أحد الألياف الأربعة عالية الأداء: ألياف الأراميد

ألياف الأراميد، اختصارًا لألياف البولي أميد العطرية، مُدرجة ضمن أربعة ألياف عالية الأداء تحظى بأولوية التطوير في الصين، إلى جانب ألياف الكربون، وألياف البولي إيثيلين فائقة الوزن الجزيئي (UHMWPE)، وألياف البازلت. ومثل النايلون العادي، تنتمي ألياف الأراميد إلى عائلة ألياف البولي أميد، حيث تحتوي السلسلة الجزيئية الرئيسية على روابط أميد. يكمن الفرق الرئيسي في الترابط: حيث ترتبط روابط أميد النايلون بمجموعات أليفاتية، بينما ترتبط روابط الأراميد بحلقات بنزين. يمنح هذا التركيب الجزيئي الخاص ألياف الأراميد قوة محورية عالية جدًا (>20 سنتي نيوتن/ديتكس) ومعامل مرونة (>500 جيجا باسكال)، مما يجعلها المادة المفضلة لتقوية الكابلات عالية الأداء.

أنواع ألياف الأراميد

ألياف الأراميدتشمل بشكل رئيسي ألياف البولي أميد العطرية بالكامل وألياف البولي أميد العطرية غير المتجانسة، والتي يمكن تصنيفها إلى أورثو-أراميد، وبارا-أراميد (PPTA)، وميتا-أراميد (PMTA). من بين هذه الألياف، يُعدّ الميتا-أراميد والبارا-أراميد من الألياف الصناعية. من منظور البنية الجزيئية، يكمن الفرق الرئيسي بينهما في موضع ذرة الكربون في حلقة البنزين التي ترتبط بها الرابطة الأميدية. يؤدي هذا الاختلاف الهيكلي إلى اختلافات جوهرية في الخواص الميكانيكية والاستقرار الحراري.

بارا أراميد

بارا-أراميد، أو بولي(بارا-فينيلين تيريفثالاميد) (PPTA)، والمعروف أيضًا في الصين باسم أراميد 1414، هو بوليمر خطي عالي الكثافة، يرتبط أكثر من 85% من روابطه الأميدية مباشرةً بحلقات عطرية. يُعدّ كيفلر® من دوبونت وتوارون® من تيجين أكثر منتجات بارا-أراميد نجاحًا تجاريًا، وهما يهيمنان على السوق العالمية. كان هذا أول ألياف تُنتج باستخدام محلول غزل بوليمري بلوري سائل، مُبشرًا بعصر جديد من الألياف الاصطناعية عالية الأداء. من حيث الخواص الميكانيكية، يمكن أن تصل قوة الشد إلى 3.0-3.6 جيجا باسكال، ومعامل المرونة إلى 70-170 جيجا باسكال، واستطالة عند الكسر تتراوح بين 2-4%. تمنحه هذه الخصائص الاستثنائية مزايا لا تُضاهى في تقوية الكابلات البصرية، والحماية من القذائف، وغيرها من المجالات.

ميتا أراميد

ميتا أراميد، أو بولي (م-فينيلين أيزوفثالاميد) (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 مُثبتة بروابط هيدروجينية قوية بين الجزيئات في شبكة ثلاثية الأبعاد. يمنح هذا التركيب الألياف مقاومة ممتازة للهب، وثباتًا حراريًا، ومقاومة للإشعاع. ومن المنتجات النموذجية نومكس® من دوبونت، بمؤشر أكسجين محدود (LOI) يتراوح بين 28 و32، ودرجة حرارة انتقال زجاجي تبلغ حوالي 275 درجة مئوية، ودرجة حرارة خدمة مستمرة تزيد عن 200 درجة مئوية، مما يجعله يُستخدم على نطاق واسع في الكابلات المقاومة للحريق ومواد العزل عالية الحرارة.

الخصائص المتميزة لألياف الأراميد

تتميز ألياف الأراميد بقوة فائقة، ومعامل مرونة عالٍ، ومقاومة للحرارة، ومقاومة للأحماض والقلويات، ووزن خفيف، وعزل حراري، ومقاومة للشيخوخة، وعمر افتراضي طويل، واستقرار كيميائي، وعدم وجود قطرات منصهرة أثناء الاحتراق، وانبعاثات غازات غير سامة. من منظور تطبيقات الكابلات، يتفوق البارا-أراميد على الميتا-أراميد في المقاومة الحرارية، مع نطاق درجة حرارة تشغيل مستمر يتراوح بين -196 و204 درجة مئوية، وعدم تحلل أو ذوبان عند 500 درجة مئوية. من أبرز خصائص البارا-أراميد: قوة فائقة، ومعامل مرونة عالٍ، ومقاومة للحرارة، ومقاومة كيميائية، وكثافة منخفضة. تتجاوز قوته 25 غ/دِتكس، أي ما يعادل 5 إلى 6 أضعاف قوة الفولاذ عالي الجودة، و3 أضعاف قوة الألياف الزجاجية، وضعفي قوة خيوط النايلون الصناعية عالية القوة. معامل المرونة لديه يتراوح بين ضعفين وثلاثة أضعاف قوة الفولاذ أو الألياف الزجاجية، و10 أضعاف قوة النايلون عالي القوة. إنه أقوى بمرتين من الأسلاك الفولاذية ويزن حوالي 1/5 فقط من الأسلاك الفولاذية، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للاستخدام كتعزيز في الكابلات البصرية والكابلات البحرية وأنواع الكابلات الأخرى المتطورة.

الخصائص الميكانيكية لألياف الأراميد

ميتا أراميد بوليمر مرن ذو قوة انكسار أعلى من البوليستر أو القطن أو النايلون العادي. يتميز بمعدل استطالة مرتفع، وملمس ناعم، وقابلية غزل ممتازة، ويمكن إنتاجه على شكل ألياف قصيرة أو خيوط بدرجات دينير متفاوتة. يمكن غزله إلى أقمشة وغير منسوجة باستخدام آلات نسيجية قياسية، ومعالجته لتلبية احتياجات الملابس الواقية لمختلف الصناعات. في مجال العزل الكهربائي، يتميز ميتا أراميد بخصائص مقاومة للهب والحرارة. مع معامل انصهار أعلى من 28، لن يستمر في الاحتراق بعد ترك اللهب. تُعد مقاومة اللهب جزءًا أساسيًا من تركيبه الكيميائي، مما يجعله مقاومًا للهب بشكل دائم - أي مقاومًا لانخفاض الأداء الناتج عن الغسيل أو الاستخدام طويل الأمد. يتميز ميتا أراميد بثبات حراري ممتاز، مع الاستخدام المستمر عند درجة حرارة 205 درجة مئوية، واحتفاظ قوي بالقوة حتى عند درجات حرارة أعلى من 205 درجة مئوية. درجة حرارة تحلله عالية، ولا يذوب أو يتساقط عند درجات حرارة عالية، ويبدأ بالتفحم فقط عند درجات حرارة أعلى من 370 درجة مئوية. هذه الخصائص تجعلها مثالية للعزل والتعزيز في الكابلات المقاومة للحرارة العالية أو الحرائق.

الاستقرار الكيميائي لألياف الأراميد

يتميز الميتا أراميد بمقاومة ممتازة لمعظم المواد الكيميائية والأحماض غير العضوية المركزة، مع أنه حساس لأحماض الكبريتيك والنيتريك المركزة. كما يتميز بمقاومة جيدة للقلويات في درجة حرارة الغرفة.

مقاومة ألياف الأراميد للإشعاع

يتميز الميتا أراميد بمقاومة إشعاعية استثنائية. على سبيل المثال، عند التعرض لفترات طويلة لأشعة فوق بنفسجية بتركيز 1.2×10⁻² واط/سم² وأشعة غاما بتركيز 1.72×10⁸ راد، تبقى قوته ثابتة. هذه المقاومة الإشعاعية المتميزة تجعله مناسبًا بشكل خاص للكابلات المستخدمة في محطات الطاقة النووية والمركبات الفضائية.

متانة ألياف الأراميد

يتميز الميتا أراميد أيضًا بمقاومة ممتازة للتآكل والمواد الكيميائية. بعد 100 غسلة، يحتفظ القماش المصنوع من الميتا أراميد المُنتَج محليًا بأكثر من 85% من مقاومته الأصلية للتمزق. في تطبيقات الكابلات، تضمن هذه المتانة استقرارًا طويل الأمد للأداء الميكانيكي والكهربائي.

تطبيقات ألياف الأراميد

تُستخدم ألياف الأراميد على نطاق واسع في صناعات الفضاء والسيارات والكهروميكانيكا والبناء والرياضة في الصين، نظرًا لخصائصها الميكانيكية الممتازة ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية واستقرارها الكيميائي. وتُعتبر مادةً أساسيةً للتطور المستقبلي للصناعات عالية الأداء. وعلى وجه الخصوص، يلعب الأراميد دورًا لا غنى عنه في مجالات كابلات الاتصالات الضوئية، وكابلات الطاقة، والكابلات المقاومة لدرجات الحرارة العالية، والكابلات البحرية، والكابلات المتخصصة.

المجالات الفضائية والعسكرية

تتميز ألياف الأراميد بكثافة منخفضة وقوة عالية ومقاومة ممتازة للتآكل. تُستخدم على نطاق واسع في المكونات الهيكلية للمركبات الفضائية، مثل أغلفة محركات الصواريخ وهياكل قبة الرادار عريضة النطاق. تتميز موادها المركبة بمقاومة ممتازة للصدمات وشفافية عالية للموجات الكهرومغناطيسية، مما يقلل وزن الطائرات بشكل كبير ويعزز السلامة. في قطاع الدفاع، يُستخدم الأراميد في السترات الواقية من الرصاص والخوذ والحاويات المقاومة للانفجارات، مما يجعله مادة رائدة للجيل القادم من وسائل الحماية العسكرية خفيفة الوزن.

مجالات البناء والنقل

في قطاع البناء، تُستخدم ألياف الأراميد في تقوية الهياكل وأنظمة كابلات الجسور بفضل خفة وزنها ومرونتها ومقاومتها للتآكل. وهي فعّالة بشكل خاص في تقوية الهياكل غير المنتظمة. أما في قطاع النقل، فيُستخدم الأراميد في أقمشة حبال إطارات السيارات والطائرات. تتميز الإطارات المقواة بالأراميد بمتانة عالية ومقاومة للثقب والحرارة وعمر خدمة طويل، مما يُلبي متطلبات الأداء للمركبات والطائرات الحديثة عالية السرعة.

صناعة الكهرباء والإلكترونيات والكابلات

تتمتع ألياف الأراميد بتطبيقات بارزة بشكل خاص في قطاعات التصنيع الكهربائي والإلكتروني والأسلاك والكابلات، وخاصة في المجالات التالية:

العناصر المقاومة للشد في الكابلات البصرية: بفضل قوة الشد العالية والمرونة، تعمل ألياف الأراميد كعنصر مقاومة للشد في الكابلات البصرية للاتصالات، مما يحمي الألياف البصرية الحساسة من التشوه تحت الشد ويضمن انتقال إشارة مستقر.

تقوية الكابلات: في الكابلات المتخصصة، والكابلات البحرية، وكابلات الطاقة، والكابلات المقاومة للحرارة العالية، يُستخدم الأراميد عادةً كعنصر تقوية مركزي أو طبقة درع. مقارنةً بالتعزيزات المعدنية، يوفر الأراميد قوة فائقة بوزن أقل، مما يعزز بشكل كبير قوة شد الكابل واستقراره الميكانيكي.

العزل ومقاومة اللهب: تتميز مركبات الأراميد بثبات حراري وعزل كهربائي ممتاز. تُستخدم على نطاق واسع في طبقات عزل الكابلات، والأغلفة المقاومة للهب، والأغلفة الخالية من الهالوجين منخفضة الدخان. يُمزج ورق الأراميد، بعد تشريبه بالورنيش العازل، مع الميكا الطبيعية لاستخدامه في المحركات والمحولات المقاومة لدرجات الحرارة العالية.

الكابلات المقاومة للحريق وكابلات النقل بالسكك الحديدية: إن مقاومة الألياف الأراميدية للهب وتحملها للحرارة تجعلها مثالية للاستخدام في الكابلات على متن السفن وكابلات النقل بالسكك الحديدية والكابلات المقاومة للحريق بدرجة نووية، حيث تكون معايير السلامة صارمة.

التوافق الكهرومغناطيسي وتخفيف الوزن: إن الشفافية الكهرومغناطيسية الممتازة والثابت العازل المنخفض للأراميد تجعله مناسبًا لطبقات الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي، وقباب الرادار، ومكونات التكامل الضوئي الإلكتروني، مما يساعد على تحسين التوافق الكهرومغناطيسي وتقليل وزن النظام.

تطبيقات أخرى

بفضل محتواها العالي من الحلقات العطرية، تتميز ألياف الأراميد بثبات كيميائي ممتاز ومقاومة ممتازة للتآكل، مما يجعلها مناسبة للحبال البحرية، وكابلات حفر النفط، وكابلات النقل الضوئي العلوية في البيئات القاسية. كما تُستخدم على نطاق واسع في المعدات الرياضية الفاخرة، ومعدات الحماية، ووسادات فرامل السيارات، ويتزايد اعتمادها كبديل صديق للبيئة للأسبستوس في تطبيقات العزل والختم، وألواح العزل الحراري، وغيرها من مكونات الختم، مما يضمن الأداء والسلامة البيئية.