสมบัติที่โดดเด่นเหล่านี้ทำให้มีข้อได้เปรียบที่ไม่อาจทดแทนได้ในการเสริมความแข็งแรงสายเคเบิลออปติก การป้องกันกระสุนปืน และด้านอื่นๆ

เมตา-อะรามิด

เมตา-อะรามิด หรือ โพลี(m-ฟีนิลีนไอโซฟทาลาไมด์) (PMTA) หรือที่รู้จักกันในประเทศจีนในชื่อ อะรามิด 1313 เป็นเส้นใยอินทรีย์ที่ทนความร้อนสูงชั้นนำ โครงสร้างโมเลกุลประกอบด้วยกลุ่มเอไมด์ที่เชื่อมวงแหวนเมตา-ฟีนิลีนเข้าด้วยกัน ก่อตัวเป็นสายโซ่เชิงเส้นซิกแซกที่เสถียรด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งในโครงข่ายสามมิติ โครงสร้างนี้ทำให้เส้นใยมีคุณสมบัติหน่วงการติดไฟ เสถียรภาพทางความร้อน และทนต่อรังสีได้อย่างดีเยี่ยม ผลิตภัณฑ์ทั่วไปคือ Nomex® ของดูปองท์ ซึ่งมีค่าดัชนีออกซิเจนจำกัด (LOI) อยู่ที่ 28–32 อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วประมาณ 275°C และอุณหภูมิใช้งานต่อเนื่องสูงกว่า 200°C จึงนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในสายเคเบิลทนไฟและวัสดุฉนวนทนอุณหภูมิสูง

คุณสมบัติที่โดดเด่นของเส้นใยอะรามิด

เส้นใยอะรามิดมีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ โมดูลัสสูง ทนความร้อน ทนกรดและด่าง น้ำหนักเบา เป็นฉนวน ทนทานต่อการเสื่อมสภาพ อายุการใช้งานยาวนาน มีความเสถียรทางเคมี ไม่เกิดหยดของเหลวระหว่างการเผาไหม้ และไม่ปล่อยก๊าซพิษ จากมุมมองการใช้งานสายเคเบิล พาราอะรามิดมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเมตาอะรามิดในด้านความต้านทานความร้อน โดยมีช่วงอุณหภูมิใช้งานต่อเนื่องที่ -196 ถึง 204°C และไม่สลายตัวหรือหลอมละลายที่อุณหภูมิ 500°C คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุดของพาราอะรามิด ได้แก่ ความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ โมดูลัสสูง ทนความร้อน ทนสารเคมี และความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงของพาราอะรามิดสูงกว่า 25 กรัม/dtex ซึ่งสูงกว่าเหล็กกล้าคุณภาพสูง 5-6 เท่า ไฟเบอร์กลาส 3 เท่า และไนลอนความแข็งแรงสูง 2 เท่า โมดูลัสสูงกว่าเหล็กกล้าหรือไฟเบอร์กลาส 2-3 เท่า และไนลอนความแข็งแรงสูง 10 เท่า มีความแข็งแกร่งเป็นสองเท่าของลวดเหล็กและมีน้ำหนักเพียงประมาณ 1/5 เท่านั้น จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้เป็นวัสดุเสริมในสายเคเบิลออปติก สายเคเบิลใต้น้ำ และสายเคเบิลประเภทไฮเอนด์อื่นๆ

สมบัติเชิงกลของเส้นใยอะรามิด

เมตา-อะรามิดเป็นพอลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่น มีความแข็งแรงในการฉีกขาดสูงกว่าโพลีเอสเตอร์ ฝ้าย หรือไนลอนทั่วไป มีอัตราการยืดตัวสูง ให้สัมผัสนุ่มมือ ปั่นได้ดี และสามารถผลิตเป็นเส้นใยสั้นหรือเส้นใยที่มีขนาดดีเนียร์แตกต่างกันได้ สามารถนำไปปั่นเป็นผ้าและผ้าไม่ทอโดยใช้เครื่องจักรสิ่งทอมาตรฐาน และผ่านกระบวนการเพื่อตอบสนองความต้องการด้านเครื่องแต่งกายป้องกันของอุตสาหกรรมต่างๆ ในด้านฉนวนไฟฟ้า เมตา-อะรามิดมีคุณสมบัติทนไฟและทนความร้อนที่โดดเด่น ด้วยค่า LOI มากกว่า 28 จะไม่ติดไฟอีกต่อไปหลังจากออกจากเปลวไฟ ความต้านทานการติดไฟเป็นคุณสมบัติเฉพาะของโครงสร้างทางเคมี ทำให้มีคุณสมบัติทนไฟได้อย่างถาวร ทนทานต่อการสูญเสียประสิทธิภาพเนื่องจากการซักหรือการใช้งานเป็นเวลานาน เมตา-อะรามิดมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม ใช้งานได้อย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิ 205°C และยังคงความแข็งแรงได้ดีแม้ในอุณหภูมิสูงกว่า 205°C อุณหภูมิในการสลายตัวสูง และไม่ละลายหรือหยดลงที่อุณหภูมิสูง โดยจะเริ่มเปลี่ยนเป็นคาร์บอนไนซ์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 370°C คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเป็นฉนวนและเสริมความแข็งแรงให้กับสายเคเบิลที่ทนอุณหภูมิสูงหรือทนไฟ

เสถียรภาพทางเคมีของเส้นใยอะรามิด

เมตา-อะรามิดมีความทนทานต่อสารเคมีและกรดอนินทรีย์เข้มข้นได้ดีเยี่ยม แม้ว่าจะไวต่อกรดซัลฟิวริกและกรดไนตริกเข้มข้นก็ตาม นอกจากนี้ยังทนทานต่อด่างได้ดีที่อุณหภูมิห้อง

ความต้านทานรังสีของเส้นใยอะรามิด

เมตาอะรามิดมีความต้านทานรังสีที่โดดเด่น ยกตัวอย่างเช่น เมื่อได้รับรังสีอัลตราไวโอเลต 1.2×10⁻² W/cm² และรังสีแกมมา 1.72×10⁸ rad เป็นเวลานาน ความแข็งแรงของเมตาอะรามิดยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ความต้านทานรังสีที่โดดเด่นนี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสายเคเบิลที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และยานอวกาศ

ความทนทานของเส้นใยอะรามิด

เมตา-อะรามิดยังแสดงให้เห็นถึงความทนทานต่อการขีดข่วนและสารเคมีที่ยอดเยี่ยม หลังจากผ่านการซัก 100 ครั้ง ผ้าที่ทำจากเมตา-อะรามิดที่ผลิตในประเทศยังคงรักษาความแข็งแรงในการฉีกขาดไว้ได้มากกว่า 85% ความทนทานนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงเสถียรภาพทางกลและทางไฟฟ้าในระยะยาวในการใช้งานกับสายเคเบิล

การประยุกต์ใช้เส้นใยอะรามิด

เส้นใยอะรามิดถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ เครื่องกลไฟฟ้า ก่อสร้าง และกีฬาของจีน เนื่องจากมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม ทนทานต่ออุณหภูมิสูง และมีเสถียรภาพทางเคมี ถือเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมสมรรถนะสูงในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อะรามิดมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในด้านสายเคเบิลใยแก้วนำแสงสื่อสาร สายไฟฟ้า สายเคเบิลทนอุณหภูมิสูง สายเคเบิลใต้น้ำ และสายเคเบิลเฉพาะทาง

อวกาศและการทหาร

เส้นใยอะรามิดมีความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงสูง และทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม เส้นใยนี้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในส่วนประกอบโครงสร้างของยานอวกาศ เช่น โครงหุ้มมอเตอร์จรวดและโครงสร้างเรโดมแบบบรอดแบนด์ วัสดุคอมโพสิตของเส้นใยอะรามิดมีความทนทานต่อแรงกระแทกและความโปร่งใสของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ช่วยลดน้ำหนักเครื่องบินได้อย่างมากและเพิ่มความปลอดภัย ในภาคการป้องกันประเทศ เส้นใยอะรามิดถูกนำไปใช้ผลิตเสื้อเกราะกันกระสุน หมวกกันน็อค และภาชนะทนแรงระเบิด ทำให้เส้นใยอะรามิดเป็นวัสดุชั้นนำสำหรับการป้องกันทางทหารที่มีน้ำหนักเบาในยุคต่อไป

สาขาการก่อสร้างและการขนส่ง

ในอุตสาหกรรมก่อสร้าง เส้นใยอะรามิดถูกนำมาใช้ในการเสริมแรงโครงสร้างและระบบสายเคเบิลสะพาน เนื่องจากมีน้ำหนักเบา มีความยืดหยุ่น และทนต่อการกัดกร่อน เส้นใยนี้มีประสิทธิภาพอย่างยิ่งในการเสริมแรงโครงสร้างที่ไม่เรียบ ในด้านการขนส่ง เส้นใยอะรามิดถูกนำไปใช้ในผ้ายางรถยนต์และเครื่องบิน ยางที่เสริมแรงด้วยเส้นใยอะรามิดมีความแข็งแรงสูง ทนทานต่อการเจาะทะลุ ทนความร้อน และมีอายุการใช้งานยาวนาน ตอบสนองความต้องการด้านสมรรถนะของยานพาหนะความเร็วสูงและเครื่องบินสมัยใหม่

อุตสาหกรรมไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และสายเคเบิล

เส้นใยอะรามิดมีการใช้งานที่โดดเด่นเป็นพิเศษในภาคการผลิตไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และสายไฟและสายเคเบิล โดยเฉพาะในพื้นที่ต่อไปนี้:

องค์ประกอบแรงดึงในสายเคเบิลออปติก: ด้วยความแข็งแรงและโมดูลัสแรงดึงที่สูง เส้นใยอะรามิดจึงทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบแรงดึงในสายเคเบิลออปติกสื่อสาร ช่วยปกป้องเส้นใยออปติกที่บอบบางจากการเสียรูปภายใต้แรงดึง และช่วยให้ส่งสัญญาณได้อย่างเสถียร

การเสริมแรงในสายเคเบิล: ในสายเคเบิลพิเศษ สายเคเบิลใต้น้ำ สายเคเบิลไฟฟ้า และสายเคเบิลทนอุณหภูมิสูง อะรามิดมักถูกใช้เป็นองค์ประกอบเสริมแรงหลักหรือชั้นเกราะ เมื่อเทียบกับการเสริมแรงด้วยโลหะ อะรามิดมีความแข็งแรงเหนือกว่าแต่มีน้ำหนักเบากว่า ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของสายเคเบิลและเสถียรภาพเชิงกลได้อย่างมาก

ฉนวนและคุณสมบัติหน่วงไฟ: คอมโพสิตอะรามิดมีเสถียรภาพทางไฟฟ้าและความร้อนที่ดีเยี่ยม นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในชั้นฉนวนสายเคเบิล ปลอกหน่วงไฟ และปลอกหุ้มแบบปลอดฮาโลเจนที่ให้ควันน้อย หลังจากชุบวานิชฉนวนแล้ว กระดาษอะรามิดจะถูกผสมกับไมกาธรรมชาติเพื่อใช้ในมอเตอร์และหม้อแปลงที่ทนอุณหภูมิสูง

สายเคเบิลทนไฟและสายเคเบิลขนส่งทางราง: ความสามารถในการทนไฟและทนความร้อนของเส้นใยอะรามิดทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้ในสายเคเบิลบนเรือ สายเคเบิลขนส่งทางราง และสายเคเบิลทนไฟระดับนิวเคลียร์ ซึ่งมีมาตรฐานความปลอดภัยที่เข้มงวด

EMC และน้ำหนักเบา: ความโปร่งใสทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยมและค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำของอะรามิดทำให้เหมาะสำหรับชั้นป้องกัน EMI เรโดมเรดาร์ และส่วนประกอบการรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ช่วยปรับปรุงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและลดน้ำหนักของระบบ

แอปพลิเคชันอื่น ๆ

เส้นใยอะรามิดมีส่วนประกอบของวงแหวนอะโรมาติกสูง จึงมีเสถียรภาพทางเคมีและทนต่อการกัดกร่อนได้อย่างดีเยี่ยม จึงเหมาะสำหรับนำไปใช้ทำเชือกทางทะเล สายเคเบิลขุดเจาะน้ำมัน และสายเคเบิลใยแก้วนำแสงเหนือศีรษะในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์กีฬาระดับพรีเมียม อุปกรณ์ป้องกัน และผ้าเบรกรถยนต์ และกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในฐานะทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมแทนแร่ใยหินในงานปิดผนึกและฉนวน แผงฉนวนกันความร้อน และส่วนประกอบอื่นๆ ของวัสดุปิดผนึก เพื่อให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพและความปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม