Aramide / Kevlar is een materiaal dat unieke eigenschappen biedt van uitzonderlijke sterkte en zeer laag gewicht.

Hoewel het soms vergeleken wordt met koolstofvezel zijn er zeer belangrijke verschillen tussen Aramide en koolstofvezel. Eigenlijk is het niet alleen de kleur die Aramide onderscheidt van koolstofvezel – Aramide is geel terwijl koolstofvezel zwart is. Beide materialen bieden verschillende eigenschappen en zijn geschikt voor verschillende behoeften in de industrie.

U kunt meer te weten komen over koolstofvezelcomposieten en hun eigenschappen in het artikel getiteld “Koolstofvezel Composieten”.

In dit artikel worden de eigenschappen van Aramidevezelcomposieten geanalyseerd, de voor- en nadelen ervan, evenals praktische voorbeelden van gebruik in verschillende industrieën en eindproducten.

Geschiedenis

Aramide verwijst naar specifieke materialen die onder verschillende commerciële namen verkrijgbaar zijn.

Dupont was het eerste bedrijf dat in de jaren ’60 aramide introduceerde en vervaardigde onder het geregistreerde handelsmerk Kevlar en het is sinds 1973 op de markt verkrijgbaar. Aramide werd ontdekt door een scheikundige van Poolse afkomst, Stefania Kwolek, die onderzoek deed naar een lichtgewicht en uitzonderlijk sterk materiaal dat in plaats van nylon kon worden gebruikt bij de fabricage van banden.

Heden ten dage is Kevlar het bekendste van alle aramidecomposieten.

Naarmate de tijd verstreek, startten ook andere bedrijven met de productie en begonnen Aramide te leveren met iets andere kenmerken maar vergelijkbare hoofdeigenschappen.

Aramide wordt door andere leveranciers ook geleverd onder diverse handelsnamen, waaronder: Nomex geleverd door Dupont, Twaron en Technora geleverd door Teijin in Japan, Arawin geleverd door Toray in Korea, Kolon geleverd door Heracron in Korea, evenals enkele andere geleverd door Chinese bedrijven.

Elk materiaal met de naam Kevlar, Twaron of Nomex verwijst eigenlijk naar Aramide en heeft uitzonderlijke eigenschappen, waaronder buitengewone weerstand tegen stoten en schuren, weerstand tegen hoge temperaturen, en een laag gewicht. Dankzij deze eigenschappen wordt dit materiaal regelmatig gebruikt door het leger, de luchtmacht, de water- en motorsport, maar ook voor de vervaardiging van banden, kleding en beschermende handschoenen en vele andere toepassingen. Het aantal toepassingen groeit ieder jaar.

Wat zijn de eigenschappen van Aramide/Kevlar?

Aramide in de vorm van Kevlar of Nomex verwijst naar een constructiemateriaal dat een aantal voor- en nadelen biedt. De volgende beschrijving behandelt de essentiële eigenschappen van Aramidcomposieten en droge aramidevezels.

Voordelen van Aramidcomposieten

Hoge weerstand tegen inslag en scheuren

Aramide kenmerkt buitengewone weerstand tegen inslag en het scheurt niet onder druk aangezien het taai is en significante energieabsorptie toelaat. Het wordt wijd gebruikt voor vervaardiging van kogelvrije vesten, boten, kajaks, evenals pantser van componenten in militaire voertuigen.

Composiet gemaakt van Aramid heeft 5 keer grotere weerstand tegen effect dan een koolstofvezelcomposiet (test drop weight impact). Deze buitengewone weerstand tegen inslagen of kogels is het resultaat van lange atoomketens die de structuur van Aramide vormen.
Dankzij deze eigenschappen wordt dit materiaal op grote schaal gebruikt voor militaire doeleinden bij de vervaardiging van kogelvrije vesten en tankpantsermateriaal.

Kogelwerende vesten worden gemaakt van materiaal dat bestaat uit enkele tientallen lagen aramide (bijvoorbeeld Kevlar) en bevatten een keramische plaat tussen de lagen. Schilden die in sommige pantservoertuigen worden gebruikt, zoals de Amerikaanse M1-tank, zijn gemaakt van materiaal waarvan de structuur bestaat uit staal -aramide – staal ter bescherming tegen antitankraketten met een diameter tot 700 mm. Bovendien beschermen de pantserschilden van staal-aramide-staal niet alleen de tank zelf, maar ook de bemanning door de kinetische energie te absorberen die door de binnendringende raket wordt opgewekt.

Een andere toepassing van Kevlar is in de Boeing AH-64 – de primaire aanvalshelikopter van het Amerikaanse leger die is voorzien van rotors van Kevlar. Hier zorgt Kevlar voor bescherming tegen kogels met een diameter tot 23 mm.

Dankzij de hoge slagvastheid wordt Kevlar veel gebruikt voor de bouw van boten en kajaks, bijv. rompen van jachten die zijn ontworpen voor de Volvo Ocean Race, een van de zwaarste sportieve uitdagingen. De meeste hoogwaardige kajaks voor de watersport zijn gemaakt van Kevlar of koolstofvezel/Kevlar hybriden.

Lage dichtheid/laag gewicht

Aramidevezels hebben een extreem laag gewicht, wat een voordeel is bij de vervaardiging van composieten.

Aramidecomposieten zijn ongeveer 20% lichter dan koolstofvezelcomposieten, die zelf als zeer licht worden beschouwd. Het gebruik van aramideweefsels in composieten verhoogt de weerstand tegen inslag en slijtage, en zorgt voor een lager gewicht van composietelementen.

Aramidevezels hebben een dichtheid van ~ 1,45 g/cm3, terwijl aramidecomposieten van aramide en epoxyhars een dichtheid van ~ 1,3 g/cm3 hebben. Deze berekening is gebaseerd op de dichtheid van epoxyhars gemengd met verharder ~1,1 g/cm3, alsmede een geavanceerde technologie die wordt toegepast tijdens de productie van composiet, namelijk prepreg met autoclaaf.

Om koolstofvezels te vergelijken die als zeer licht worden beschouwd, hebben zij dichtheid van koolstofcomposieten – koolstofvezel en epoxyhars gelijk aan 1.55 g/cm3.

Met andere woorden Aramide vezel composieten zijn ongeveer 20% lichter dan koolstofvezel composieten.

Hoe zit het met het vergelijken van het gewicht van Aramide composieten met metalen?
Aramide composieten hebben een dichtheid van 1,3 g/cm3. Bij aluminium is dat 2,7 g/cm3, bij titanium 4,5 g/cm3 en bij staal 7,9 g/cm3.
Met andere woorden Aramide composieten zijn 2 maal lichter dan aluminium, en 3 of 4 maal lichter dan titanium en maar liefst 6 maal lichter dan staal.

Matige stijfheid – vult het gat tussen glasvezel en koolstofvezel

Aramide composieten hebben een hogere stijfheid dan glasvezel composieten en aanzienlijk lager dan koolstofvezel composieten.
Er zijn vele soorten vezels, waaronder koolstof en aramide degenen – bijvoorbeeld van standaard, matige en hoge modules die verschillende stijfheid, sterkte bieden en beschikbaar zijn tegen verschillende prijzen. De onderstaande tabel geeft de stijfheid van bepaalde vezels: glasvezel, koolstofvezel en aramidevezel. Young’s modulus meting gevolgd in lengterichting.

Stijfheid van verschillende composiet vezels:

• Glasvezel weefsels – van 72 GPa (Standaard E-glas) tot 87 GPa (S-Glas weefsels van verhoogde sterkte).
• Koolstofvezelweefsels – van 230 GPa (standaardweefsels gebruikt voor de vervaardiging van composiet – Toray T300 ) tot 590 GPa (HM klasse Toray M60J).
• Aramidevezelweefsels – van 96 GPa (standaard Aramideweefsels toegepast in composieten – namelijk Kevlar 129) tot – 186 GPa (Aramideweefsels namelijk Kevlar 149 gebruikt in de Vliegtuig /Aerospace industrie).

Samenvattend kunnen we concluderen dat Aramide composieten gemaakt van standaard weefsels stijfheid ongeveer 30-40% hoger dan glasvezel composieten en aanzienlijk beperkte prestaties in vergelijking met koolstofvezel composiet – die stijfheid 50% minder dan koolstofvezel composieten biedt.

Lage thermische expansie

Aramide is zeer stabiel bij blootstelling aan hoge temperaturen met bijna nul en licht negatieve thermische expansiecoëfficiënt die gelijk is aan (-2,4 x 10-6/°C).

Niet-geleidend

Aramide is een goede isolator en geleidt geen elektriciteit.

Weerstand tegen schuring

Aramidecomposieten worden veel gebruikt voor onderdelen en componenten die aan schuring worden blootgesteld, b.v. een skid plate die de motor in een raceauto beschermt.
Aramide wordt veel gebruikt door de winningsindustrie (b.v. mijnbouw) voor de versterking van rubberen transportbanden, en zorgt voor een hogere sterkte en slijtvastheid, die volgens de Kevlar-fabrikant tot 50-70% kan worden verbeterd.
Dankzij deze eigenschappen wordt het materiaal gebruikt in composietmaterialen en in werkkleding, bijv. snijbestendige veiligheidshandschoenen, waarvoor aramideweefsels worden gebruikt, bijv. Twaron of Kevlar.

Trillingsabsorptie

Een specifieke eigenschap van Aramidecomposieten heeft betrekking op trillingsabsorptie en bijgevolg wordt Aramide gebruikt voor de vervaardiging van onderdelen die aan trillingen worden blootgesteld, b.v. onderdelen van vliegtuigconstructies.

Lage diëlektrische constante

Aramidecomposiet heeft een lage elektrische permittiviteit van ~3,85 (10 GHz), wat zorgt voor goede prestaties en sterkte van het signaal dat door aramide beschermende omhulsels/luchtradarkoepels dringt. Dit type antenne wordt veel gebruikt voor militaire doeleinden, b.v. in militaire vliegtuigen. Aramidebehuizingen/radomes beschermen antennes tegen schade en zorgen voor goede signaalprestaties.

Vergeleken hiermee biedt E-glasvezelcomposiet een elektrische permittiviteit die overeenkomt met 6,1 (10 GHz), waardoor het signaalvermogen en de prestaties van de antenne 60% lager zijn.
Naast aramide worden ook kwartsweefsels gebruikt die een elektrische permittiviteit bieden van 3,78 (10 GHz).

Gebruik met andere weefsels en creatie van hybride composieten

Aramideweefsels kunnen worden gebruikt in koolstofvezelcomposieten en glascomposieten door de parameters aan te passen aan de eisen, wat veel mogelijkheden biedt voor leveranciers van composietproducten.
In het geval van koolstofvezelcomposieten kun je de slagvastheid verbeteren door een paar lagen aramideweefsels toe te voegen.

Hybride composiet gemaakt van een combinatie van weefsels, namelijk 50% koolstofvezels en 50% aramide vezels, biedt 100-125% betere slagvastheid in vergelijking met composieten die alleen van koolstofvezels zijn gemaakt.
Andere voorbeelden van toepassingen zijn een paar lagen aramide voorzien op plaatsen waar boringen volgen om versterking te verzekeren en het risico van composietschade/scheuren rond gaten te verminderen tijdens de werking of als gevolg van trillingen.

Nadelen van Aramide composieten

Water/vocht absorptie

Aramide vezels hebben een relatief hoog vocht absorptie vermogen (tot 6% van zijn gewicht) daarom Aramide composieten moeten op de juiste wijze worden beschermd – meestal met een top coat om het vocht absorptie vermogen te verminderen. Bovendien worden in het geval van composieten die aan contact met water worden blootgesteld, sommige typen Aramide gebruikt die een verminderd waterabsorberend vermogen hebben, b.v. Kevlar 149 of Armos.

Het is interessant op te merken dat standaard Aramideweefsels een dergelijk hoog absorberend vermogen hebben en dat deze eigenschappen bescherming bieden tegen verbranding en broeien. Dit materiaal wordt zeer vaak gebruikt tijdens pyrotechnische voorstellingen, wanneer het wordt doordrenkt met paraffine. Dankzij zijn unieke eigenschappen, Aramide zorgt voor absorptie van paraffine, maar wordt niet afgebroken tijdens het branden en is bestand tegen hoge temperaturen.

Om de weerstand tegen vocht en microcracking van aramide composiet toplaag te verbeteren, wordt heel vaak een laag glasweefsel toegevoegd om de hechting band van top-coats te verbeteren en eventuele top-coat reparaties in de toekomst te vergemakkelijken.

Moeilijke behandeling en verwerking

Aramide vezels zijn moeilijk te snijden. Daarom kan het productieproces van composieten met inbegrip van aramideweefsels een zeer veeleisend proces blijken te zijn. Bijgevolg is het moeilijk om zowel droge aramideweefsels als afgewerkt aramidecomposiet gemaakt van aramideweefsels en b.v. epoxyharsen te snijden.

Het snijden van droge weefsels is mogelijk met behulp van laser of speciale snijders die voor dit doel zijn ontworpen. Het snijden van afgewerkte Aramide composieten is mogelijk met waterstraalsnijden of frezen met speciaal ontworpen hardmetalen of diamanten gereedschappen. Merk op dat het gebruik van snijders licht rafelige composietranden veroorzaakt.

Tijdens de productie van aramide composieten, al in de ontwerpfase, worden enkele veranderingen en modificaties aangebracht om mallen op de juiste manier aan te passen en de hoeveelheid snijwerk die nodig is na het ontvormen te verminderen. Soms wordt op plaatsen waar gesneden moet worden een laag met hybride weefsels aangebracht, namelijk één met koolstofvezels (50%) en aramidevezels (50%).

Aramidevezels hebben een bescheiden hechting in vergelijking met glasvezels of koolstofvezels en een bescheiden harspenetratie. Daarom wordt voor de productie van aramidecomposieten aanbevolen om epoxyharsen te gebruiken die betere prestaties bieden voor het hechten van aramideweefsellagen.

UV-gerelateerde degradatie

Aramidevezels zijn slecht bestand tegen UV.
UV-straling (zonlicht) veroorzaakt degradatie van aramidevezels. Daarom is bescherming nodig, die een toplaag of materiaallaag kan zijn. Zo worden aramide-lijnen gewoonlijk omhuld door een beschermende laag.

Hoge kosten

Aramide is een kostbaar materiaal met een prijs die vergelijkbaar is met die van koolstofvezel. Daarom wordt het gebruikt voor specifieke doeleinden waar buitengewone weerstand tegen effect/abrasie evenals laag gewicht van het afgewerkte product wordt vereist. Eigenlijk 1 m² afgewerkte prepreg van gewicht 200 g/m2 bestemd voor de productie van composiet is ongeveer 30-40 EUR per m².

Lage compressiesterkte

Aramidevezels bieden een lagere compressiesterkte dan glasvezels of koolstofvezels, daarom worden hybride weefsels veel gebruikt in onderdelen die aan hoge compressie worden blootgesteld, zoals een structuur met een combinatie van aramide- en koolstofvezels.

Aramidegebruik

In de praktijk vindt aramide vele toepassingen. Hier volgen enkele voorbeelden:

Gebruik van aramide in composieten – Aramide composieten:

• Kogelwerende vesten.
• Motorsport en bescherming van aan slijtage/effecten blootgestelde onderdelen, b.v. wielkasten, skid plates.
• Vliegtuigcarrosserie (vaak hybride carbon-Kevlar), rotors, beplating.
• Bagageruimten in vliegtuigen.
• Militaire vliegtuigradarkoepels die specifieke diëlektrische eigenschappen hebben.
• Surfplanken.
• Kayaks.
• Scheepsrompen.
• LPG-cilinders – gewicht is 70% lager dan stalen exemplaren en bieden betere weerstand tegen schokken in vergelijking met koolstofvezel – bijv.b.v. Low8.

Gebruik van Aramide in droge stof:

• Beschermende kleding – waaronder vlamwerende kleding, zoals militaire kleding (b.v. a2cu ), brandweerkleding, of kleding ontworpen voor F1 en NASCAR (meestal Nomex).

  

• Snijbestendige veiligheidshandschoenen.
• Versterking van gerubberde componenten, bijv. distributieriemen.
• Rubberversterking van onderdelen, bijv.b.v. distributieriemen.
• Versteviging van banden.
• Touwen.
• Optische kabels voorzien van aramidevezelvoering die scheuren voorkomt en beschermt tegen kortstondig contact met vuur.
• Zeildoek.
• Trommelkoppen.
• Aramide papier gebruikt in honingraat.

Samenvatting
Aramide biedt buitengewone eigenschappen en prestaties met betrekking tot weerstand tegen impact, slijtage, snijden en ultra-lage gewicht dat 20% lager is dan koolstofvezel.
Tegelijkertijd vertoont dit materiaal enkele nadelen zoals moeilijke behandeling en verwerking of vochtabsorptie.

Wij hopen dat iedereen door het lezen van dit artikel meer te weten kan komen over de voor- en nadelen, en tevens kan bijdragen tot een optimaal gebruik ervan door ingenieurs en ontwerpers.

FABRIEK VAN ARAMID COMPOSITES

Dexcraft levert aramide composiet producten zoals kogelwerende vesten, onderdelen voor de carrosserie van raceauto’s, aramide platen en andere composieten.

Voor meer informatie kunt u terecht op: Kevlar & Aramide onderdelen fabricage.