אחד מארבעת הסיבים בעלי הביצועים הגבוהים: סיב ארמיד

סיב ארמיד, קיצור של סיב פוליאמיד ארומטי, מופיע בין ארבעת הסיבים בעלי הביצועים הגבוהים המועדפים לפיתוח בסין, יחד עם סיבי פחמן, סיב פוליאתילן בעל משקל מולקולרי גבוה במיוחד (UHMWPE) וסיב בזלת. כמו ניילון רגיל, סיב ארמיד שייך למשפחת סיבי הפוליאמיד, עם קשרי אמיד בשרשרת המולקולרית הראשית. ההבדל העיקרי טמון בקשר: קשרי האמיד של הניילון מחוברים לקבוצות אליפטיות, בעוד שאלו של הארמיד מצומדים לטבעות בנזן. מבנה מולקולרי מיוחד זה מעניק לסיב הארמיד חוזק צירי גבוה במיוחד (>20cN/dtex) ומודולוס (>500GPa), מה שהופך אותו לחומר המועדף לחיזוק כבלים מתקדמים.

סוגי סיבי ארמיד

סיב ארמידכולל בעיקר סיבי פוליאמיד ארומטיים לחלוטין וסיבים פוליאמיד ארומטיים הטרוציקליים, אשר ניתן לסווג עוד לאורתו-ארמיד, פארא-ארמיד (PPTA) ומטא-ארמיד (PMTA). מבין אלה, מטא-ארמיד ופארא-ארמיד הם אלה שעברו תהליך מתועש. מנקודת מבט של מבנה מולקולרי, ההבדל העיקרי בין השניים טמון במיקום אטום הפחמן בטבעת הבנזן שאליה מחובר קשר האמיד. הבדל מבני זה מוביל להבדלים משמעותיים בתכונות מכניות וביציבות תרמית.

פארא-ארמיד

פארא-ארמיד, או פולי(p-פנילן טרפתלאמיד) (PPTA), הידוע גם בסין בשם ארמיד 1414, הוא פולימר לינארי גבוה עם יותר מ-85% מקשרים אמידים שלו קשורים ישירות לטבעות ארומטיות. מוצרי פארא-ארמיד המצליחים ביותר מבחינה מסחרית הם Kevlar® של דופונט ו-Twaron® של טייג'ין, השולטים בשוק העולמי. זה היה הסיב הראשון שיוצר אי פעם באמצעות תמיסת טוויה של פולימר גבישי נוזלי, ובכך בישר עידן חדש של סיבים סינתטיים בעלי ביצועים גבוהים. מבחינת תכונות מכניות, חוזק המתיחה שלו יכול להגיע ל-3.0-3.6 GPa, מודול אלסטיות 70-170 GPa, והתארכות בשבירה 2-4%. מאפיינים יוצאי דופן אלה מעניקים לו יתרונות שאין להם תחליף בחיזוק כבלים אופטיים, הגנה בליסטית ותחומים אחרים.

מטא-ארמיד

מטא-ארמיד, או פולי(m-פנילן איזופתלאמיד) (PMTA), הידוע גם בסין בשם ארמיד 1313, הוא סיב אורגני מוביל העמיד בפני טמפרטורה גבוהה. המבנה המולקולרי שלו מורכב מקבוצות אמיד המקשרות בין טבעות מטא-פנילן, ויוצרות שרשרת ליניארית זיגזגית המיוצבת על ידי קשרי מימן בין-מולקולריים חזקים ברשת תלת-ממדית. מבנה זה מעניק לסיב עמידות מעולה בפני בעירה, יציבות תרמית ועמידות בפני קרינה. מוצר טיפוסי הוא Nomex® של דופונט, עם מדד חמצן מגביל (LOI) של 28-32, טמפרטורת מעבר זכוכית של כ-275°C וטמפרטורת שירות רציפה מעל 200°C, מה שהופך אותו לשימוש נרחב בכבלים עמידים באש ובחומרי בידוד בטמפרטורה גבוהה.

תכונות יוצאות דופן של סיבי ארמיד

סיב ארמיד מציע חוזק גבוה במיוחד, מודולוס גבוה, עמידות בחום, עמידות בפני חומצות ובסיס, משקל נמוך, בידוד, עמידות להזדקנות, מחזור חיים ארוך, יציבות כימית, היעדר טיפות מותכות במהלך בעירה ופליטות גזים לא רעילות. מנקודת מבט של יישום כבלים, פארא-ארמיד עולה על מטא-ארמיד בעמידות תרמית, עם טווח טמפרטורות שירות רציף של -196 עד 204 מעלות צלזיוס וללא פירוק או התכה ב-500 מעלות צלזיוס. התכונות הבולטות ביותר של פארא-ארמיד כוללות חוזק גבוה במיוחד, מודולוס גבוה, עמידות בחום, עמידות כימית וצפיפות נמוכה. חוזקו עולה על 25 גרם/dtex - פי 5 עד 6 מזה של פלדה איכותית, פי 3 מזה של פיברגלס, ופי שניים מזה של חוט ניילון תעשייתי בעל חוזק גבוה. המודולוס שלו הוא פי 2-3 מזה של פלדה או פיברגלס ופי 10 מזה של ניילון בעל חוזק גבוה. הוא קשיח פי שניים מחוט פלדה ושוקל רק כחמישית ממנו, מה שהופך אותו למתאים במיוחד לשימוש כחיזוק בכבלים אופטיים, כבלים תת-ימיים וסוגי כבלים יוקרתיים אחרים.

תכונות מכניות של סיבי ארמיד

מטא-ארמיד הוא פולימר גמיש בעל חוזק שבירה גבוה יותר מפוליאסטר, כותנה או ניילון רגילים. יש לו קצב התארכות גבוה, תחושה רכה, יכולת סיבוב טובה, וניתן לייצר אותו לסיבים קצרים או חוטים במגוון דניירים. ניתן לטוות אותו לבדים ובדים לא ארוגים באמצעות מכונות טקסטיל סטנדרטיות ולעבד אותו כדי לענות על צרכי ביגוד מגן של תעשיות שונות. בבידוד חשמלי, תכונות מעכבות בעירה ועמידות בחום של מטא-ארמיד בולטות. עם LOI גדול מ-28, הוא לא ימשיך לבעור לאחר עזיבת הלהבה. עמידות הלהבה שלו היא מהותית למבנה הכימי שלו, מה שהופך אותו למעכב בעירה לצמיתות - עמיד בפני אובדן ביצועים עקב כביסה או שימוש ארוך טווח. למטא-ארמיד יציבות תרמית מצוינת, עם שימוש רציף ב-205 מעלות צלזיוס ושמירה חזקה על חוזק גם בטמפרטורות מעל 205 מעלות צלזיוס. טמפרטורת הפירוק שלו גבוהה, והוא אינו נמס או נוטף בטמפרטורות גבוהות, ומתחיל להתפחמן רק מעל 370 מעלות צלזיוס. תכונות אלה הופכות אותו לאידיאלי לבידוד וחיזוק בכבלים בטמפרטורה גבוהה או עמידים באש.

יציבות כימית של סיבי ארמיד

למטא-ארמיד עמידות מצוינת לרוב הכימיקלים ולחומצות אנאורגניות מרוכזות, אם כי הוא רגיש לחומצות גופרתיות וחומצות חנקתיות מרוכזות. יש לו גם עמידות טובה לאלקליות בטמפרטורת החדר.

עמידות לקרינה של סיבי ארמיד

מטא-ארמיד מציג עמידות יוצאת דופן לקרינה. לדוגמה, תחת חשיפה ממושכת לאור אולטרה סגול של 1.2×10⁻² W/cm² ולקרני גמא של 1.72×10⁸ רד, חוזקו נותר ללא שינוי. עמידות יוצאת דופן זו לקרינה הופכת אותו למתאים במיוחד לכבלים המשמשים בתחנות כוח גרעיניות ובחלליות.

עמידות של סיבי ארמיד

מטא-ארמיד גם מציג עמידות מצוינת בפני שחיקה וכימיקלים. לאחר 100 כביסות, בד העשוי ממטא-ארמיד המיוצר מקומית שומר על למעלה מ-85% מחוזק הקריעה המקורי שלו. ביישומי כבלים, עמידות זו מבטיחה יציבות ביצועים מכנית וחשמלית לטווח ארוך.

יישומים של סיבי ארמיד

סיב ארמיד נמצא בשימוש נרחב בתעשיות התעופה והחלל, הרכב, האלקטרומכניקה, הבנייה והספורט של סין בשל תכונותיו המכניות המצוינות, עמידותו בטמפרטורה גבוהה ויציבותו הכימית. הוא נחשב לחומר מפתח לפיתוח עתידי של תעשיות בעלות ביצועים גבוהים. בפרט, לארמיד תפקיד שאין לו תחליף בתחומי כבלי תקשורת אופטיים, כבלי חשמל, כבלים עמידים בטמפרטורה גבוהה, כבלים תת-ימיים וכבלים מיוחדים.

שדות תעופה וחלל

סיבי ארמיד מתאפיינים בצפיפות נמוכה, חוזק גבוה ועמידות מעולה בפני קורוזיה. הם משמשים באופן נרחב ברכיבים מבניים של כלי רכב חלליים, כגון מעטפות מנועי רקטה ומבני רדום רחבי פס. החומרים המרוכבים שלהם מציגים עמידות מצוינת בפני פגיעות ושקיפות גלים אלקטרומגנטיים, מה שמפחית משמעותית את משקל המטוסים ומשפר את הבטיחות. במגזר הביטחוני, ארמיד משמש באפודי מגן, קסדות ומכלים עמידים בפני פיצוץ, מה שהופך אותו לחומר מוביל עבור הדור הבא של הגנה צבאית קלת משקל.

תחומי הבנייה והתחבורה

בתעשיית הבנייה, סיבי ארמיד משמשים לחיזוק מבני ומערכות כבלי גשר בשל משקלם הקל, גמישותו ועמידותו בפני קורוזיה. הם יעילים במיוחד בחיזוק מבנים לא סדירים. בתחבורה, ארמיד מיושם בבדי חוטי צמיגים לרכבים ומטוסים. צמיגים מחוזקים בארמיד מציעים חוזק גבוה, עמידות בפני ניקוב, עמידות בחום וחיי שירות ארוכים, ועומדים בדרישות הביצועים של כלי רכב ומטוסים מודרניים במהירות גבוהה.

תעשיית החשמל, האלקטרוניקה והכבלים

לסיב ארמיד יישומים בולטים במיוחד במגזרי החשמל, האלקטרוניקה, החוטים והכבלים, ובמיוחד בתחומים הבאים:

חלקי מתיחה בכבלים אופטיים: עם חוזק מתיחה ומודולוס גבוהים, סיב ארמיד משמש כחלק מתיחה בכבלים אופטיים לתקשורת, ומגן על סיבים אופטיים עדינים מפני עיוות תחת מתח ומבטיח העברת אות יציבה.

חיזוק בכבלים: בכבלים מיוחדים, כבלים תת-ימיים, כבלי חשמל וכבלים עמידים לטמפרטורות גבוהות, ארמיד משמש בדרך כלל כאלמנט חיזוק מרכזי או שכבת שריון. בהשוואה לחיזוקים ממתכת, ארמיד מציע חוזק עדיף במשקל נמוך יותר, ומשפר מאוד את חוזק המתיחה והיציבות המכנית של הכבל.

בידוד ועמידות בעירה: חומרים מרוכבים מסוג ארמיד הם בעלי יציבות דיאלקטרית ותרמית מצוינת. הם נמצאים בשימוש נרחב בשכבות בידוד כבלים, מעילים מעכבי בעירה, וציפויים נטולי הלוגן בעלי פליטת עשן נמוכה. נייר ארמיד, לאחר ספיגה בלכה מבודדת, משולב עם נציץ טבעי לשימוש במנועים ושנאים עמידים לטמפרטורות גבוהות.

כבלים עמידים באש וכבלים לתחבורה ציבורית: עמידותם הטבעית בפני להבה וסבילות החום של סיבי ארמיד הופכים אותם לאידיאליים לשימוש בכבלים על ספינות, כבלים לתחבורה ציבורית וכבלים עמידים באש ברמה גרעינית, בהם תקני הבטיחות מחמירים.

EMC וקלות משקל: השקיפות האלקטרומגנטית המעולה והקבוע הדיאלקטרי הנמוך של ארמיד הופכים אותו מתאים לשכבות מיגון EMI, רדומים של מכ"ם ורכיבי אינטגרציה אופטואלקטרונית, מה שעוזר לשפר את התאימות האלקטרומגנטית ולהפחית את משקל המערכת.

יישומים אחרים

בשל תכולת הטבעות הארומטיות הגבוהה שלו, סיב ארמיד מציע יציבות כימית ועמידות בפני קורוזיה יוצאות דופן, מה שהופך אותו מתאים לחבלים ימיים, כבלי קידוח נפט וכבלים אופטיים להולכת קרקע בסביבות קשות. הוא נמצא בשימוש נרחב גם בציוד ספורט איכותי, ציוד מגן ורפידות בלמים לרכב, והוא מאומץ יותר ויותר כחלופה ידידותית לסביבה לאזבסט ביישומי איטום ובידוד, פאנלים בידוד תרמי ורכיבי איטום אחרים, מה שמבטיח הן ביצועים והן בטיחות סביבתית.