Kevlar - Kevlar
|
|
|
|
| Numele | |
|---|---|
|
Numele IUPAC
Poli (azandiil-1,4-fenileneazanediiltereftaloiil)
|
|
| Identificatori | |
| ChemSpider | |
| Proprietăți | |
| [-CO-C 6 H 4 - CO-NH-C 6 H 4 NH-] n | |
 verifica ( ce este ?)
  |
|
| Referințe infobox | |
Kevlarul (para-aramid) este o fibră sintetică rezistentă la căldură și puternică , legată de alte aramide precum Nomex și Technora . Dezvoltat de Stephanie Kwolek la DuPont în 1965, materialul de înaltă rezistență a fost folosit pentru prima dată comercial la începutul anilor 1970 ca înlocuitor al oțelului în anvelopele de curse. Este de obicei filat în frânghii sau foi de țesătură care pot fi utilizate ca atare sau ca ingredient în componentele materialelor compozite .
Kevlar are multe aplicații, de la anvelope pentru biciclete și pânze de curse până la veste antiglonț , toate datorită raportului său ridicat de rezistență la greutate ; prin această măsură este de cinci ori mai puternică decât oțelul. De asemenea, este folosit pentru a face tamburi moderni care rezistă la impact mare. De asemenea, este utilizat pentru liniile de ancorare și alte aplicații subacvatice.
O fibră similară numită Twaron cu aceeași structură chimică a fost dezvoltată de Akzo în anii 1970; producția comercială a început în 1986, iar Twaron este acum fabricat de Teijin .
Istorie
Poliparafenilen tereftalamida (K29) - marca Kevlar - a fost inventată de chimistul american Stephanie Kwolek în timp ce lucra pentru DuPont, în așteptarea unei penurii de benzină. În 1964, grupul ei a început să caute o nouă fibră ușoară și puternică pe care să o folosească pentru anvelope ușoare, dar puternice. Polimerii cu care lucrase la acea vreme, poli-p-fenilen-tereftalatul și polibenzamida, au format cristale lichide în timp ce se afla în soluție, ceva unic pentru acei polimeri la acea vreme.
Soluția a fost „tulbure, opalescentă la agitare și cu vâscozitate redusă ” și de obicei a fost aruncată. Cu toate acestea, Kwolek convins tehnicianul, Charles Smullen, care a condus filator , pentru a testa soluția ei, și a fost uimit să constate că fibra nu a rupt, spre deosebire de nailon . Supraveghetorul ei și directorul de laborator au înțeles semnificația descoperirii ei și a apărut rapid un nou domeniu al chimiei polimerilor . Până în 1971 a fost introdus Kevlarul modern. Cu toate acestea, Kwolek nu a fost foarte implicat în dezvoltarea aplicațiilor Kevlar. Kevlar 149 a fost inventat de Dr. Jacob Lahijani din Dupont în anii 1980.
Producție
-Synthese.svg)
Kevlarul este sintetizat în soluție din monomeri 1,4- fenilen- di amină ( para- fenilendiamină ) și clorură de tereftaloil într-o reacție de condensare care produce acid clorhidric ca produs secundar. Rezultatul are un comportament lichid-cristalin , iar desenul mecanic orientează lanțurile polimerice în direcția fibrei. Hexametilfosforamida (HMPA) a fost solventul utilizat inițial pentru polimerizare , dar din motive de siguranță, DuPont l-a înlocuit cu o soluție de N -metil-pirolidonă și clorură de calciu. Deoarece acest proces a fost brevetat de Akzo (a se vedea mai sus) în producția Twaron , a urmat un război al brevetelor .
Producția de kevlar este costisitoare din cauza dificultăților care decurg din utilizarea acidului sulfuric concentrat , necesar pentru a menține polimerul insolubil în apă în soluție în timpul sintezei și filării sale .
Sunt disponibile mai multe clase de Kevlar:
- Kevlar K-29 - în aplicații industriale, cum ar fi cabluri, înlocuirea azbestului , anvelope și garnituri de frână.
- Kevlar K49 - modul ridicat utilizat în produsele de cablu și cablu.
- Kevlar K100 - versiunea colorată a Kevlarului
- Kevlar K119 - alungire mai mare, flexibil și mai rezistent la oboseală
- Kevlar K129 - tenacitate mai mare pentru aplicații balistice
- Kevlar K149 - cea mai mare tenacitate pentru aplicații balistice, blindate și aerospațiale
- Kevlar AP - rezistență la tracțiune cu 15% mai mare decât K-29
- Kevlar XP - rășină mai ușoară și combinație de fibre KM2 plus
- Kevlar KM2 - rezistență balistică îmbunătățită pentru aplicații de armură
Componenta ultravioletă a razelor solare se degradează și descompune Kevlarul, o problemă cunoscută sub numele de degradare UV , și astfel este rar utilizată în aer liber, fără protecție împotriva razelor solare.
Structură și proprietăți
Când Kevlar este tors , fibra rezultată are o rezistență la întindere de circa 3,620 MPa (525.000 psi) și o densitate relativă de 1,44 (0,052 lb / in 3 ). Polimerul își datorează rezistența ridicată numeroaselor legături inter-lanț. Aceste legături inter-moleculare de hidrogen se formează între grupările carbonil și centrele NH . Puterea suplimentară este derivată din interacțiunile de stivuire aromatică între firele adiacente. Aceste interacțiuni au o influență mai mare asupra Kevlarului decât interacțiunile van der Waals și lungimea lanțului care influențează de obicei proprietățile altor polimeri și fibre sintetice, cum ar fi polietilena cu greutate moleculară ridicată . Prezența sărurilor și a altor impurități, în special a calciului , ar putea interfera cu interacțiunile firelor și se va avea grijă să se evite includerea în producția sa. Structura Kevlarului constă din molecule relativ rigide, care tind să formeze în mare parte structuri planare, asemănătoare foilor, mai degrabă ca proteine de mătase .
Proprietati termice
Kevlar își menține rezistența și rezistența până la temperaturi criogenice (-196 ° C (-320,8 ° F)); de fapt, este ușor mai puternic la temperaturi scăzute. La temperaturi mai ridicate, rezistența la tracțiune este imediat redusă cu aproximativ 10-20% și, după câteva ore, rezistența se reduce progresiv. De exemplu: rezistând la 160 ° C (320 ° F) timp de 500 de ore, rezistența sa este redusă cu aproximativ 10%; și rezistând la 260 ° C (500 ° F) timp de 70 de ore, rezistența sa este redusă cu aproximativ 50%.
Aplicații
Ştiinţă
Kevlarul este adesea utilizat în domeniul criogeniei pentru conductivitatea termică scăzută și rezistența ridicată față de alte materiale în scopuri de suspensie . Este cel mai adesea folosit pentru a suspenda o incintă de sare paramagnetică dintr-o mandrină cu magnet supraconductor, pentru a minimiza eventualele scurgeri de căldură către materialul paramagnetic. Este, de asemenea, utilizat ca un suport termic sau suport structural în cazul în care se doresc scurgeri de căldură reduse.
O fereastră subțire din Kevlar a fost utilizată de experimentul NA48 de la CERN pentru a separa un vas de vid de un vas la presiune aproape atmosferică, ambele având un diametru de 192 cm (76 in). Fereastra a asigurat etanșeitatea la vid combinată cu o cantitate destul de mică de material (doar 0,3% până la 0,4% din lungimea radiației ).
Protecţie
Kevlarul este o componentă bine cunoscută a armurilor personale, cum ar fi căști de luptă , măști balistice și veste balistice . Casca PASGT si vesta folosit de Statele Unite ale Americii forțele militare, utilizați Kevlar ca o componentă - cheie în construcția lor. Alte utilizări militare includ măști de față antiglonț și căptușeli de protecție utilizate pentru a proteja echipajele vehiculelor blindate de luptă . Portavioanele din clasa Nimitz folosesc armături din Kevlar în zone vitale. Aplicațiile civile includ: uniforme de înaltă rezistență la căldură purtate de pompieri, armuri corporale purtate de ofițeri de poliție, securitate și echipe tactice ale poliției, cum ar fi SWAT .
Kevlar este utilizat pentru fabricarea mănușilor, mânecilor, jachetelor, capetelor și a altor articole de îmbrăcăminte concepute pentru a proteja utilizatorii de tăieturi, abraziuni și căldură. Echipamentul de protecție pe bază de kevlar este adesea mult mai ușor și mai subțire decât uneltele echivalente realizate din materiale mai tradiționale.
Este folosit pentru îmbrăcămintea de siguranță a motocicletelor , în special în zonele cu căptușeală, cum ar fi umerii și coatele. În gard se folosește în jachete de protecție, pantaloni scurți, plastroni și salopeta măștilor. Este folosit din ce în ce mai mult în peto , învelișul căptușit care protejează caii picadorilor din arena de tauri. Patinatorii de viteză, de asemenea, poartă frecvent un substrat de țesătură din Kevlar pentru a preveni rănile potențiale de la patine în caz de cădere sau coliziune.
Sport
În kyudo sau tir cu arcul japonez , poate fi folosit ca o alternativă la cânepa mai scumpă pentru corzi de arc . Este unul dintre principalele materiale utilizate pentru liniile de suspensie cu parapanta . Este folosit ca căptușeală interioară pentru unele anvelope de bicicletă pentru a preveni perforarea. În tenisul de masă , straturile de kevlar sunt adăugate lamelor de straturi personalizate sau paletelor, pentru a crește săritura și a reduce greutatea. Rachetele de tenis sunt uneori înșirate cu Kevlar. Este folosit în vele pentru bărci de curse de înaltă performanță.
În 2013, cu progrese în tehnologie, Nike a folosit Kevlar în pantofi pentru prima dată. A lansat Seria Elite II, cu îmbunătățiri aduse versiunii sale anterioare de pantofi de baschet, utilizând Kevlar atât în partea anterioară , cât și a șireturilor de pantofi . Acest lucru a fost făcut pentru a reduce elasticitatea vârfului pantofului, spre deosebire de nylonul utilizat în mod convențional, deoarece Kevlar s-a extins cu aproximativ 1% față de nylon, care s-a extins cu aproximativ 30%. Pantofii din această gamă au inclus LeBron, HyperDunk și Zoom Kobe VII. Cu toate acestea, aceste pantofi au fost lansate la o gamă de prețuri mult mai mare decât costul mediu al pantofilor de baschet. A fost folosit și în șireturi pentru cizma de fotbal Adidas F50 adiZero Prime.
Mai multe companii, inclusiv Continental AG , fabrică anvelope pentru biciclete cu Kevlar pentru a proteja împotriva perforărilor.
Anvelopele de biciclete cu margele pliabile, introduse în ciclism de Tom Ritchey în 1984, folosesc Kevlar ca o margele în locul oțelului pentru reducerea greutății și rezistența. Un efect secundar al mărgelei pliabile este reducerea spațiului de raft și podea necesar pentru afișarea anvelopelor de ciclu într-un mediu de vânzare cu amănuntul, deoarece acestea sunt pliate și plasate în cutii mici.
Muzică
De asemenea, s-a constatat că Kevlar are proprietăți acustice utile pentru conurile difuzoarelor , în special pentru unitățile de acționare pentru bas și mid range. În plus, Kevlar a fost folosit ca element de rezistență în cablurile de fibră optică, cum ar fi cele utilizate pentru transmisiile de date audio.
Kevlarul poate fi folosit ca miez acustic pe arcuri pentru instrumente cu coarde . Proprietățile fizice ale Kevlarului oferă rezistență, flexibilitate și stabilitate utilizatorului arcului. Până în prezent, singurul producător al acestui tip de arc este CodaBow .
Kevlar este de asemenea folosit în prezent ca material pentru tailcords (aka tailpiece de reglare), care conectează piesa de capăt la endpin de instrumente cu coarde aplecate.
Kevlarul este uneori folosit ca material la tobele de marș. Permite o tensiune extrem de mare, rezultând un sunet mai curat. Există, de obicei, o rășină turnată pe Kevlar pentru a face capul etanș și un strat superior de nailon pentru a oferi o suprafață de lovire plană. Acesta este unul dintre principalele tipuri de capete de tambur de marș. Patch-ul Falam Slam de la Remo este realizat din Kevlar și este folosit pentru a întări capetele de tambur de bas în cazul în care bate bateria.
Kevlarul este utilizat în stufurile de vânt din lemn ale Fibracell. Materialul acestor stuf este un compozit din materiale aerospațiale conceput pentru a duplica modul în care natura construiește stuf de trestie. Fibrele de Kevlar foarte rigide, dar absorbante de sunet, sunt suspendate într-o formulare ușoară de rășină.
Vehicule cu motor
Kevlarul este uneori folosit în componentele structurale ale mașinilor, în special în mașinile de înaltă valoare, cum ar fi Ferrari F40 .
Fibra tocată a fost utilizată ca înlocuitor pentru azbest în plăcuțele de frână . Într-adevăr, aramidele eliberează un nivel mai scăzut de fibre din aer decât frânele de azbest . Fibrele de azbest sunt cunoscute pentru proprietățile lor cancerigene.
Alte utilizări
Fitilele pentru recuzita de dans sunt fabricate din materiale compozite cu Kevlar în ele. Kevlarul în sine nu absoarbe foarte bine combustibilul, deci este amestecat cu alte materiale, cum ar fi fibra de sticla sau bumbacul . Rezistența ridicată la căldură a Kevlarului permite reutilizarea fitilelor de multe ori.
Kevlarul este uneori folosit ca înlocuitor al teflonului în unele tigaie antiaderente.
Fibra de kevlar este utilizată în cabluri și cabluri, unde fibrele sunt menținute paralel într-un manșon din polietilenă . Cablurile au fost utilizate în poduri suspendate, cum ar fi podul de la Aberfeldy, Scoția . Acestea au fost, de asemenea, utilizate pentru stabilizarea crăpăturii turnurilor de răcire din beton prin aplicare circumferențială, urmată de tensionare pentru a închide fisurile. Kevlarul este utilizat pe scară largă ca înveliș exterior de protecție pentru cablul de fibră optică , deoarece rezistența sa protejează cablul de deteriorări și îndoire. Când este utilizat în această aplicație, este cunoscut în mod obișnuit sub numele de marcă Parafil.
Kevlar a fost folosit de oamenii de știință de la Georgia Institute of Technology ca material textil de bază pentru un experiment în îmbrăcămintea producătoare de electricitate. Acest lucru a fost realizat prin țeserea de oxid de zinc nanofire în țesătură. Dacă va avea succes, noua țesătură va genera aproximativ 80 de miliwați pe metru pătrat.
Un acoperiș retractabil de peste 5.600 m 2 de Kevlar a fost o parte esențială a designului Stadionului Olimpic din Montreal pentru Jocurile Olimpice de vară din 1976 . A avut un succes spectaculos, deoarece a fost finalizat cu 10 ani întârziere și înlocuit doar 10 ani mai târziu, în mai 1998, după o serie de probleme.
Kevlarul poate fi găsit ca strat de armare în îmbinările de dilatare a burdufurilor din cauciuc și furtunurile din cauciuc , pentru utilizare în aplicații la temperatură ridicată și pentru rezistența sa ridicată. Se găsește și ca strat de împletitură folosit la exteriorul ansamblurilor de furtunuri, pentru a adăuga protecție împotriva obiectelor ascuțite.
Unele telefoane mobile (inclusiv familia Motorola RAZR , Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 și Pocophone F1 ) au o placă din Kevlar, aleasă în comparație cu alte materiale, cum ar fi fibra de carbon, datorită rezistenței sale și lipsei de interferențe cu transmisia semnalului.
Materialele compozite din fibre de Kevlar / matrice epoxidică pot fi utilizate în turbine de curent marin (MCT) sau în turbine eoliene datorită rezistenței specifice ridicate și greutății lor ușoare în comparație cu alte fibre.
Materiale compozite
Fibrele de aramidă sunt utilizate pe scară largă pentru armarea materialelor compozite, adesea în combinație cu fibra de carbon și fibra de sticlă . Matricea pentru compozite de înaltă performanță este de obicei rășină epoxidică . Aplicațiile tipice includ monococă corpuri pentru F1 masini de curse , elicopter lame rotor, tenis , tenis de masă , badminton și squash , rachete , caiace , bâte de cricket , și hochei , hochei pe gheață și lacrosse bastoane.
Kevlar 149, cea mai puternică fibră și cea mai cristalină ca structură, este o alternativă în anumite părți ale construcției aeronavelor. Marginea frontală a aripii este o singură aplicație, Kevlar fiind mai puțin predispus decât fibra de carbon sau sticlă pentru a rupe coliziunile păsărilor.