أحد الألياف الأربعة عالية الأداء: ألياف الأراميد

تُعدّ ألياف الأراميد، اختصارًا لألياف البولي أميد العطرية، من بين الألياف الأربعة عالية الأداء التي تحظى بالأولوية في التطوير في الصين، إلى جانب ألياف الكربون، وألياف البولي إيثيلين ذات الوزن الجزيئي العالي جدًا (UHMWPE)، وألياف البازلت. ومثل النايلون العادي، تنتمي ألياف الأراميد إلى عائلة ألياف البولي أميد، حيث توجد روابط أميدية في السلسلة الجزيئية الرئيسية. ويكمن الاختلاف الرئيسي في نوع الرابطة: فروابط الأميدية في النايلون مرتبطة بمجموعات أليفاتية، بينما في الأراميد تكون مترافقة مع حلقات البنزين. يمنح هذا التركيب الجزيئي الخاص ألياف الأراميد قوة محورية عالية للغاية (>20 سنتي نيوتن/ديستكس) ومعامل مرونة عالٍ (>500 جيجا باسكال)، مما يجعلها المادة المفضلة لتقوية الكابلات عالية الأداء.

أنواع ألياف الأراميد

ألياف الأراميديشمل هذا النوع بشكل رئيسي ألياف البولي أميد العطرية بالكامل وألياف البولي أميد العطرية غير المتجانسة، والتي يمكن تصنيفها بدورها إلى أورثو-أراميد، وبارا-أراميد (PPTA)، وميتا-أراميد (PMTA). ومن بين هذه الأنواع، يُعدّ ميتا-أراميد وبارا-أراميد الأكثر استخدامًا في الصناعة. من منظور التركيب الجزيئي، يكمن الاختلاف الرئيسي بينهما في موضع ذرة الكربون في حلقة البنزين التي ترتبط بها رابطة الأميد. ويؤدي هذا الاختلاف البنيوي إلى تباينات ملحوظة في الخواص الميكانيكية والاستقرار الحراري.

بارا-أراميد

البارا-أراميد، أو بولي (بارا-فينيلين تيريفثالاميد) (PPTA)، والمعروف أيضًا في الصين باسم أراميد 1414، هو بوليمر خطي عالي الكثافة، حيث ترتبط أكثر من 85% من روابط الأميد فيه مباشرةً بحلقات عطرية. يُعدّ كلٌّ من كيفلار® من دوبونت وتوارون® من تيجين من أنجح منتجات البارا-أراميد تجاريًا، إذ يهيمنان على السوق العالمية. وكان أول ليف يُنتج باستخدام محلول غزل بوليمر بلوري سائل، مما بشّر بعصر جديد من الألياف الاصطناعية عالية الأداء. أما من حيث الخواص الميكانيكية، فتبلغ قوة شدّه 3.0-3.6 جيجا باسكال، ومعامل مرونته 70-170 جيجا باسكال، واستطالته عند الكسر 2-4%. تمنحه هذه الخصائص الاستثنائية مزايا لا تُضاهى في تقوية الكابلات الضوئية، والحماية الباليستية، وغيرها من المجالات.

ميتا أراميد

الميتا-أراميد، أو بولي (م-فينيلين إيزوفثالاميد) (PMTA)، والمعروف أيضًا في الصين باسم أراميد 1313، هو ألياف عضوية رائدة مقاومة لدرجات الحرارة العالية. يتكون تركيبه الجزيئي من مجموعات أميد تربط حلقات ميتا-فينيلين، مُشكلةً سلسلة خطية متعرجة مُستقرة بروابط هيدروجينية قوية بين الجزيئات في شبكة ثلاثية الأبعاد. يمنح هذا التركيب الألياف خصائص ممتازة في مقاومة اللهب، والاستقرار الحراري، ومقاومة الإشعاع. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك نومكس® من دوبونت، بمؤشر أكسجين محدود (LOI) يتراوح بين 28 و32، ودرجة حرارة انتقال زجاجي تبلغ حوالي 275 درجة مئوية، ودرجة حرارة تشغيل مستمرة تتجاوز 200 درجة مئوية، مما يجعله واسع الاستخدام في الكابلات المقاومة للحريق ومواد العزل الحراري عالية الحرارة.

الخصائص المتميزة لألياف الأراميد

تتميز ألياف الأراميد بقوة فائقة، ومعامل مرونة عالٍ، ومقاومة للحرارة والأحماض والقلويات، ووزن خفيف، وعزل حراري ممتاز، ومقاومة للتقادم، وعمر افتراضي طويل، وثبات كيميائي، وعدم انبعاث قطرات منصهرة أثناء الاحتراق، وانبعاثات غازية غير سامة. من منظور تطبيقات الكابلات، يتفوق بارا-أراميد على ميتا-أراميد في المقاومة الحرارية، حيث يعمل في نطاق درجات حرارة تشغيل مستمر من -196 إلى 204 درجة مئوية، ولا يتحلل أو ينصهر عند 500 درجة مئوية. تشمل أبرز خصائص بارا-أراميد القوة الفائقة، ومعامل المرونة العالي، ومقاومة الحرارة والمواد الكيميائية، والكثافة المنخفضة. تتجاوز قوته 25 غ/دتكس، أي من 5 إلى 6 أضعاف قوة الفولاذ عالي الجودة، و3 أضعاف قوة الألياف الزجاجية، وضعف قوة خيوط النايلون الصناعية عالية القوة. أما معامل مرونته فيبلغ من 2 إلى 3 أضعاف معامل مرونة الفولاذ أو الألياف الزجاجية، و10 أضعاف معامل مرونة النايلون عالي القوة. إنها أقوى بمرتين من الأسلاك الفولاذية وتزن حوالي 1/5 وزنها فقط، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للاستخدام كتعزيز في الكابلات الضوئية والكابلات البحرية وأنواع الكابلات الأخرى عالية الجودة.

الخواص الميكانيكية لألياف الأراميد

الميتا-أراميد بوليمر مرن يتميز بقوة شد أعلى من البوليستر والقطن والنايلون العاديين. يتمتع بمعدل استطالة عالٍ، وملمس ناعم، وقابلية جيدة للغزل، ويمكن إنتاجه على شكل ألياف قصيرة أو خيوط بسماكات مختلفة. يمكن غزله إلى أقمشة وأقمشة غير منسوجة باستخدام آلات النسيج القياسية، ومعالجته لتلبية احتياجات الملابس الواقية في مختلف الصناعات. في مجال العزل الكهربائي، تبرز خصائص الميتا-أراميد المقاومة للهب والحرارة. مع مؤشر أكسجين محدود (LOI) أكبر من 28، فإنه لا يستمر في الاحتراق بعد إبعاده عن اللهب. مقاومة اللهب متأصلة في تركيبه الكيميائي، مما يجعله مقاومًا للهب بشكل دائم، أي مقاومًا لفقدان الأداء الناتج عن الغسيل أو الاستخدام طويل الأمد. يتمتع الميتا-أراميد بثبات حراري ممتاز، حيث يمكن استخدامه بشكل متواصل عند 205 درجة مئوية، ويحتفظ بقوته حتى في درجات حرارة أعلى من 205 درجة مئوية. درجة حرارة تحلله عالية، ولا ينصهر أو يتقطر عند درجات الحرارة العالية، بل يبدأ في التفحم فقط عند درجة حرارة أعلى من 370 درجة مئوية. هذه الخصائص تجعله مثالياً للعزل والتقوية في الكابلات المقاومة للحرارة العالية أو المقاومة للحريق.

الاستقرار الكيميائي لألياف الأراميد

يتمتع الميتا-أراميد بمقاومة ممتازة لمعظم المواد الكيميائية والأحماض غير العضوية المركزة، على الرغم من حساسيته لحمض الكبريتيك وحمض النيتريك المركزين. كما أنه يتمتع بمقاومة جيدة للقلويات في درجة حرارة الغرفة.

مقاومة ألياف الأراميد للإشعاع

يتميز الميتا-أراميد بمقاومة استثنائية للإشعاع. فعلى سبيل المثال، عند تعرضه لفترات طويلة للأشعة فوق البنفسجية بكثافة 1.2×10⁻² واط/سم² وأشعة غاما بكثافة 1.72×10⁸ راد، تبقى قوته ثابتة. هذه المقاومة الفائقة للإشعاع تجعله مناسبًا بشكل خاص للكابلات المستخدمة في محطات الطاقة النووية والمركبات الفضائية.

متانة ألياف الأراميد

يتميز نسيج الميتا-أراميد بمقاومة ممتازة للتآكل والمواد الكيميائية. فبعد 100 غسلة، يحتفظ النسيج المصنوع من الميتا-أراميد المنتج محلياً بأكثر من 85% من قوة تحمله الأصلية للتمزق. وفي تطبيقات الكابلات، تضمن هذه المتانة استقرار الأداء الميكانيكي والكهربائي على المدى الطويل.

تطبيقات ألياف الأراميد

تُستخدم ألياف الأراميد على نطاق واسع في الصناعات الصينية، بما في ذلك صناعات الطيران والفضاء، والسيارات، والهندسة الكهروميكانيكية، والبناء، والرياضة، وذلك بفضل خصائصها الميكانيكية الممتازة، ومقاومتها العالية للحرارة، واستقرارها الكيميائي. وتُعتبر مادةً أساسيةً لتطوير الصناعات عالية الأداء في المستقبل. وتلعب ألياف الأراميد دورًا لا غنى عنه في مجالات كابلات الاتصالات الضوئية، وكابلات الطاقة، والكابلات المقاومة للحرارة العالية، والكابلات البحرية، والكابلات المتخصصة.

مجالات الطيران والفضاء والمجالات العسكرية

تتميز ألياف الأراميد بكثافتها المنخفضة وقوتها العالية ومقاومتها الممتازة للتآكل. وتُستخدم على نطاق واسع في المكونات الهيكلية للمركبات الفضائية، مثل أغلفة محركات الصواريخ وهياكل الرادار ذات النطاق العريض. وتُظهر موادها المركبة مقاومة ممتازة للصدمات وشفافية عالية للموجات الكهرومغناطيسية، مما يُقلل بشكل كبير من وزن الطائرات ويعزز السلامة. وفي القطاع الدفاعي، يُستخدم الأراميد في صناعة السترات الواقية من الرصاص والخوذات والحاويات المقاومة للانفجارات، مما يجعله مادة رائدة للجيل القادم من معدات الحماية العسكرية خفيفة الوزن.

مجالات البناء والنقل

في قطاع البناء، تُستخدم ألياف الأراميد في تقوية الهياكل وأنظمة كابلات الجسور نظرًا لخفة وزنها ومرونتها ومقاومتها للتآكل. وهي فعّالة بشكل خاص في تقوية الهياكل غير المنتظمة. أما في قطاع النقل، فتُستخدم ألياف الأراميد في صناعة أسلاك إطارات السيارات والطائرات. وتتميز الإطارات المُقوّاة بالأراميد بقوة عالية، ومقاومة للثقوب والحرارة، وعمر افتراضي طويل، ما يلبي متطلبات الأداء للمركبات والطائرات الحديثة عالية السرعة.

صناعة الكهرباء والإلكترونيات والكابلات

تتمتع ألياف الأراميد بتطبيقات بارزة بشكل خاص في قطاعات الكهرباء والإلكترونيات وتصنيع الأسلاك والكابلات، لا سيما في المجالات التالية:

العناصر الشدية في الكابلات الضوئية: بفضل قوة الشد العالية ومعامل المرونة، تعمل ألياف الأراميد كعنصر شد في كابلات الاتصالات الضوئية، مما يحمي الألياف الضوئية الحساسة من التشوه تحت الشد ويضمن نقل الإشارة بشكل مستقر.

تقوية الكابلات: في الكابلات المتخصصة، وكابلات الغواصات، وكابلات الطاقة، والكابلات المقاومة لدرجات الحرارة العالية، يُستخدم الأراميد عادةً كعنصر تقوية مركزي أو طبقة حماية. بالمقارنة مع التقوية المعدنية، يوفر الأراميد قوة فائقة بوزن أقل، مما يُحسّن بشكل كبير من قوة شد الكابل واستقراره الميكانيكي.

العزل ومقاومة اللهب: تتميز مركبات الأراميد بثبات عازل وحراري ممتاز. وهي تُستخدم على نطاق واسع في طبقات عزل الكابلات، والأغلفة المقاومة للهب، والأغلفة الخالية من الهالوجينات والمنخفضة الدخان. يُدمج ورق الأراميد، بعد تشريبه بورنيش عازل، مع الميكا الطبيعية لاستخدامه في المحركات والمحولات المقاومة لدرجات الحرارة العالية.

كابلات مقاومة للحريق وكابلات النقل بالسكك الحديدية: إن مقاومة ألياف الأراميد المتأصلة للهب وتحملها للحرارة تجعلها مثالية للاستخدام في كابلات السفن وكابلات النقل بالسكك الحديدية والكابلات المقاومة للحريق من الدرجة النووية، حيث تكون معايير السلامة صارمة.

التوافق الكهرومغناطيسي وخفة الوزن: إن الشفافية الكهرومغناطيسية الممتازة للأراميد وثابت العزل الكهربائي المنخفض تجعله مناسبًا لطبقات الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي، وأغطية الرادار، ومكونات التكامل الكهروضوئي، مما يساعد على تحسين التوافق الكهرومغناطيسي وتقليل وزن النظام.

تطبيقات أخرى

بفضل محتواها العالي من الحلقات العطرية، توفر ألياف الأراميد استقرارًا كيميائيًا فائقًا ومقاومة عالية للتآكل، مما يجعلها مناسبة للحبال البحرية، وكابلات حفر آبار النفط، وكابلات نقل الطاقة الضوئية العلوية في البيئات القاسية. كما تُستخدم على نطاق واسع في المعدات الرياضية عالية الجودة، ومعدات الحماية، ووسادات فرامل السيارات، ويجري اعتمادها بشكل متزايد كبديل صديق للبيئة للأسبستوس في تطبيقات العزل والتسريب، وألواح العزل الحراري، ومكونات التسريب الأخرى، مما يضمن الأداء الأمثل والسلامة البيئية.