Kevlar i jego zastosowanie

Współczesny świat niesie ze sobą wyzwania, których natura nigdy nie przewidziała. Ciągły rozwój w naturalny sposób zwiększył zapotrzebowanie na produkcję mocnych i trwałych materiałów syntetycznych. Jednym z takich materiałów jest Kevlar – rewolucyjne włókno syntetyczne, które od 1968 roku przesuwa granice tego, co możliwe. Dowiesz się, czym jest Kevlar, jakie ma właściwości, gdzie jest wykorzystywany i dlaczego zajmuje tak ważne miejsce w życiu człowieka życie w artykule.

Co to jest kevlar i jakie są jego właściwości?

Kevlar to niezwykle wszechstronny i wytrzymały rodzaj materiału syntetycznego o wielu ciekawych właściwościach i szerokim spektrum praktycznych zastosowań. Należy do włókien para-aramidowych i charakteryzuje się dużą wytrzymałością na rozciąganie przy niskim ciężarze właściwym, porównywalnym jedynie z włóknami węglowymi. Charakteryzuje się znakomitą odpornością na ciepło oraz znakomitą sztywnością, co samo w sobie predysponuje go do szerokiego wachlarza praktycznych zastosowań.

Dzięki bardzo silnym wiązaniom i równoległemu ułożeniu cząsteczek, usieciowanych wiązaniami wodorowymi, Kevlar jest kuloodporny i stanowi silną barierę ochronną przed ścieraniem, przebiciem i przecięciem. Włókna kevlarowe są ognioodporne i chronią przed zagrożeniami termicznymi. Kevlar jest odporny na korozję, nieprzewodzący i odporny na większość chemikaliów z wyjątkiem bardzo silnych kwasów i zasad. Jest również bardzo lekki i pięć razy mocniejszy niż stal. Jednak słabo znosi promieniowanie ultrafioletowe i wilgoć.

Jego wzór cząsteczkowy to [-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n. 

Gęstość względna wynosi 1,44 g/cm3, wytrzymałość włókien na rozciąganie sięga 20-21 cN/dtex (moduł wytrzymałości 3,6-4,1 GPa), przy 160°C wytrzymałość spada o 10%, przy 450°C sublimuje.

Wynalazek, który zmienił świat

Można powiedzieć, że ten rewolucyjny materiał powstał niejako przez przypadek. Wynalazcą tego wyjątkowego włókna jest amerykańska naukowiec Stephanie Kwolek. Pracowała jako chemik w firmie DuPont – jednej z największych firm zajmujących się przetwórstwem polimerów, która tuż przed II wojną światową zasłynęła patentem na nylon.

W 1964 roku Stephanie rozpoczęła prace nad ulepszeniem produkcji materiałów polimerowych o strukturze prętów, mając na celu zastąpienie stosunkowo ciężkich wzmocnień stalowych w oponach samochodowych bardziej odpowiednim i lżejszym polimerem. Po długich poszukiwaniach stworzyła niespotykanie jak na tamte czasy wyglądające rozwiązanie w postaci pierwszych włókien aramidowych, które opatentowała w 1968 roku. Samo włókno zostało wprowadzone na rynek przez firmę DuPont pod nazwą handlową Kevlar w 1971 roku.

Od czasu odkrycia Kevlar był rozwijany, a od 1988 roku dostępna jest jego druga generacja. Oryginalna grupa produktów nosi oznaczenia K29 i K49. Kevlar jest obecnie dostępny w kilku wersjach:

• K29 – przędza uniwersalna
  K49 – rodzaj przędzy o wysokim module sprężystości
  K100 – Kevlar barwiony przez producenta
  K119 – Przędza Kevlar o podwyższonej ciągliwości i elastyczności
  K129 – lekki, wysokowydajny gatunek przędzy
  Kevlar AP — włókno nowej generacji, które oferuje zaawansowaną wydajność, wartość i zwiększoną elastyczność projektowania w wielu zastosowaniach
  Kevlar KM2 - tkanina spełniająca wymagania użytkowe dla hełmów i kamizelek dla jednostek wojskowych

Kevlar zachowuje swoje właściwości nawet po wielokrotnym obciążeniu. Można to częściowo przypisać jego wewnętrznej strukturze (sposób, w jaki jego cząsteczki są naturalnie ułożone w regularne i równoległe linie), a częściowo sposób, w jaki jest wykonany z włókien.

Metoda produkcji

Włókno kevlarowe jest wytwarzane przez przędzenie stopu parafenylenodiaminy i chlorku tereftalilu (PPD-T), który przechodzi przez dyszę przędzalniczą ze stałą prędkością i pod wysokim ciśnieniem, gdzie następnie zestala się w strumień zimnego powietrza, tworząc włókno. Następnie zespół przędzący przędzie poszczególne włókna w przędzoną w sposób ciągły przędzę. Jest nawijany na cewki, a następnie dostosowywany do dalszego wykorzystania w praktyce.

Kevlar jest produkowany w kilku modyfikacjach i występuje w postaci włókna, staply, płatków lub tkaniny.

Najczęstsze zastosowanie kevlaru

Wyjątkowe właściwości Kevlaru pozwalają na zastosowanie go w niezliczonych obszarach, można też powiedzieć, że niemal codziennie pojawiają się nowe zastosowania jego zastosowania.

Jego ekstremalna wytrzymałość i odporność na ciepło predestynują go na przykład do stosowania w przemyśle motoryzacyjnym, morskim czy lotniczym, zwłaszcza do produkcji karoserii samochodowych, elementów samolotów, okładzin hamulcowych, kadłubów statków czy opon wyścigowych.

Kevlar jest również używany w przemyśle wydobywczym, gdzie jest używany do produkcji przenośników taśmowych do wydobywania rudy, znacznie poprawiając wydajność i efektywność kosztową.

Materiał ten jest również znany sportowcom, gdyż jest częścią wielu sprzętów sportowych (rakiety tenisowe, ochraniacze, kije hokejowe, narty, siatki, kurtki trekkingowe itp.).

W debacie o Kevlar nie można też pominąć motocyklistów, bo Kevlar towarzyszy im również na drodze, tym razem w postaci kevlarowej tkaniny. Ich najpopularniejsze artykuły to kevlarowe dżinsy, kevlarowe kombinezony, rękawice i kaski. Przewaga spodni kevlarowych uwidacznia się szczególnie podczas upadku i późniejszego poślizgu, gdzie powierzchnie styku nagrzewają się do ponad 200 stopni. W takiej sytuacji wytrzymały i mocny Kevlar jest prawdziwym błogosławieństwem.

Tkanina kevlarowa znajduje również szerokie zastosowanie w produkcji sprzętu ochronnego i odzieży. Typowymi przykładami są mundury robocze i strażackie, mundury policyjne czy kompletne wyposażenie wojska. Dziś buty ognioodporne, rękawice kevlarowe, maski ochronne na twarz, kamizelki, hełmy, ochraniacze czy całe kombinezony są wykonane z tego materiału, który jest w stanie wytrzymać jeszcze bardziej wymagające warunki. Co ciekawe, rękawice kevlarowe są nawet do 5 razy bardziej odporne na przecięcia niż rękawiczki skórzane.

Kamizelka kuloodporna z kevlaru

Zdecydowanie najbardziej widoczne i użyteczne zastosowanie kevlaru miało miejsce przy produkcji kamizelki kevlarowej. Kevlar to jeden z nielicznych materiałów, który dosłownie ratuje ludzkie życie, o czym przekonał się niejeden członek wojska, ochrony czy policji.

Obecna generacja nowoczesnych kamizelek kuloodpornych z kevlaru może już teraz zapewniać swoim użytkownikom stosunkowo wysoki komfort noszenia oprócz ochrony przed pociskami o dużej prędkości.

Zasada działania kuloodporności kamizelki można opisać tak w uproszczony sposób:

Kamizelka wykonana jest z kilku warstw Kevlaru, które są ze sobą mocno połączone. Włókna kevlarowe pochłaniają energię kinetyczną pocisków, co zmniejsza zdolność pocisku do penetracji ciała. Bez wystarczającej siły penetracji pociski staną się następnie nieszkodliwe.

W momencie, gdy pocisk lub inny pocisk o dużej prędkości uderza w Kevlar, włókna dosłownie trzymają pocisk, rozpraszając jego energię kinetyczną, którą następnie pochłaniają w sobie. Pocisk trafia więc w sieć stałych włókien, których zadaniem jest pochłanianie i rozpraszanie energii uderzenia. Dodatkowa energia jest pochłaniana przez każdą kolejną warstwę materiału kamizelki, aż do całkowitego zatrzymania pocisku. Proces ten ułatwia również stosunkowo duża powierzchnia odzieży, która sprawdziła się w eliminacji tzw. urazów tępych (urazów narządów wewnętrznych siłą uderzenia, a nie przebijającą kulą).

I co dodać na koniec? Możliwości wykorzystania tego prawdziwie cudownego wynalazku wydają się nie mieć końca i nie możemy się doczekać, co jeszcze przyniesie nam to odkrycie.