Leistung, Herstellung und Anwendung von Aramid-Verbundwerkstoffen

Der vollständige Name von Aramid lautet aromatische Polyamidfaser. Es handelt sich um einen organischen Kunststoff mit hoher Festigkeit, hohem Elastizitätsmodul, geringer Dichte und hoher Verschleißfestigkeit sowie stabilen chemischen Eigenschaften. 1974 wurde er von der US-amerikanischen Federal Trade Commission (FTC) als „Aramidfaser“ bezeichnet. Die Definition lautet: Mindestens 85 % der Amidketten (-CONH-) verbinden zwei Benzolringe direkt. Anfang der 1960er Jahre entwickelte DuPont das Meta-Aramid HF-1 mit hervorragender thermischer Stabilität, die Nomex-Faser. In China hieß sie Aramid. 1981 erhielt sie die Bezeichnung Aramid 14 und 1985 die Bezeichnung Aramid 1414. Da einzelne Aramidfasern bei der Verwendung Mängel aufweisen und ihre Festigkeit nach Kontakt mit Wasser abnimmt, wird Aramid üblicherweise zu Verbundwerkstoffen verarbeitet und als Verstärkungsfaser in Materialien verwendet, um sich an unterschiedliche Einsatzumgebungen anzupassen und die Leistung von Materialien zu verbessern.

1.1 Para-Aramid
Para-Aramid, auch bekannt als PPTA (Poly-P-Phenyleneferephthalamid), wurde 1971 erfolgreich entwickelt und im darauffolgenden Jahr in Produktion genommen. Seine Hauptkettenstruktur ist sehr regelmäßig, und die Makromoleküle liegen in einem stark gestreckten Zustand vor. Es ist beständig gegen hohe Temperaturen, Feuer, chemische Korrosion, verfügt über hohe mechanische Eigenschaften und ist ermüdungsbeständig bei geringer Dichte. Seine Festigkeit ist dreimal so hoch wie die von Stahl und viermal so hoch wie die von hochfestem Polyester-Industriegarn. Sein Anfangsmodul ist vier- bis zehnmal so hoch wie der von Polyester-Industriegarn und mehr als zehnmal so hoch wie der von Polyamidfasern. Es ist sehr stabil, schrumpft bei 150 °C nicht und behält auch bei hohen Temperaturen seine hohe Festigkeit bei, beispielsweise 65 % der ursprünglichen Festigkeit bei 260 °C. Es haftet gut an Gummi und ist eine ideale Kordfaser. Beispiele hierfür sind Kevlar-49 von DuPont in den USA, Twaron von Enka in den Niederlanden und Aramid 1414 in China.

1.2 Meta-Aramid
Meta-Aramid, auch bekannt als MPIA (Poly-m-phenylenisophthalamid), wurde 1956 erstmals erforscht und 1967 industriell eingesetzt. Die makromolekulare Kette von Meta-Aramid ist zickzackförmig und es verfügt über hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Bruchdehnung. Seine herausragenden Eigenschaften sind hervorragende Feuerbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Nach 1.000-stündiger Dauerbelastung bei 260 °C beträgt die Festigkeit noch 65 %; nach 7-tägiger Belastung bei 300 °C behält es seine ursprüngliche Festigkeit. Es ist brennbar und selbstverlöschend, sobald es der Flamme ausgesetzt wird. Es ist gut beständig gegenüber Säuren, Basen, Bleichmitteln, Reduktionsmitteln und organischen Lösungsmitteln. Außerdem ist es gut strahlungsbeständig. Die Nachteile sind die gleichen wie bei Nylon: geringe Sonnenlichtbeständigkeit und schwieriges Färben.

1.3 Vergleich der Leistung von Aramid mit anderen Fasern
Aramid hat gute mechanische Eigenschaften. Im Vergleich zu anderen Fasern zeichnet sich Aramid durch hohe Temperaturbeständigkeit, geringe Dehnung, hohen Elastizitätsmodul und hohe Festigkeit aus, insbesondere Para-Aramid (Kevlar-Faser), das noch besser ist.

Aramidfasern sind wie Glasfasern in Produktformen wie Zwirn, ungedrehtem Roving, verschiedenen Gewebearten, Bändern, Filz und Kurzfasern erhältlich. Es gibt zwei Hauptarten der Verbundwerkstoffherstellung: Faser-Faser-Wickelverbundwerkstoffe und Faser-Harz- bzw. Gummiverbundwerkstoffe.

2.1 Faser-Faser-Verbundformung
Nasswickeln und Trockenwickeln sind die beiden Hauptverfahren für das Wickelformen von Verbundwerkstoffen. Der Hauptvorteil des Trockenwickelns besteht darin, dass der Klebstoffgehalt leichter zu kontrollieren ist. Daher wurde in der Vergangenheit beim Formen von Hochdruckbehältern aus Verbundwerkstoffen immer ein einzelnes Trockenwickelverfahren verwendet. Das Nasswickeln bietet jedoch die Vorteile niedriger Produktkosten, geringerer Faserabnutzung, geringerer Porenzahl und hoher Produktionseffizienz und wird im Ausland häufig eingesetzt. In meinem Land wurde in der Vergangenheit immer das Trockenformen verwendet und Dutzende von Trockenformklebstoffformeln entwickelt. Einige Formeln wie 4304 und 4303A wurden erfolgreich in großen Feststoffraketentriebwerken eingesetzt. Der Prozessablauf ist wie folgt: Lösen der Aramidfaser → Mischen → Formen → Wärmebehandlung → Mahlen → Fertigprodukt.

Nasswickelformen funktioniert genauso wie Trockenformen. Die Harzmatrix muss bestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen. Gleichzeitig muss die Viskosität des Matrixsystems in einem bestimmten Bereich gehalten werden, um eine vollständige Imprägnierung des Faserbündels während des Formens zu gewährleisten. Die Viskosität des Systems lässt sich auf zwei Arten reduzieren: (a) Auswahl eines geeigneten, niedrigviskosen Aktivverdünners. Die Viskosität des Systems erfüllt zwar häufig die Anforderungen des Imprägnierprozesses, gleichzeitig nehmen jedoch die mechanischen Eigenschaften und die Hitzebeständigkeit des Systems stark ab. Nach der Siebung wird ein Mischverdünner verwendet, der die Konstruktionsanforderungen bis zu einem gewissen Grad erfüllt. (b) Auswahl eines flüssigen Härters. Durch Zugabe eines flüssigen Härters kann die Viskosität des Formelsystems bis zu einem gewissen Grad reduziert werden. Die Nassformulierung und die Nassformungstechnologie von Aramidfasern wurden noch nicht ausreichend erforscht. Die Entwicklung einer leistungsstarken Nassformungstechnologie ist die Schlüsseltechnologie, die beim Nasswickelformen zuerst entwickelt werden muss.

2.2 Faser- und Harzverbundformung
Das Formungsverfahren ist das gleiche wie bei Glasfaser und umfasst Wickeln, Handauflegen, Imprägnieren, Vakuumbeutel, Druckbeaufschlagung und Injektion, die je nach Bedarf ausgewählt werden können. Zu den Harzen, die häufig mit Aramidfasern kombiniert werden, gehören Epoxidharze, Phenolharze, ungesättigte Polyester, Vinylester, Polyimid usw. In den letzten Jahren werden sie auch in Kombination mit Nylon, PBT usw. verwendet. Bei der Untersuchung der Zugfestigkeitseigenschaften von unidirektionalen Aramid/Polypropylen-Mischfaser-Verbundwerkstoffen verwendeten Zhang Maolin et al. ungedrehtes Aramidfilamentgarn (Verstärkungsmaterial) als Kettgarn und Polypropylenfasern (Matrixfasern) als Schussgarn, um ein thermoplastisches Präpolymer mit Leinwandbindung zu weben. Die Verbundwerkstoffe wurden bei bestimmten Temperaturen und Drücken hergestellt und die Dichte der Kett- und Schussgarne wurde angepasst, um die Zusammensetzung des Materials zu steuern. Kordeln aus Aramid finden in der Autoreifenindustrie zunehmend Verwendung. Die Technologie für Verbundwerkstoffe aus Aramid und Gummi entwickelt sich rasant. Da Aramidfasern nur wenige aktive funktionelle Gruppen besitzen, ist die Verbindung mit Gummi schwierig. Um dieses Problem zu lösen, werden in der Regel folgende Maßnahmen ergriffen: Einerseits werden die Formel und der Prozess des Imprägniersystems angepasst oder verbessert. Derzeit werden der Einbadimprägnierung Zweibadimprägnierungen oder spezielle Imprägnierklebstoffe zugesetzt; andererseits werden Klebstoffe in die Gummimischung eingearbeitet. Durch die Synergie der beiden genannten Aspekte wird eine optimalere Verbindung erzielt.

Die hohe Festigkeit von Aramid wird in allen Gesellschaftsschichten geschätzt, insbesondere beim Militär. Moderne Helme stammen aus dem Ersten Weltkrieg und wurden verwendet, um die Verlustrate von Soldaten zu senken. Nach dem Zweiten Weltkrieg bis in die 1970er Jahre waren die kugelsicheren Militärhelme ausschließlich Stahlhelme, meist aus Manganhochstahl oder Spezialstahl, und die Helmschalen waren meist gestanzt. Nylonhelme werden hauptsächlich in Großbritannien und Israel verwendet. Für mehr Tragekomfort verfügt der Helm über eine stoßfeste Schicht aus hochdichtem Polyethylenschaum. Aramidhelme bestehen aus mehrlagigem Aramidgewebe, das mit Spezialharzen verbunden und bei hohen Temperaturen und hohem Druck geformt wird. Aramidhelme wurden in den 1970er Jahren von DuPont entwickelt. Ihre Vorteile sind hohe Festigkeit, geringes Gewicht und gute Schutzleistung. Sie werden in immer mehr Ländern eingesetzt.

Die ballistische Schlagfestigkeit von Aramidfasern ist auf ihre überlegene thermische Stabilität, hohe Kristallinität, stark orientierte Struktur und hohe Zugfestigkeit zurückzuführen. Dank ihrer hohen Glasübergangstemperatur und hervorragenden thermischen Stabilität gewährleisten Aramidfasern die Stabilität schlagfester Strukturen bei hohen Temperaturen, die durch ballistische Einschläge entstehen. Hohe Kristallinität und hohe Orientierung erzeugen einen hohen Elastizitätsmodul, der eine schnelle Reaktion auf axiale Verformung gewährleistet. Hohe Elastizität und mittlere Dehnung verleihen Aramidfasern eine hohe Zähigkeit, sodass sie auch bei Längsbruch effektiv arbeiten. In meinem Land wurden Forschungen zu kugelsicheren Aramidplatten durchgeführt und Fortschritte bei der Optimierung des Matrix-Faser-Verhältnisses erzielt.

Der Hauptbestandteil von Reifen ist Gummi. Um die Festigkeit zu verbessern, wurde Stahldraht zunächst in der Industrie als Verstärkungsmaterial eingesetzt. Aufgrund der hohen Dichte des Stahldrahts erhöht sich zwar die Festigkeit des Reifens, gleichzeitig steigt jedoch das Gewicht der Fahrzeugkarosserie und der Energieverbrauch. Durch den Stahldraht wird der Reifen härter, stoßanfälliger und der Komfort nimmt ab. Insbesondere bei schweren Fahrzeugen ist die Tragfähigkeit sehr groß, und die Anforderungen an die Reifen sind höher.

Im Vergleich zu Stahldraht zeichnet sich Aramidkord durch hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Festigkeit, hohen Elastizitätsmodul und geringe Verformung aus. Zudem zeichnet er sich durch eine geringe relative Dichte, Ermüdungsbeständigkeit und Scherfestigkeit aus. Er vereint die hervorragenden Eigenschaften von Stahldraht, Viskose, Nylon und Polyesterkord und wird als „synthetischer Stahldraht“ bezeichnet. Er ist derzeit das ideale Skelettmaterial.

Die Vorteile von Aramidcord sind: 1. Durch die Verwendung von Aramidcord kann die Reifenkarkasse von drei auf eine Lage reduziert werden, wodurch sich Reifengewicht und Rollwiderstand verringern und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. 2. Aramidcord und Gummi haften besser als Stahldraht und sind unempfindlicher gegenüber Feuchtigkeit. 3. Durch die Verwendung von Aramidcord als Kord verbessern sich Steifigkeit und Verschleißfestigkeit des Reifens, was seine Lebensdauer verlängert. 4. Durch die Reduzierung der Karkassenzahl verbessern sich Fahrleistung und Fahrkomfort deutlich.

Die Hauptnachteile von Aramid als Kord bestehen jedoch darin, dass die Kosten zu hoch sind, die Produktionstechnologie komplex ist und für die Verarbeitung spezielle Geräte erforderlich sind.

Kevlarfasern eignen sich am besten als Verstärkungsmaterial für Schläuche. Kevlarfasern werden zunehmend für Automobilschläuche, Schläuche für die Chemieindustrie, Schläuche für die Erdölindustrie, verschiedene Hydraulikschläuche für die Luftfahrtindustrie und Marineschläuche verwendet. Chrysler und Gates in den USA verwenden Kevlarfasern als Verstärkungsmaterial für Autokühlschläuche, um Kühlschläuche für Fahrzeuge mit einer Temperatur von ca. 150 °C herzustellen. Gates und Goodall in den USA stellen aus Aramidfasern Großschläuche für Kernkraftwerke, Chemiewerke und die Ölförderung her. Der Innendurchmesser beträgt 25,4 cm, die Länge beträgt jeweils 12 m, der Betriebsdruck liegt bei 56 kg/cm² und der Biegeradius bei 1,5 m.

3.4 Bewehrungsfeld des Brückenbauwerks
Aramidfasergewebe findet breite Anwendung in der Verstärkung alter Brücken. Bei der Verstärkung von Bauteilen wird Aramidfasergewebe hauptsächlich zur Zugfestigkeit eingesetzt. Es wird üblicherweise für die Zugteile von Trägern, die Schubteile von Trägern und Stützen sowie die Einschlussbewehrung von Stützen oder Brückenpfeilern verwendet. Durch das Aufbringen von zwei Lagen Aramidfaser AFS-40 auf die rissigen Teile der Brückenpfeiler konnte die Rissbildung kontrolliert und die Tragfähigkeit der Brücke deutlich verbessert werden.

3.5 Elektrisches und elektronisches Feld
Aramidfasern zeichnen sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften, elektrische Isolationseigenschaften, Wellenübertragungseigenschaften und Dimensionsstabilität aus. Sie werden in der Elektro- und Elektronikbranche in speziellen Leiterplatten für die Oberflächenmontage (SMT) in der Mikroelektronik-Montagetechnik, in luft- und satellitengestützten Radarantennenabdeckungen, in funktionalen Strukturkomponenten für Radarantennenspeisungen und in beweglichen elektrischen Komponenten eingesetzt. Die reflektierenden Oberflächen der von RCA für mehrere Satelliten entwickelten Mehrfach-Parabolantennen bestehen alle aus mit Aramidfasergewebe verstärkten Verbundwerkstoffen.

3.6 Bereich Hitzeschutz- und Schutzkleidung
Materialien für Raumanzüge für den Außeneinsatz müssen leicht, flexibel, verschleißfest, schlagfest und mechanisch belastbar sein. Sie müssen zudem eine gute chemische, hitze- und lichtbeständige Beständigkeit aufweisen und verschiedene Strahlungen abhalten. Bei extrem hohen und extrem niedrigen Temperaturen sowie unter energiereicher thermischer Lichtstrahlung bleiben die Materialeigenschaften stabil. Aramidfasergewebe ist das bevorzugte Material.

Die hohe Festigkeit und die geringe Dichte von Aramid werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Im Bereich der Dichtungsplatten weisen aramidfaserverstärkte Gummidichtungsplatten, die aus Aramidfasern anstelle von Asbestfasern hergestellt werden, eine gute Dichtleistung auf und sind für den menschlichen Körper unbedenklich. Bei der Forschung zu Scheibenbremsbelägen weist Aramid die beste Reibungsverlustleistung und innere Scherfestigkeit auf und wird voraussichtlich in den kommenden Jahren in den Hinterradbremsen von Pkw und den Vorderradbremsen von Kleinwagen eingesetzt werden. Im Schiffsbau können Aramid-Verbundwerkstoffe das Gewicht des Rumpfes reduzieren und so die Geschwindigkeit des Schiffes erhöhen. Im Bauwesen wird Aramid als Ersatz für Asbest, zur Verstärkung von Zement und als Ersatz für Metallwerkstoffe verwendet, um eine leichte und hochfeste Haupttragstruktur zu gewährleisten. Aramid wird auch zur Herstellung von Raumanzügen, Feuerwehranzügen usw. verwendet. Aramid wird mittlerweile als Ersatz für Stahldraht bei der Herstellung von Unterwasserkabeln, insbesondere Tiefseekabeln, eingesetzt. Aramidfasern werden auch an der Außenseite von Betonstützen angebracht, um die Volumenausdehnung des Betons bei Beschädigung zu hemmen und dessen Festigkeit und Erdbebensicherheit zu verbessern.

Aramid, eine wichtige Erfindung der Polymerfaserindustrie des 20. Jahrhunderts, wird aufgrund seiner hohen Festigkeit, geringen Dichte, hohen Temperaturbeständigkeit und weiterer Eigenschaften in immer mehr Bereichen eingesetzt. Die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Verwendung von Aramid als Verstärkungsmaterial zur Herstellung von Verbundwerkstoffen. Aufgrund der komplexen Herstellung und Verarbeitung von Aramid sowie seiner hohen Kosten ist seine breite Anwendung derzeit jedoch noch nicht möglich. Da Aramidfasern nur wenige funktionelle Gruppen aufweisen und schlecht an der Matrix haften, müssen sie einer Kantenbehandlung oder der Zugabe von Klebstoffen unterzogen werden. Die Forschung und Entwicklung dieser Technologie kann das Anwendungsspektrum von Aramid erweitern.