Kevlar w różnych zastosowaniach

2006-11-23

KEVLAR® jest jednym z najważniejszych włókien sztucznych, jakie kiedykolwiek stworzono. Wspólną cechą rodziny produktów KEVLAR® jest duża wytrzymałość na rozciąganie przy małym ciężarze właściwym włókna. Przy tej samej masie, KEVLAR® jest pięciokrotnie wytrzymalszy od stali. Odznacza się również doskonałą wytrzymałością termiczną i stabilnością wymiarową oraz niewielkim wydłużeniem przy zerwaniu. Nie ulega korozji i jest odporny na działanie większości chemikaliów. Włókno KEVLAR® jest także niepalne, nieprzewodzące oraz odporne na zużycie. Dzięki tej unikatowej kombinacji właściwości, KEVLAR® znalazł wiele zastosowań od chwili wprowadzenia go na rynek we wczesnych latach 70. XX wieku.

Aramidy

Aramidy to grupa polimerów, rodzaj poliamidów włóknotwórczych. Aramidy to aromatyczne poliamidy lub też amidy poliaromatycze. Aramidy odróżnia od innych poliamidów (np. nylonu) występowanie w ich łańcuchach głównych ugrupowań aromatycznych. Niektóre aramidy zawierają między wiązaniami amidowymi tylko grupy aromatyczne, inne zaś zawierają też ugrupowania alifatyczne. Czym więcej w jego strukturze ugrupowań aromatycznych, tym większa odporność mechaniczna, termiczna i pożarowa, ale spada też rozpuszczalność, co powoduje wzrost trudności przy przetwarzaniu. Aramidy jako włókna posiadają znacznie wyższą odporność na rozciąganie niż pozostałe poliamidy. Wynika to z dwóch faktów:

· układ następujących po sobie ugrupowań aromatycznych i wiązań amidowych tworzy strukturę o dużej sztywności, ze względu na delokalizację elektronów z orbitali π układów aromatycznych na wiązania amidowe,

· sztywne łańcuchy polimeru łatwiej krystalizują i łatwiej porządkują się w trakcie przędzenia, dzięki czemu otrzymane włókna posiadają bardzo uporządkowaną mikrostrukturę.

Z włókien aramidowych produkuje się kamizelki kuloodporne, warstwy zabezpieczające w ubraniach dla strażaków, lotników, kierowców rajdowych i astronautów. Oprócz tego z aramidów produkuje się pręty, z których konstruuje się maszty jachtów, kije narciarskie i inne elementy wymagające dużej odporności mechanicznej. Wreszcie stosuje się te polimery w formie cienkich folii - które następnie wprasowywuje się między inne materiały, tworząc laminaty o wysokiej odporności mechanicznej. Do najbardziej znanych aramidów zalicza się:

· kevlar poli(1,4-fenyloamid)
· nomex poli(1,3-fenyloamid)
· twaron - kopolimer poli(1,3-fenyloamid-co-1,4-fenyloamid)
Czym jest KEVLAR®?

Kevlar (PPTA, poli(tereftalano-1,4-fenylodiamid) lub poli(p-fenylotereftalanoamid), -[-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH2-]n- ) to polimer z grupy poliamidów, a dokładniej aramidów, z którego przędzie się włókna o bardzo wysokiej odporności mechanicznej na rozciąganie. Kevlar® jest nazwą handlową firmy DuPont. Inne zarejestrowane nazwy handlowe to Twaron® firmy Teijin.

Kevlar został wynaleziony w laboratoriach DuPont w 1965 r. przez zespół badaczy pod kierunkiem Stephanie Kwolek. Kevlar otrzymuje się w wyniku reakcji polikondensacji chlorków kwasów dikarboksylowych z aminami aromatycznymi.

Kevlar nie koroduje, nie pali się, w przeliczeniu na jednostkę masy ma pięć-sześć razy większą odporność na zerwanie niż stal i jest mocniejszy niż włókna szklane i węglowe. Jak to możliwe? Materiał ten należy do gatunku polimerów aromatycznych, poliamidów, i chemicy nadali mu nazywę poli (p-fenylotereftalanoamid). Jego prekursorem był wynaleziony w latach trzydziestych nylon, a różnica między tymi dwoma materiałami polega na tym, że w kevlarze grupy amidowe tworzą łańcuch, w którym ogniwami są pierścienie fenolowe, a nie ugrupowania alifatyczne.

Wytrzymałość kevlaru jest spowodowana specyficznym ułożeniem cząsteczek - powstaje z nich symetryczny łańcuch z ogniwami leżącymi na linii prostej. Ale jednocześnie ta niezwykle cenna cecha sprawia ogromne trudności i na początku uniemożliwiała komer- cjalizację nowego materiału. Kevlar bowiem topi się w temperaturze powyżej 400°C i nie rozpuszcza w rozpuszczalnikach organicznych, przez co nie daje się formować z niego włókien klasyczną metodą przędzenia ze stopu.

Problem ten rozwiązał kierowany przez Stephanie Kwolek nieduży zespół badaczy z amerykańskiego koncernu DuPont w drugiej połowie lat sześćdziesiątych: naukowcy odkryli, że kevlar rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym. Makrocząsteczki rozpuszczonego kevlaru przyjmują charakterystyczną strukturę pałeczek, podczas gdy inne roztopione poliamidy formują się w kłębki. W stojącym naczyniu pałeczki układają się chaotycznie, jednak kiedy uformować z nich strumień, wszystkie ustawiają się z nurtem jak bale drewna spławiane rzeką i przylegając do siebie, tworzą wiązki. Po usunięciu kwasu siarkowego wiązki te nie rozpadają się.

Dlaczego właściwie kevlar występuje w roztworze w postaci pałeczek? Wynika to ze struktury jego łańuchów, które są silnie skonjugowane wewnętrznie: wiązanie podwójne w łańcuchu oddzielone jest od drugiego wiązania podwójnego lub od wolnej pary elektronów (np. na atomie azotu) wiązaniem pojedynczym. Dochodzi wówczas do rozłożenia, "rozsmarowania" elektronów i powstania wiązań, które zapobiegają rotacji fragmentów łańcucha względem siebie. W efekcie zamiast kłębków formują się sztywne, ściśle do siebie przylegające (dzięki siłom van der Waalsa) pałeczki.

Ten supermocny polimer ma wiele zastosowań - z przędzonego kevlaru robi się m.in. hełmy, kamizelki kulo- odporne i liny, a nieprzędzony materiał coraz częściej jest wykorzystywany w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

ZASTOSOWANIA

Kable światłowodowe i telekomunikacyjne

Włókno para-aramidowe KEVLAR® jest doskonałym materiałem wzmacniającym kable światłowodowe i inne kable telekomunikacyjne. W tego typu zastosowaniach kable nie mogą podlegać odkształceniom większym niż 0,5% i muszą być chronione przed naprężeniami pojawiającymi się podczas produkcji oraz instalacji. KEVLAR® zapewnia zarówno centralne, jak i obwodowe wzmocnienie przeciwdziałające takim naprężeniom.

KEVLAR® oferuje jedyne w swoim rodzaju połączenie właściwości:

· duża wytrzymałość na rozciąganie i duży moduł, które ograniczają wydłużenie wynikające z obciążeń liniowych,
· mała kurczliwość cieplna i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, jak również duża odporność na pełzanie. Minimalizuje to zmiany długości kabla spowodowane wahaniami temperatury na zewnątrz lub przeciążeniami,
· ochrona przed działaniem płomienia - włókno KEVLAR® jest naturalnie samogasnące,
· właściwości dielektryczne dla ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi i polami magnetycznymi,
· mały przekrój poprzeczny umożliwiający łatwą instalację kabli oraz maksymalne wykorzystanie dostępnej powierzchni,
· doskonała odporność na działanie czynników środowiskowych,
· łatwa obróbka na standardowych maszynach do produkcji kabli oraz kompatybilność z innymi materiałami stosowanymi do produkcji kabli.

Produkty cierne i uszczelki

Pulpa z włókna KEVLAR® jest materiałem idealnym do zastosowania w wyrobach ciernych oraz płytach uszczelniających z uwagi na jej odporność termiczną i chemiczną oraz odporność na zużycie.

W przypadku wyrobów ciernych, takich jak okładziny hamulcowe i sprzęgłowe, KEVLAR® jest głównym składnikiem mieszanek bezazbestowych. Produkty zawierające pulpę z włókna KEVLAR® są dostarczane do czołowych fabryk samochodów osobowych i ciężarowych oraz autobusów na pierwsze wyposażenie.

Pulpa z włókna KEVLAR® jest używana również do produkcji płyt uszczelniających. Duża wytrzymałość pulpy zapewnia zachowanie dużego modułu lub mniejsze pełzanie materiału uszczelniającego. Podczas działania wysokiej temperatury pulpa z włókna KEVLAR® zapewnia doskonałą szczelność płyty oraz utrzymanie naprężenia, a dzięki dużej powierzchni wzmacnia wiązanie z elastomerowymi spoiwami stosowanymi w mieszankach uszczelniających.

Wzmocnienie kompozytów

Materiały kompozytowe składają się z żywicznej matrycy wzmocnionej włóknem w postaci przędzy, niedoprzędu, taśmy lub tkaniny. W porównaniu z metalami są one lżejsze, posiadają lepszą odporność chemiczną, lepszą odporność na działanie czynników środowiskowych oraz są doskonałymi materiałami termo- i elektroizolacyjnymi.

Włókna takie, jak KEVLAR®, włókna szklane oraz węglowe, jak również elementy o strukturze plasta miodu wykonane z produktu o nazwie handlowej papier NOMEX® firmy DuPont są obecnie powszechnie używane w wielu zastosowaniach przemysłowych, takich jak statki kosmiczne, samoloty, samochody, łodzie, sprzęt sportowy.

W konstrukcji samolotów, duży moduł włókna KEVLAR®, w połączeniu z jego dużą odpornością na uderzenia, pozwala projektantom zmniejszyć masę wielu elementów konstrukcyjnych (krawędzie płatów, owiewki itp.) oraz poprawić charakterystyki masa-obciążenie. Kompozyty samolotowe są często wykonane z laminatów zawierających rdzeń o strukturze plastra miodu wykonany z papieru NOMEX®. Kompozyt tego typu zapewnia wysoki stosunek wytrzymałości do masy. KEVLAR® jest materiałem stosowanym np. w kadłubach łodzi, łódek i kajaków ze względu na mały ciężar właściwy oraz dobrą tolerancją udarową, a także w rakietach tenisowych i nartach ze względu na swoją dodatkową zdolność tłumienia drgań.

Liny

Liny wykonane z włókna KEVLAR® są mocne jak stal, lecz – w przeciwieństwie do stali – są lekkie i nie ulegają korozji. Pod powierzchnią morza zalety te zwielokrotniają się - tutaj ciężar liny z włókna KEVLAR® stanowi 1/20 ciężaru liny stalowej o takiej samej wytrzymałości na rozciąganie. Liny cumownicze i kotwiczne z włókna KEVLAR® używane są m.in. na statkach oraz platformach wiertniczych. Łatwiej się nimi manipuluje. Znika również problem niszczącego działania związków chemicznych.

Środki ochrony osobistej

Włókno KEVLAR® jest używane do produkcji wielu rodzajów osobistego wyposażenia ochronnego, m.in. rękawic, obuwia, skarpet, spodni chroniących przed piłą tarczową.

Rękawice i rękawy ochronne wykonane z zastosowaniem włókna KEVLAR® są 5 razy bardziej odporne na przecięcie niż skóra i 3 razy bardziej odporne na przecięcie niż bawełna czy Nylon. KEVLAR® nie pali się, nie topi się i nie kapie oraz posiada doskonałą odporność termiczną i dobrą odporność chemiczną. Przy zachowaniu wymaganych parametrów ochronnych rękawice z włókna KEVLAR® zapewniają komfort pracy i sprawność manualną. Są bardzo trwałe i pomimo upływu czasu oraz użytkowania nie tracą swoich pierwotnych właściwości ochronnych. Dzięki wysokiej skuteczności, rękawice z włókna KEVLAR® pomagają zredukować ilość urazów rąk, a tym samym obniżyć ogólne koszty operacyjne przedsiębiorstwa.

Ochrony antybalistyczne

Kevlar to materiał, z którego produkowane są włókna stosowane m.in. w kamizelkach kuloodpornych. Ciekawostką może być fakt, że materiał kevlaru jest w stanie zatrzymać kulę, ale może zostać łatwo rozcięty zwykłym nożem. Warto pamiętać również, że nazwa kevlar jest nazwą zastrzeżoną przez firmę DuPont, więc inne firmy nazywają swoje gatunki nylonu balistycznego inaczej, co może prowadzić do nieporozumień.

Źródła:
[1] Świat Nauki - www.swiatnauki.pl
[2] Wikipedia – www.pl.wikipedia.org
[3] www.kevlar.com


  • fire show

    Gość: hubelcik | 2008-04-23 11:23:32

    witam A o fireshow to juz zapomniano, tasmy kewlarowe rownierz tam sa wykorzystywane, jako materiał dobrze chłonacy, a słabo palny pozdrawiam

Dodaj komentarz