الأراميد عبارة عن مادة اصطناعية عضوية ذات قوة عالية، ومرونة عالية، وكثافة منخفضة، ومقاومة عالية للتآكل وخصائص كيميائية مستقرة.
الاسم الكامل للأراميد هو ألياف البولي أميد العطرية، وهي مادة اصطناعية عضوية تتميز بقوة عالية، ومعامل مرونة مرتفع، وكثافة منخفضة، ومقاومة عالية للتآكل، وخصائص كيميائية مستقرة. في عام ١٩٧٤، أطلقت عليها لجنة التجارة الفيدرالية الأمريكية (FTC) اسم "ألياف الأراميد"، والذي يُعرّف بأنه: ما لا يقل عن ٨٥٪ من سلاسل الأميد (-CONH-) تتصل مباشرةً بحلقتين من البنزين. في أوائل الستينيات، طورت شركة دوبونت ألياف ميتا أراميد HF-1 ذات الثبات الحراري الممتاز، وهي ألياف نومكس. في بلدي، كان يُطلق عليها اسم الأراميد. وقد حصلت على تعريف الأراميد ١٤ في عام ١٩٨١ والأراميد ١٤١٤ في عام ١٩٨٥. ولأن ألياف الأراميد المفردة بها عيوب عند استخدامها، وتقل قوتها بعد ملامستها للماء، يُصنع الأراميد عادةً في مواد مركبة ويُستخدم كألياف تقوية في المواد للتكيف مع بيئات الاستخدام المختلفة، كما يُمكنه تحسين أداء المواد.
تصنيف وخصائص الأراميد
1.1 بارا أراميد طُوِّر البارا أراميد، المعروف أيضًا باسم PPTA (بولي-P-فينيلينيفيرفثالاميد)، بنجاح في عام ١٩٧١ وبدأ إنتاجه في العام التالي. يتميز هيكل سلسلته الرئيسية بانتظام عالٍ، وتوجد جزيئاته الكبيرة في حالة تمدد شديد. يتميز بمقاومته لدرجات الحرارة العالية والحرائق والتآكل الكيميائي، وخواصه الميكانيكية العالية ومقاومة التعب، وكثافته المنخفضة. تبلغ قوته ثلاثة أضعاف قوة الفولاذ وأربعة أضعاف قوة خيوط البوليستر الصناعية عالية القوة. يتراوح معامل المرونة الأولي بين أربعة وعشرة أضعاف قوة خيوط البوليستر الصناعية وأكثر من عشرة أضعاف قوة ألياف البولي أميد. يتميز بثبات جيد، مع انكماش صفري عند ١٥٠ درجة مئوية، ويمكنه الحفاظ على قوة عالية في درجات الحرارة العالية، مثل ٦٥٪ من قوته الأصلية عند ٢٦٠ درجة مئوية. يتميز أيضًا بالتصاق جيد بالمطاط، وهو ألياف مثالية للحبال. مثل كيفلر-49 من شركة دوبونت في الولايات المتحدة، وتوارون من شركة إينكا في هولندا، والأراميد 1414 في الصين.
1.2 ميتا أراميد بدأت دراسة ميتا أراميد، المعروف أيضًا باسم MPIA (بولي-م-فينيلين إيسوفثالاميد)، عام ١٩٥٦ ودخل الصناعة عام ١٩٦٧. تتميز السلسلة الجزيئية الكبيرة لميتا أراميد بنمط متعرج، وتتمتع بخصائص فيزيائية وميكانيكية ممتازة، مثل المتانة والاستطالة بعد الكسر. ومن أبرز مميزاتها مقاومة ممتازة للحريق والأكسدة. بعد الاستخدام المتواصل عند درجة حرارة ٢٦٠ درجة مئوية لمدة ١٠٠٠ ساعة، تحافظ على قوتها بنسبة ٦٥٪ من قوتها الأصلية؛ وبعد استخدامها عند درجة حرارة عالية تبلغ ٣٠٠ درجة مئوية لمدة ٧ أيام، تحافظ على قوتها الأصلية. كما أنها قابلة للاشتعال وتتميز بخواص إطفاء ذاتي بعد ترك اللهب؛ وتتميز بثبات جيد في الأحماض والقلويات وعوامل التبييض وعوامل الاختزال والمذيبات العضوية. كما تتميز بمقاومة جيدة للإشعاع. أما عيوبها فهي نفسها عيوب النايلون، وهي ضعف ثباتها لأشعة الشمس وصعوبة صبغها.
1.3 مقارنة أداء الأراميد مع الألياف الأخرى يتميز الأراميد بخصائص ميكانيكية ممتازة. مقارنةً بالألياف الأخرى، يتميز الأراميد بمقاومة عالية لدرجات الحرارة العالية، واستطالة منخفضة، ومعامل مرونة عالٍ، وقوة عالية، وخاصةً ألياف البارا أراميد (ألياف كيفلر)، التي تتميز بخصائص ممتازة.
تحضير المواد المركبة من الأراميد
ألياف الأراميد، مثل الألياف الزجاجية، لها أشكال منتجات مثل الخيوط المجدولة، والخيوط غير المجدولة، وأنواع مختلفة من القماش، والشريط اللاصق، واللباد، والخيوط المقطعة. هناك نوعان رئيسيان من تحضير المواد المركبة: مركب لف الألياف إلى الألياف، ومركب الألياف إلى الراتنج أو المطاط.
2.1 صب مركب من ألياف إلى ألياف
اللف الرطب واللف الجاف هما الطريقتان الرئيسيتان لقولبة لف المواد المركبة. ميزتها الرئيسية هي سهولة التحكم في محتوى الغراء. لذلك، في الماضي، كانت تُستخدم دائمًا طريقة قولبة لف جاف واحدة في قولبة حاويات الضغط العالي المركبة. ومع ذلك، يتميز اللف الرطب بانخفاض تكلفة المنتج، وانخفاض تآكل الألياف، وانخفاض نسبة الفراغ، وارتفاع كفاءة الإنتاج، وهو معتمد على نطاق واسع في الخارج. في الماضي، اعتمدت بلدي دائمًا طريقة القولبة الجافة وطوّرت عشرات من صيغ لاصقة القولبة الجافة. استُخدمت بعض الصيغ، مثل 4304 و4303A، بنجاح في محركات الصواريخ الصلبة الكبيرة. يتم تنفيذ العملية كما يلي: فك ألياف الأراميد ← الخلط ← القولبة ← المعالجة الحرارية ← الطحن ← المنتج النهائي.
تشكيل اللف الرطب يشبه التشكيل الجاف. يجب أن تتمتع مصفوفة الراتنج بخصائص ميكانيكية معينة. وفي الوقت نفسه، يجب التحكم في لزوجة نظام المصفوفة ضمن نطاق معين لضمان تشريب حزمة الألياف بالكامل أثناء التشكيل. هناك طريقتان رئيسيتان لتقليل لزوجة النظام: (أ) اختيار مخفف نشط منخفض اللزوجة ومناسب. غالبًا ما تلبي لزوجة النظام متطلبات عملية التشريب، ولكن في الوقت نفسه تنخفض خصائصه الميكانيكية ومقاومته للحرارة بشكل كبير. بعد الفرز، يُستخدم مخفف مختلط ويلبي متطلبات التصميم إلى حد ما. (ب) اختيار عامل معالجة سائل. يمكن أن تؤدي إضافة عامل معالجة سائل إلى تقليل لزوجة نظام التركيبة إلى حد ما. هناك نقص في الأبحاث الإضافية حول التركيبة الرطبة وتقنية تشكيل التركيبة الرطبة لألياف الأراميد، وتُعتبر تقنية التركيبة الرطبة عالية الأداء التقنية الرئيسية التي يجب حلها أولاً في تشكيل اللف الرطب.
2.2 صب الألياف والراتنج المركب
طريقة التشكيل هي نفسها طريقة تشكيل الألياف الزجاجية، بما في ذلك اللف، والوضع اليدوي، والتشريب، وكيس التفريغ، والضغط، والحقن، والتي يمكن اختيارها وفقًا للاحتياجات. تشمل الراتنجات التي غالبًا ما تتوافق مع ألياف الأراميد الإيبوكسي، والفينول، والبوليستر غير المشبع، وإستر الفينيل، والبولي إيميد، إلخ. في السنوات الأخيرة، تُستخدم أيضًا مع النايلون، وPBT، إلخ. في دراسة خصائص الشد لمواد مركبة أحادية الاتجاه من ألياف الأراميد/البولي بروبيلين المختلطة، استخدم Zhang Maolin وآخرون خيوط الأراميد غير المجدولة (مادة تقوية) كخيوط سدى وألياف البولي بروبيلين (ألياف المصفوفة) كخيوط لحمة لنسج بوليمر مسبق من البلاستيك الحراري بنسج عادي. صُنعت المواد المركبة تحت درجة حرارة وضغط معينين، وتم تعديل كثافة خيوط السدى واللحمة للتحكم في تكوين المادة. تُستخدم الحبال المصنوعة من الأراميد على نطاق واسع بشكل متزايد في صناعة إطارات السيارات. تتطور تكنولوجيا المواد المركبة من الأراميد والمطاط بسرعة. ونظرًا لقلة المجموعات الوظيفية النشطة في ألياف الأراميد، يصعب التصاقها بالمطاط. ولحل مشكلة الالتصاق، تُتخذ الإجراءات التالية بشكل عام: من جهة، يتم تعديل أو تحسين تركيبة وطريقة نظام التشريب. حاليًا، تُضاف مواد لاصقة خاصة بالتشريب ثنائي الحمامات أو مواد لاصقة خاصة بالتشريب إلى التشريب أحادي الحمامات؛ ومن جهة أخرى، تُضاف المواد اللاصقة إلى تصميم تركيبة مركب المطاط. وبفضل التأثير التآزري للجانبين المذكورين، يتم تحقيق تأثير التصاق مثالي.
أداء وتطبيق المواد المركبة الأراميدية
يعتمد استخدام مواد الأراميد بشكل أساسي على خصائصها الممتازة مثل القوة العالية ومعامل المرونة العالي.
3.1 مجال مضاد للرصاص
تُفضّل جميع فئات المجتمع، وخاصةً العسكريين، قوة الأراميد العالية. ظهرت الخوذات الحديثة خلال الحرب العالمية الأولى، واستُخدمت لتقليل إصابات الجنود. بعد الحرب العالمية الثانية وحتى سبعينيات القرن الماضي، كانت الخوذات العسكرية المضادة للرصاص مصنوعة بالكامل من الفولاذ، ومعظمها مصنوع من فولاذ المنغنيز العالي أو فولاذ خاص، وكانت أغلفة الخوذات مختومة في الغالب. تُستخدم خوذات النايلون بشكل رئيسي في المملكة المتحدة وإسرائيل. تحتوي الخوذة على طبقة عازلة للصدمات من رغوة البولي إيثيلين عالية الكثافة لتحسين الراحة. خوذات الأراميد عبارة عن قماش أراميد متعدد الطبقات مُلصق براتنجات خاصة ومُشكّل تحت درجة حرارة وضغط عاليين. طورت شركة دوبونت خوذات الأراميد في سبعينيات القرن الماضي. تتميز بقوتها العالية، وخفة وزنها، وأدائها الوقائي الجيد، وقد اعتمدتها دولٌ عديدة.
تُعزى مقاومة ألياف الأراميد للصدمات الباليستية إلى ثباتها الحراري الفائق، وبلوريتها العالية، وبنيتها عالية التوجيه، وأدائها العالي في مقاومة الشد. تُمكّن درجة حرارة انتقال الزجاج العالية والثبات الحراري الممتاز ألياف الأراميد من ضمان استقرار الهياكل المقاومة للصدمات في درجات الحرارة العالية الناتجة عن الصدمات الباليستية؛ كما تُنتج التبلورية العالية والتوجيه العالي معامل مرونة عالي، مما يضمن استجابة سريعة للتشوه المحوري؛ وتمنح المرونة العالية والاستطالة المتوسطة ألياف الأراميد صلابة عالية، مما يسمح لها بالعمل بفعالية عند الكسر الطولي. وقد أجرت بلادي أبحاثًا على ألواح الأراميد المقاومة للرصاص، وأحرزت تقدمًا في تحقيق النسبة المثلى بين المصفوفة والألياف.
3.2 مجال الإطارات
المطاط هو المكون الرئيسي للإطارات. ولتحسين متانتها، استُخدمت الأسلاك الفولاذية لأول مرة كمواد تقوية في الصناعة. ومع ذلك، نظرًا لكثافة الأسلاك الفولاذية العالية، فإن زيادة متانة الإطار ستؤدي إلى زيادة وزن هيكل السيارة وزيادة استهلاك الطاقة. ونتيجةً لوجود الأسلاك الفولاذية، يصبح الإطار أكثر صلابةً وعرضةً للصدمات، وتقل راحته. وخاصةً في المركبات الثقيلة، تكون قدرة تحملها عالية جدًا، وتزداد متطلبات الإطارات.
بالمقارنة مع أسلاك الفولاذ، يتميز سلك الأراميد بمقاومة عالية لدرجات الحرارة، وقوة عالية، ومعامل مرونة مرتفع، وتشوه منخفض، ومرونة منخفضة الكثافة النسبية، ومقاومة للتعب والقص. يجمع هذا السلك بين الأداء الممتاز لأسلاك الفولاذ، والحرير الصناعي، والنايلون، والبوليستر، ويُعرف باسم "سلك الفولاذ الصناعي". وهو المادة الهيكلية المثالية حاليًا.
مزايا حبل الأراميد هي: 1. كحبل، يمكن تقليل هيكل الإطار من ثلاث طبقات إلى طبقة واحدة، ويتم تقليل وزن الإطار، ويتم تقليل مقاومة التدحرج للإطار، ويمكن تقليل استهلاك الوقود. 2. تأثير الترابط لحبل الأراميد والمطاط أفضل من تأثير الأسلاك الفولاذية، ولا يتأثر بسهولة بالرطوبة والرطوبة. 3. بعد استخدام الأراميد كحبل، يتم تحسين صلابة الإطار ومقاومة التآكل، ويتم إطالة عمر خدمة الإطار. 4. بسبب تقليل عدد الهياكل، تم تحسين أداء القيادة وراحة ركوب السيارة بشكل كبير.
ومع ذلك، فإن العيوب الرئيسية للأراميد كحبل هي التكلفة العالية للغاية، وتكنولوجيا الإنتاج معقدة، وتتطلب معدات خاصة للمعالجة.
3.3 مجال خطوط الأنابيب
ألياف كيفلر هي الخيار الأمثل لمواد تقوية الخراطيم. حاليًا، تُستخدم ألياف كيفلر بشكل متزايد في خراطيم السيارات، والصناعات الكيميائية، والبترولية، وخراطيم الهيدروليك المختلفة في صناعة الطيران، والبحرية. تستخدم شركتا كرايسلر وغيتس في الولايات المتحدة ألياف كيلفر كمادة تقوية لخراطيم أجهزة تبريد السيارات، لإنتاج خراطيم تبريد السيارات بدرجة حرارة تصل إلى حوالي 150 درجة مئوية. أما غيتس وجودال في الولايات المتحدة، فقد صنعتا خراطيم كبيرة القطر من ألياف الأراميد لمحطات الطاقة النووية، والمصانع الكيميائية، واستكشاف النفط. يبلغ قطرها الداخلي 25.4 سم، وطول كل منها 12 مترًا، وضغط العمل التصميمي 56 كجم/سم²، ونصف قطر الانحناء 1.5 متر.
3.4 مجال تعزيز هيكل الجسر
لقماش ألياف الأراميد تطبيقات واسعة في تقوية الجسور القديمة. يُستخدم قماش ألياف الأراميد بشكل رئيسي لمقاومة الشد في تقوية الأجزاء، وأجزاء القص في العوارض والأعمدة، وفي تقوية الأعمدة أو ركائز الجسور. بعد لصق طبقتين من ألياف الأراميد AFS-40 على الأجزاء المتشققة من ركائز الجسر، تمت السيطرة على تطور التشققات، وتحسنت قدرة الجسر على التحمل بشكل ملحوظ.
3.5 المجال الكهربائي والإلكتروني تتميز ألياف الأراميد بخصائص ميكانيكية ممتازة، وخصائص عزل كهربائي، وخصائص نقل موجات، وثبات أبعادي. وقد استُخدمت في المجالين الكهربائي والإلكتروني في لوحات الدوائر المطبوعة الخاصة بتقنية التركيب السطحي (SMT) في تقنية تجميع الإلكترونيات الدقيقة، وأغطية هوائيات الرادار المحمولة جوًا أو عبر الأقمار الصناعية، والمكونات الهيكلية الوظيفية لتغذية هوائيات الرادار، والمكونات الكهربائية المتحركة. جميع الأسطح العاكسة للهوائيات المكافئة المتعددة التي طورتها شركة RCA للأقمار الصناعية المتعددة مصنوعة من مواد مركبة معززة بنسيج ألياف الأراميد.
3.6 مجال الملابس المقاومة للحرارة والواقية
يجب أن تكون مواد بدلات الفضاء الخارجية خفيفة الوزن، ومرنة، ومقاومة للتآكل والصدمات، ومتينة ميكانيكيًا. كما تتميز بمقاومتها الكيميائية والحرارية والضوء، بالإضافة إلى قدرتها على منع الإشعاعات المختلفة. وتتمتع هذه المواد بخصائص ثابتة في درجات الحرارة العالية جدًا والمنخفضة جدًا، وتحت تأثير الإشعاع الضوئي الحراري عالي الطاقة. ويُفضل استخدام نسيج ألياف الأراميد.
3.7 مجالات أخرى
يُستخدم الأراميد، ذو القوة العالية والكثافة المنخفضة، في مجالات متنوعة. ففي مجال ألواح العزل، تتميز ألواح العزل المطاطية المقواة بألياف الأراميد، المصنوعة من ألياف الأراميد بدلاً من ألياف الأسبستوس، بأداء عزل جيد وهي غير ضارة بجسم الإنسان. وفي أبحاث وسادات الفرامل القرصية، يتميز الأراميد بأفضل أداء لفقدان الاحتكاك ومقاومة القص الداخلي، ومن المتوقع استخدامه في الفرامل الخلفية للسيارات والفرامل الأمامية للسيارات الصغيرة في السنوات الأخيرة. أما في مجال السفن، فيمكن استخدام مواد الأراميد المركبة لتقليل وزن الهيكل وزيادة سرعته؛ وفي مواد البناء، يُستخدم الأراميد بدلاً من الأسبستوس لتقوية الأسمنت، واستبدال المواد المعدنية لتوفير هيكل خفيف الوزن وهيكل رئيسي عالي القوة. كما يمكن استخدام الأراميد في صناعة بدلات الفضاء وبدلات الإطفاء، وغيرها. ويُستخدم الأراميد الآن بدلاً من الأسلاك الفولاذية في صناعة الكابلات تحت الماء، وخاصة كابلات أعماق البحار. كما يتم إضافة ألياف الأراميد إلى الجانب الخارجي للأعمدة الخرسانية لمنع التوسع الحجمي للخرسانة عند تعرضها للتلف وتحسين قوتها ومقاومتها للزلازل.
يُعدّ الأراميد اختراعًا هامًا في صناعة ألياف البوليمر في القرن العشرين، ويُستخدم في مجالات متزايدة نظرًا لقوته العالية، وكثافته المنخفضة، ومقاومته العالية لدرجات الحرارة، وخصائص أخرى. وتركز الأبحاث المتعلقة به بشكل رئيسي على استخدامه كمادة تقوية في تصنيع المواد المركبة. إلا أن تعقيد تحضيره ومعالجته وارتفاع تكلفته لا يسمح باستخدامه على نطاق واسع حاليًا. ونظرًا لقلة مجموعاته الوظيفية وضعف التصاقه بالمصفوفة، يجب معالجة حوافه أو إضافة مواد لاصقة إليه. ويمكن أن يُوسّع البحث والتطوير في هذه التقنية نطاق استخدام الأراميد.
