Kevlar. To termin, z którym zapewne zetknął się każdy, kto choć trochę interesuje się sferą nauki. To niezwykły materiał, wykorzystywany w produkcji kamizelek kuloodpornych, strojów dla motocyklistów, rakiet do tenisa, kajaków, a nawet lotniskowców. Co czyni go tak specjalnym? Czy w przyszłości ma szanse stać się jeszcze doskonalszy?
Historia Kevlaru
Stephanie Kwolek, dzięki swojej wiedzy i niezwykłemu instynktowi, dokonała wynalazku włókien aramidowych. Kevlar (PPTA, politereftalano-1,4-fenylodiamid) jest produktem reakcji polikondensacji chlorków kwasów dikarboksylowych z aminami aromatycznymi. W trakcie swych badań, Kwolek zaobserwowała niecodzienną formację fazy ciekłokrystalicznej w roztworze, co uważano wówczas za “niepożądane” w studiach nad polimerami. Typowym efektem niepoprawnej syntezy składników było uzyskanie mętnej mieszaniny o niskiej lepkości pod określonymi warunkami reakcji. Zwykle taki roztwór był odrzucany, ale wrodzona ciekawość i determinacja Kwolek doprowadziły do innego rozwiązania.
Makrocząsteczki rozpuszczone w kwasie siarkowym nie tworzyły typowych skupisk – “zagiętych” łańcuchów polimerowych, tak jak inne poliamidy, lecz formowały proste struktury, które Kwolek porównała do nitek spaghetti. Badaczka przekonała technika Charlesa Smullena, odpowiedzialnego za maszyny do przędzenia włókien polimerowych, aby przetestował nowy roztwór. W naczyniu stojącym, chaotycznie zorganizowane struktury spływały do dyszy, tworząc uporządkowany strumień, porównywalny do spławianych rzeką belek drewna. Zdumiewająco, utworzone wiązki okazały się niezwykle wytrzymałe i nie rozpadały się po usunięciu kwasu siarkowego, co różniło je od nylonu. Włókna te zostały następnie przesłane do innych laboratoriów w celu sprawdzenia ich wytrzymałości, sztywności i innych właściwości. Zaskakująco dobre wyniki (ponad 9-krotnie wyższa sztywność w porównaniu do innych znanych polimerów) spowodowały wielokrotne sprawdzenie poprawności badań, gdyż Kwolek nie chciała podzielić się swoim odkryciem bez absolutnej pewności. Pomimo kontroli, nie wykryto błędów pomiarowych, a udoskonalone metody produkcji skutkowały złożeniem patentu na włókna Kevlar w 1971 roku (zatwierdzonego w 1974 roku).
Kevlar właściwości
Włókna aramidowe są obecnie wytwarzane w procesie polikondensacji monomerów parafenylenodiaminy (PPD) i chlorku tereftaloilu (TCL) przeprowadzanej w niskiej temperaturze. PPD to amina aromatyczna o silnych właściwościach uczulających, używana m.in. do barwienia włosów, futer i tkanin. Z kolei TCL jest stosowany w produkcji różnorodnych kopolimerów. Nadaje on włóknom aramidowym właściwości takie jak wytrzymałość mechaniczną, ognioodporność, odporność chemiczną oraz stabilność temperaturową i wymiarową. Kwas chlorowodorowy jest produktem ubocznym w produkcji Kevlaru. Proces tworzenia włókien i tkanin aramidowych jest kosztowny, głównie z powodu problemów związanych z koniecznością użycia stężonego kwasu siarkowego, który jest niezbędny do utrzymania nierozpuszczalnego w wodzie polimeru podczas syntezy i przędzenia. Zwiększoną wytrzymałość Kevlaru zapewnia sekwencja aromatycznych grup i wiązań amidowych tworzących przyległe, warstwowe, uporządkowane struktury o dużej sztywności.
Kevlar jest materiałem lekkim (ponad 5 razy lżejszym od stali), o gęstości 1,44 g/cm3. Pojedyncze włókna, badane w warunkach laboratoryjnych, wykazują wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 3620 MPa. Kevlar zachowuje swoje właściwości w temperaturach od -200°C do 245°C. Nie przewodzi prądu elektrycznego i wykazuje niską przewodność cieplną. W kontakcie z ogniem, Kevlar nie topi się ani nie kapie, lecz ulega rozkładowi w temperaturze około 500°C, nie emitując przy tym substancji toksycznych. Włókna te ulegają degradacji także pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, będącego składnikiem promieniowania słonecznego, dlatego rzadko są stosowane na zewnątrz bez dodatkowej ochrony. Kevlar ma również skłonność do absorpcji wilgoci.
Rodzaje kevlaru
Aktualnie mamy do dyspozycji różne typy włókien aramidowych, które odznaczają się odmiennymi cechami oraz zastosowaniami, takimi jak Kevlar K-29, K49, K100, K119, K129, AP, XP, KM2. K-29 jest typowo stosowany w produkcji różnego rodzaju opancerzenia, jak hełmy, rękawice czy kamizelki kuloodporne, używane przez wojsko, specjalne jednostki SWAT, policję czy straż pożarną. K49 to odmiana przędzy o dużej sprężystości, używana głównie w kablach światłowodowych, branży tekstylnej oraz jako element wzmocniający w kompozytach – liny, osłony hamulcowe, kadłuby statków, komponenty samolotów i wahadłowców kosmicznych. Pozostałe typy są wykorzystywane m.in. do produkcji wnętrza nart, rakiet do tenisa, kajaków, lekkich ubrań ochronnych, opon, obuwia sportowego, sprzętu audio, smyczków, mostów wiszących, węży, żagli regatowych, osłon dla smartfonów i innych.
Sfera zastosowań tego materiału jest zdumiewająca i stale się poszerza. Wiele zalet, takich jak stosunkowo niska gęstość, wysoka wytrzymałość, stabilność przy wysokich temperaturach i odporność na uderzenia oraz zarysowania, umożliwia tworzenie interesujących kompozytów, często łącząc włókna aramidowe z włóknami węglowymi i szklanymi. Najczęściej jako osnowę stosuje się żywicę epoksydową. Wśród materiałów o podobnej strukturze chemicznej znajduje się także Twaron, produkt opracowany przez firmę Akzo w 1970 roku. Jednak z powodu problemów finansowych i późnego wprowadzenia na rynek, jest mniej popularny niż Kevlar.