Wat is een aramidevezel? Eigenschappen, soorten en toepassingen van aramide

Een aramidevezel is een synthetische vezel van aromatisch polyamide, bekend onder merknamen als Twaron en Kevlar. Aramidevezels zijn bij gelijk gewicht vijf tot zes keer zo sterk als staal (treksterkte circa 3.000 MPa), smelten niet en ontleden pas boven circa 450 °C. Ze worden gebruikt in kogelwerende vesten, beschermende kleding, kabels, composieten en als wapening in asfalt.

U komt het woord aaneen en los geschreven tegen: aramidevezel en aramidevezels, maar ook aramide vezel of aramide vezels. De juiste spelling is aaneen; het gaat om hetzelfde materiaal. Hieronder leest u hoe aramide wordt gemaakt, wat para- en meta-aramide onderscheidt, welke eigenschappen en nadelen de vezel heeft (in een tabel), waar aramidevezels voor worden gebruikt en hoe ze bij circa 500 gram per ton als driedimensionale wapening in asfalt werken.

Wat is een aramidevezel?

Aramide is de samentrekking van aromatisch polyamide: een polymeer waarvan de ketens zijn opgebouwd uit aromatische ringen, onderling verbonden met amidebruggen. De para-aramide van Twaron en Kevlar is chemisch poly-p-fenyleentereftalamide, afgekort PPTA. Tijdens het spinnen richten de stijve ketens zich vrijwel perfect in de lengterichting van de vezel, en waterstofbruggen tussen de ketens leggen die ordening vast. Dat verklaart de uitzonderlijke combinatie van treksterkte, lage rek en thermische stabiliteit: eigenschappen die met gewone kunststofvezels zoals polypropyleen niet haalbaar zijn.

De twee bekendste merknamen zijn Twaron van Teijin Aramid en Kevlar van DuPont. Twaron wordt in Nederland gemaakt: het polymeer in Delfzijl, de vezel in Emmen. Het hoofdkantoor van Teijin Aramid staat in Arnhem. Para-aramide wordt al sinds de jaren zeventig toegepast waar extreme eisen gelden, van kogelwerende vesten tot remvoeringen en kabels. In de wegenbouw is de vezel de kern van aramide asfaltvezels die scheur- en spoorvorming in de deklaag vertragen.

Hoe wordt aramide gemaakt?

Para-aramide ontstaat in drie stappen. Bij Twaron verloopt dat zo:

• Polymerisatie: de monomeren p-fenyleendiamine en tereftaloyldichloride reageren tot het polymeer PPTA. Bij Twaron gebeurt dat in Delfzijl.

• Spinnen: het polymeer wordt opgelost in geconcentreerd zwavelzuur en nat gesponnen tot continu filamentgaren. Daarbij richten de stijve ketens zich in de lengterichting van de vezel, wat de sterkte oplevert. Het garen is van nature geel.

• Verwerken: het filamentgaren wordt verder verwerkt tot stapelvezel, kortgesneden vezel (short-cut) of pulp.

Voor asfalt worden korte strengen gebruikt: bij AsphaltX zijn dat strengen van circa 19 mm met elk 2000 filamenten.

Kevlar en Twaron: korte geschiedenis van aramide

De eerste commerciële aramide was begin jaren zestig een meta-aramide van DuPont, later bekend als Nomex. Midden jaren zestig ontdekte Stephanie Kwolek, eveneens bij DuPont, de para-aramide die begin jaren zeventig als Kevlar op de markt kwam, eerst als vervanger van staal in racebanden. In dezelfde periode ontwikkelde Akzo (divisie Enka) in Arnhem een chemisch vergelijkbare para-aramide. Na een proeffabriek in de jaren zeventig kwam de productie onder de naam Twaron in de jaren tachtig op gang.

Beide bedrijven hadden octrooien op het productieproces, wat leidde tot een langlopend juridisch conflict. In 1988 sloten DuPont en Akzo een overeenkomst waarin zij elkaar licenties op hun octrooien gaven. Sinds 2000 is Twaron in handen van het Japanse Teijin (Teijin Aramid). Kevlar en Twaron zijn dus merknamen voor hetzelfde type vezel, geen verschillende materialen.

Soorten aramide: para-aramide en meta-aramide

Het verschil tussen de twee families zit in de ketenstructuur. Bij para-aramide lopen de bindingen in de lengterichting van de polymeerketen, wat een zeer hoge treksterkte en stijfheid oplevert. Bij meta-aramide zigzaggen de bindingen: die vezel is minder sterk en textielachtiger, maar bijzonder hittebestendig.

• Para-aramide (Twaron en Technora van Teijin, Kevlar van DuPont): de sterke variant met zeer hoge treksterkte en stijfheid, bedoeld voor wapening en versterking. Dit type wordt in asfalt gebruikt.

• Meta-aramide (Nomex, Teijinconex): minder sterk, maar uitstekend bestand tegen hitte en vlammen. Teijin noemt voor Teijinconex een hittebestendigheid tot circa 250 °C. Toepassingen zijn beschermende kleding, filtratie en elektrische isolatie in de vorm van aramidepapier.

Waar in de wegenbouw over aramidevezels wordt gesproken, gaat het dus vrijwel altijd over para-aramide.

Eigenschappen van aramidevezels

De belangrijkste eigenschappen van aramidevezels staan in de tabel hieronder. De waarden gelden voor para-aramide zoals Twaron en Kevlar en zijn indicatief: ze verschillen per type en garen. Treksterkte, soortelijk gewicht en hittegedrag zijn de waarden van de Twaron-vezel zoals die in asfalt wordt toegepast.

Aramide smelt dus niet, maar is ook niet onbeperkt hittebestendig: bij langdurige blootstelling neemt de sterkte geleidelijk af. Bij Kevlar gaat na 500 uur op 160 °C circa 10% van de sterkte verloren. Het mengen van asfalt op 140 à 180 °C duurt kort en blijft onder de gebruikstemperatuur die Teijin voor Twaron noemt (circa 190 °C), zodat de vezel zijn sterkte behoudt.

Deze combinatie maakt aramide bij uitstek geschikt om scheurvorming in asfalt te vertragen en het steenskelet van open mengsels, zoals poreus asfalt (ZOAB), bij elkaar te houden.

Nadelen en beperkingen van aramide

Aramide is geen wondermateriaal. De belangrijkste beperkingen:

• Gevoelig voor UV-licht: onbeschermd in de buitenlucht verliest de vezel geleidelijk sterkte.

• Verzwakt door sterke zuren, al is de vezel bestand tegen veel oplosmiddelen en zout.

• Moeilijk te verven: aramide is van nature geel; gekleurde para-aramide wordt daarom meestal al tijdens het spinnen ingekleurd.

• Sterk op trek, maar relatief zwak op druk en bij knikken.

• Per kilo duurder dan polypropyleen, glasvezel of staal.

In asfalt spelen UV-licht en zuren nauwelijks een rol, omdat de vezels ingebed in het bitumen liggen. En door de lage dosering weegt de kiloprijs minder zwaar dan bij toepassingen waarin aramide het hoofdmateriaal is; daarover meer in de kostensectie verderop.

Waar worden aramidevezels voor gebruikt?

Buiten de wegenbouw is aramide vooral bekend van beschermende uitrusting, maar de toepassingen zijn veel breder:

• Persoonlijke bescherming: kogelwerende vesten en helmen, snijbestendige handschoenen en vlamvertragende werkkleding.

• Aramideweefsel en aramide stof: composietversterking in boten, luchtvaart, sportartikelen en luidsprekers, meestal in combinatie met epoxy.

• Banden: versterking van (race)banden. Teijin Aramid levert inmiddels ook Twaron Next, gemaakt met teruggewonnen aramide, voor de gordelversterking van autobanden.

• Kabels en touwen: trekontlasting in glasvezel- en datakabels, meertouwen en tuigage.

• Frictie en afdichting: remvoeringen, koppelingsplaten en pakkingen, als vervanger van asbest.

• Elektrische isolatie: meta-aramidepapier in transformatoren en motoren.

• Bouw en wegenbouw: metselwerk- en lijmwapening van aramideweefsel, en asfaltvezels tegen scheur- en spoorvorming (zie de secties hieronder).

Overal draait het om dezelfde combinatie: hoge treksterkte, laag gewicht en hittebestendigheid.

Aramide als wapening in beton en metselwerk

Als losse vezel in beton wordt aramide zelden gebruikt. Staal- en kunststofvezels zijn per kilo goedkoper en dragen CE-markering onder EN 14889 (deel 1 voor staal, deel 2 voor polymeervezels), en basalt is een corrosievrij alternatief; zie het overzicht van soorten betonvezels. In de bouw komt aramide wel in andere vormen voor:

• Als geweven, gecoate metselwerkwapening die in de lintvoeg wordt ingelegd.

• Als lijmwapening: strips of weefsels die, net als koolstofvezel, op een bestaande constructie worden verlijmd om die te versterken.

• Als niet-corroderende staafwapening van aramidevezelversterkte kunststof (AFRP), die in Nederland nog vooral onderwerp van studie is.

Voor vezelwapening in vloeren en verhardingen vindt u het assortiment betonvezels.

Aramide vergeleken met andere vezels

In asfalt en beton worden meerdere vezeltypen gebruikt, elk met een eigen rol. De verschillen in één oogopslag:

Twee vezels staan niet in de tabel, omdat betrouwbare vergelijkingscijfers ontbreken. Cellulose is een natuurvezel die in SMA en ZOAB als bindmiddeldrager het afdruipen van bitumen voorkomt, zonder wapenende werking. Polyacryl (PAN) is in het FIBRA-proefvak getest als alternatieve wapeningsvezel.

In de praktijk worden typen gecombineerd: een aramide-asfaltvezel bevat naast het wapenende para-aramide vaak een polyolefine-dragervezel die tijdens het hete mengen smelt en zo de aramidefilamenten gelijkmatig door het mengsel verdeelt. Welke vezel bij welk mengseltype past, leest u in wat vezelversterkt asfalt precies is.

Aramide of koolstofvezel: wat is het verschil?

Koolstofvezel is stijver dan aramide en in composieten sterker op druk, maar ook brosser: de rek bij breuk is duidelijk lager dan die van aramide (bij gangbare koolstofvezels circa 1,5 à 2%, tegenover circa 3,5% voor aramide; indicatief). Bovendien geleidt koolstof elektriciteit. Aramide is taaier en slagvaster, lichter (1,44 à 1,45 g/cm³) en niet geleidend. Daarom is aramide de eerste keus voor ballistische bescherming, snijbescherming en kabels, terwijl koolstofvezel wint bij stijve, lichte constructiedelen. Hybride weefsels van aramide en koolstof combineren de eigenschappen van beide. Als wapening in asfalt wordt koolstofvezel in de praktijk niet toegepast.

Hoe werkt een aramidevezel in asfalt?

Bij de productie van asfalt wordt de aramidevezel, vaak samen met een klein aandeel cellulosevezel tegen bindmiddeldrainage, droog toegevoegd: de vezels gaan bij het aggregaat, vóór de toevoeging van bitumen. Zodra de vezels goed zijn verdeeld, werken de miljoenen filamenten op microniveau als driedimensionale wapening tegen scheur- en spoorvorming:

• Scheurbrugging: waar een microscheurtje ontstaat, overspant de vezel het scheurvlak en voorkomt zo dat de scheur zich verder doorzet.

• Krachtsverdeling: de belasting van passerend verkeer wordt via de vezels over het mengsel verdeeld, in plaats van geconcentreerd op één zwak punt.

• Stabilisatie van de mortel: in poreus asfalt houdt de vezel de mortelbrug tussen de stenen van het steenskelet steviger vast, wat rafeling (het losraken van steentjes) tegengaat.

Het resultaat is een asfaltmengsel dat met een standaard penetratiebitumen, in plaats van het duurdere en moeilijker te recyclen polymeer gemodificeerd bitumen (PMB), een vergelijkbare weerstand tegen scheurvorming en rafeling haalt; op het A73-proefvak presteerden beide varianten gelijkwaardig. Hoe dit principe zich verhoudt tot andere versterkingstechnieken leest u in ons overzicht van vezelversterkt asfalt.

Waarom aramidevezels in plaats van PMB of wapeningsmatten?

Van oudsher wordt asfalt versterkt met polymeer gemodificeerd bitumen of met wapeningsmatten. Beide hebben een keerzijde: PMB vergt een hogere productietemperatuur en is lastiger te recyclen, terwijl wapeningsmatten een aparte, tijdrovende werkgang vereisen en bij frezen problemen geven.

Het Europese FIBRA-onderzoek vergeleek beide routes direct op een proefvak op de A73 bij Roermond. Het aramidevezelmengsel (met Twaron) werd geproduceerd op circa 165 °C, het PMB-referentiemengsel op circa 181 °C: een verschil van 15 tot 20 °C dat zich direct vertaalt in minder energieverbruik en minder dampen bij verwerking. Op cradle-to-gate-niveau lag de milieukostenindicator (MKI) van de aramidevariant ruim 10% lager, en in de praktijkmetingen op de weg presteerden beide varianten gelijkwaardig. De volledige cijfers staan in onze vergelijking van aramidevezels en PMB.

Belangrijk voorbehoud: bij constructieve versterkingsvraagstukken, bijvoorbeeld reflectiescheuren boven een gescheurde fundering, blijft een beoordeling door de wegontwerper of constructeur nodig. Vezels zijn geen automatische één-op-één-vervanger voor elke wapeningsoplossing.

Dosering: hoeveel aramidevezel per ton asfalt?

De gangbare dosering van aramide-asfaltvezel ligt rond de 500 gram per ton asfalt, omgerekend ongeveer 0,05% van het mengselgewicht, afhankelijk van mengsel en toepassing. Die lage dosering is mogelijk doordat één streng uit duizenden losse filamenten bestaat die zich tijdens het mengen door het hele volume verspreiden: AsphaltX met 2000 filamenten per streng brengt zo circa 19 miljoen vezels per ton asfalt in het mengsel.

De vezels (lengte ±19 mm) worden geleverd in voorverpakte zakken van 500 gram, verpakt in dozen van 17,5 kg (35 zakken). Per ton asfalt gaat één zak handmatig of geautomatiseerd de menger in, zonder aanpassing van de asfaltreceptuur. Waarom juist die 500 gram zo effectief is, leggen we uit in 500 gram Twaron per ton asfalt.

Wat kosten aramidevezels? Prijs per kg en inkoop

Aramide is per kilo aanzienlijk duurder dan polypropyleen, cellulose of staal. Kiloprijzen hangen af van de vorm (filament, kortgesneden vezel of pulp), de fijnheid en de afname, en worden zelden openbaar gemaakt. Voor asfalt telt echter de prijs per ton: door de lage dosering van circa 500 gram per ton blijft de meerprijs per ton asfalt bescheiden. Uit de FIBRA-businesscase blijkt bovendien dat aramidevezels ten opzichte van PMB kostenneutraal kunnen uitpakken, mits een vergelijkbare levensduur wordt gehaald. Wat dat per vierkante meter betekent, leest u in ons artikel over de kosten van vezelversterkt asfalt per m².

Wie aramidevezels wil kopen voor asfalttoepassing, koopt in de praktijk geen losse vezel maar een kant-en-klaar gedoseerd vezelmengsel via een gespecialiseerde leverancier. Dutch Fiber Trading levert AsphaltX: aramide met Twaron-technologie plus een polyolefine-dragervezel, geproduceerd in Europa, met ISO 9001 en CE, en opgenomen in de OPWA-lijst (BRL 9320 / NL BSB). Vraag via de offerte-pagina een projectprijs en actuele levertijd op, of neem contact op voor doseeradvies per mengseltype.

Waar wordt aramidevezelversterkt asfalt toegepast?

Aramidevezels worden ingezet op plekken waar asfalt zwaar wordt belast en de kosten van vervroegd onderhoud hoog zijn:

• Rijkswegen en provinciale wegen met hoge verkeersintensiteit, zoals het FIBRA-praktijkproefvak op de A73 en 8 kilometer N337 tussen Zwolle en Deventer.

• N-wegen en rotondes, waar wringend verkeer extra schuifkrachten op de deklaag zet, zoals de rotonde N711 in Flevoland.

• Zwaarbelaste bouwwegen en tijdelijke ontsluitingsroutes.

• Bedrijfsterreinen in de distributie- en transportsector.

• Racetracks.

Omdat aramide niet smelt bij hete mengsels, is de vezel ook geschikt voor mengsels die juist op temperatuurbestendigheid worden geselecteerd; lees hoe dat werkt in hittebestendig asfalt tegen spoorvorming.

Aramidevezels toepassen in uw project

Overweegt u aramidevezels voor een wegvak, rotonde of bedrijfsterrein? Begin met het mengseltype (ZOAB, SMA of dichtasfalt) en de verwachte belasting; de dosering van circa 500 gram per ton geldt als vertrekpunt en wordt per mengsel afgestemd. AsphaltX vereist geen aanpassing van de receptuur, waardoor het mengsel doorgaans zonder aanpassingen op een bestaande asfaltcentrale kan worden geproduceerd. Voor een projectspecifieke prijsopgave en verwerkingsadvies staat ons team klaar via de offerte-aanvraag.