Specifikace materiálu : Kevlar

Popis materiálu

Materiál, vyvinutý firmou DuPont v roce 1971, původně jako náhrada za ocel pro výztuhy pneumatik. Ukázalo se, že jeho možnosti využití jsou mnohem širší. Dnes se používá všude tam, kde je třeba mimořádně vysoké pevnosti a výjimečné teplotní stability. Z kevlaru se vyrábějí např. části letounů a raketoplánů, části brzd a podvozků, vesty chránící proti střelám, boty proti nášlapným minám, převodové řemeny, optické a telekomunikační kabely, ochranné přilby, různé druhy sportovního vybavení a řada dalšího. Kevlar je aramid, což je termín, vzniklý z označení aromatické polyamidy.

Výroba

Podle Federální obchodní komise (The US Federal Trade Commission) je aramidové vlákno definováno jako „vlákno vyrobené z polyamidu s dlouhým uhlovodíkovým řetězcem, jehož alespoň 85% peptidických vazeb spojuje dvě aromatická jádra“.
Vyrábí se navíjením pevného vlákna z kapalného roztoku, což je umožněno iontovou složkou reakční směsi (chlorid vápenatý), která se váže na vodíkové můstky amidové skupiny, a volbou organického rozpouštědla (N-methylpyrrolidon). Chemicky řečeno se kevlar syntetizuje z monomeru 1,4-phenylene-diamine (para-phenylenediaminu) a terephthaloyl chloridu kondenzační reakcí za vzniku kyseliny chlorovodíkové jako vedlejšího produktu. Výsledkem je materiál s vlastnostmi tekutého krystalu s polymerovými řetězci orientovanými ve směru vlákna.
Hexamethylphosphoramid (HMPA) byl první polymerizační roztok, ale toxikologické testy ukázaly, že má karcinogenní účinky, takže DuPont jej nahradil N-methyl-pyrolidinem a roztokem chloridu vápenatého. Výroba kevlaru je nákladná díky obtížím spojenými s použitím jedovaté koncentrované kyseliny sírové, která je zapotřebí k tomu, aby udržela vodou nerozpustný polymer v roztoku v průběhu syntézy a soukání.

Vlastnosti aramidového vlákna

• citlivé na ultrafialové záření, vlhkost a salinitu
• odolné vůči odření, teplu a organickým rozpouštědlům
• nevodivé
• bez teploty tání
• špatně zápalné
• dobře zpracovatelné v továrnách při zvýšených teplotách
• vysoká pevnost a vysoký Youngův modul pružnosti
• obtížně barvitelné - vetšinou se barví ještě rozpuštěná forma

Když se kevlar stočí, výsledné vlákno má vysokou pevnost v tahu (cca 3000 Mpa), relativní hustotu 1,44 g/cm3 a nekoroduje. Když se použije jako tkaný materiál, dá se použít na kotvící lana a další aplikace pod vodou.

Existují tři typy kevlaru:

• Kevlar
  Kevlar se tradičně používá jako výztuha do pneumatik a ostatních gumařských výrobků.
• Kevlar 29
  Průmyslové aplikace Kevlaru 29 jsou kabely, náhrady asbestu, brzdící šňůry a ochranný prvek v oděvu.
• Kevlar 49
  Kevlar 49 má největší pevnost v tahu ze všech aramidů a používá se jako plastické zpevnění trupů lodí, na letadla i cyklistická kola.

Ultrafialová složka slunečního záření degraduje a rozkládá Kevlar, díky čemuž je zřídka používán v outdoorových aplikacích bez ochrany před slunečním světlem.

Tabulka vlastností různých stupňů kevlaru

stupeň	hustota g/cm3	modul tažnosti GPa	modul pevnosti GPa	Tažnost %
29	1,44	83	3,6	4,0
49	1,44	131	3,6-4,1	2,8
149	1,47	186	3,4	2,0

Nejčastější průmyslové užití

• ohnivzdorné oblečení
• ochranné oblečení a helmy
• neprůstřelná vesta; již bývá nahrazeno polyethylenem s vysokou molární hmotností jako Dyneema (Spectra).
• kompozitní materiály
• náhražky azbestu
• horkovzdušné filtrování
• výztuže pneumatik a jiných gumových výrobků
• provazy a kabely
• plachty lodí
• sportovní pomůcky
• blány bubnů
• blány reproduktorů
• kánoe a jiné lodě

Chemická struktura Kevlaru

Vlákna kevlaru se skládají z dlouhých molekulových řetězců sestávajících z poly-paraphenylene terephthalamide. Je zde také mnoho meziřetězcových vazeb, což dělá materiál extrémně pevným. Kevlar získává svou pevnost částečně také z vodíkových vazeb mezi karbonylovými skupinami a protony na sousedních polymerových řetězcí a částečně také z pi vazby mezi nahromaděnými vlákny. Tyto vazby mají větší vliv na Kevlar než Van der Waalsovy síly a délka řetězce, která jinak běžně ovlivňuje vlastnosti ostatních syntetických polymerů jako je Dyneema apod. Přítomnost solí a dalších nečistot, obzvláště přítomnost vápníku, může interferovat s mezivlákennými vazbami proto se při výrobě kevlaru dbá velké čistoty a opatrnosti aby se roztok neznečistil. Struktura kevlaru se skládá z relativně pevných molekul které mají snahu se ukládat do spíše planární listové struktury.

Tepelné vlastnosti Kevlaru

Kevlar má velmi dobrou odolnost proti vysokým teplotám, zachovává si svou pevnost a pružnost i ke kryogenickým teplotám (-196°C); dokonce je o něco pevnější při nízkých teplotách. Při vysokých teplotách je pevnost v tahu snížena o 10-20%, a již po několika hodinách se pevnost nadále snižuje. Například při 160°C se snížení pevnosti o 10% projeví po 500 hodinách. Při 260°C se snížení pevnosti o 50% projeví po 70 hodinách. Při teplotě 450°C kevlar sublimuje.