Kevlar | Specwar.info || 

Kevlar

1. Úvod

Kevlarová vlákna jsou pokrokovou technologií, která se zrodila v americké chemické společnosti DuPont. Technologie kevlaru kombinuje pevnost materiálu společně s jeho nízkou hmotností, čímž mu dává široké uplatnění od průmyslu až po běžné použití.

2. Historie kevlaru

Prvotní objev učinila Stephanie Kwolek během práce ve firmě DuPont,DuPont – Americká chemická společnost, která se řadí k těm největším na světě. Založená v červenci 1802. Ve dvacátém století byla DuPon průkopníkem v polymerové revoluci, během níž vyvinula takové materiály jako vespel, neopren, nylon, teflon, kevlar atd. když v roce 1964 připravila podivně vypadající zakalenou směs polymerů.Polymer – Polymer je látka sestávající z molekul jednoho nebo více druhů atomů nebo skupin spojených navzájem v tak velkém počtu, že se chemické a fyzikální vlastnosti této látky většinou nezmění přidáním nebo odebráním jedné nebo několika stavebních jednotek. Při podobné práci totiž obvykle vznikaly roztoky polymerů průhledné a tekuté, zatímco tento byl tenký a kalný. Někteří vědci by možná takový výsledek považovali za chybu a dál by se jím nezabývali. Ve Stephanie Kwolek ovšem tento jev vzbudil zájem, a proto pokračovala nadále v práci. Aby mohla poslat svůj nový materiál do laboratoře, potřebovala z něj (jako obvykle) udělat vlákna. Už to byl problém, protože nová látka měla mnoho nezvyklých vlastností. Stephanie se však nenechala odradit a nakonec se jí podařilo vlákna vytvořit. Poslala je tedy do laboratoře, odkud jí přišly překvapivé výsledky. Vlákna měla minimálně devětkrát větší pevnost, než cokoliv jiného, co do té doby udělala. To jí zarazilo. Pro jistotu ještě několikrát poslala vlákna do laboratoře, aby jí výsledky potvrdily. Když se vracely pořád téměř stejné hodnoty, oznámila svůj objev. DuPont rychle pochopil, jaký potenciál v sobě tato látka má. Vývojová skupina společnosti po dalším usilovném vylepšování uvedla kevlar v roce 1971.

Aramidové vlákno
Obr.1: Aramidové vlákno. (Zdroj: neznámý.)

3. Vlastnosti kevlaru z mikroskopického hlediska

Kevlar se řadí do skupiny aramidů.Aramid – Pevný žáruvzdorný syntetický materiál. Označení vzniklo zkrácením názvu „aromatický polyamid“. Má polymerický řetězec paralelní struktury (viz. obrázek 2). Část jeho pevnosti tkví v mezimolekulárních vazbách mezi karbonylovými skupinami a protony na sousedním řetězci a další část ve vazbách zvaných „pi stacking“, kdy na sebe silově působí atomy aromatických molekul. Tyto interakce ovlivňují kevlar více než van der Waalsovy síly a délka řetězce, která má na vlastnosti syntetických polymerů a vláken většinou významný vliv. Speciální péče se při výrobě věnuje přítomnosti nečistot, obzvláště vápníku, které se mohou připlést do vazeb mezi řetězci a výrazně ohrozit vlastnosti materiálu. Strukturu kevlaru tvoří relativně tuhé molekuly, které mají tendenci vytvářet většinou rovinné útvary podobné například molekulám hedvábí.

Chemická struktura kevlaru
Obr.2: Chemická struktura kevlaru, tučně je zvýrazněná základní jednotka polymerického řetězce. (Zdroj: Wikipedia.org.)

Výše popsaná struktura má za následek vysokou mechanickou pevnost a v neposlední řadě značnou tepelnou odolnost. Počet nenasycených uhlíků (tj. poměr počtu atomů uhlíku ku počtu atomů vodíku) je poměrně vysoký, což snižuje jeho vznětlivost. Molekuly kevlaru mají polární skupiny, které mohou tvořit vazbu s vodíkem. Na druhou stranu má kevlar má vysokou smáčivost a voda pronikající do vlákna se může navázat na molekuly, a tím snížit pevnost materiálu. „Smáčivost“ je ovšem významná při navazování vlákna na jiný druh polymeru. Tímto postupem vznikají kompozitní materiály, zkráceně kompozity. Ta samá vlastnost dává vláknům přírodnější nádech a větší „přilnavost“ v porovnání s nepolárními polymery, jakým je např. polyetylen.

Z našeho pohledu má kevlar i nevýhodné vlastnosti: zatímco v tahu může vydržet zatížení přes 4 GPa, stejně jako ostatní vlákna má pevnost v tlaku citelně nižší; a rozkládá se vlivem zásaditých prostředí.

4. Výroba kevlaru

Řečeno chemickou terminologií, v kondenzační reakci se kevlar syntetizuje z 1,4-fenylen-diamin monomeru a tereftaloyl chloridu (TCL) za vzniku kyseliny chlorovodíkové coby vedlejšího produktu (viz. obrázek 3). Tím vznikne aramid obsahující benzenová jádra a amidové skupiny, které jsou navázány náhodně. Dalšími úpravami se dosáhne materiálnu s vlastnostmi tekutého krystalu, jehož polymerové řetězce jsou orientovány ve směru vlákna.

Chemická syntéza kevlaru
Obr.3: Výrobní chemická syntéza kevlaru. (Zdroj: Wikipedia.org.)

5. Makroskopické vlastnosti kevlaru

Pokud se tento polymer zhotoví podobným způsobem, jakým pavouk spřádá sítě, vznikne aramidové vlákno ohromné pevnosti a tepelné odolnosti. Kevlar (stejně jako ostatní aramidová vlákna) nepodléhá korozi a jeho pevnost se zachovává i po ponoření do vody. Pokud se ovšem nejedná o speciální voděodolná vlákna, schopnost aramidů zastavit projektil se po navlhnutí snižuje.

6. Druhy kevlaru

Existují tři základní druhy kevlaru: kevlar, kevlar 29 a kevlar 49. Kevlar se používá pro vyztužení různých gumových předmětů (např. pneumatik); kevlar 29 má uplatnění v průmyslu (kabely), na brzdových obloženích a na nejrůznějších chráničích (od sportovních po vojenské balistické vesty); a bytelnější kevlar 49 slouží pro zesílení trupů lodí, letadel, atd.

7. Aplikace kevlaru

Primární komerční využití kevlaru směřovalo do pneumatik, kde nahrazoval ocelové kordy0celový kord – síťka z ocelových drátků, která vyztužuje pryžový běhoun pneumatiky. Kevlar se dále používá na sportovním vybavení, jachtařských plachtách, požárním oblečení a v mnoha dalších oblastech.

Pes
Obr.4: Pes v kevlarové vestě. (Zdroj: ChemPolymerProject.wikispaces.com.)
Voják
Obr.5: Voják v kevlarové balistické ochraně. (Zdroj: neznámý.)
Hasiči
Obr.6: Kevlar se používá i u hasičských obleků, které musejí odolávat ohni. (Zdroj: DuPont.com.)
XSR48
Obr.7: Člun XSR48 s trupem z uhlíkových a kevlarových vláken. (Zdroj: Geekologie.com.)

8. Kompozitní materiály

Aramidová vlákna mají rozsáhlé využití při zvyšování pevnosti kompozitních materiálů, kde se často kombinují s uhlíkovými a křemíkovými vlákny.

9. Reference

Autor: Redakce Specwar | Článek vložen 23. 1. 2010