Kevlar jest najlepiej znany jako element pancerza żołnierzy i policjantów

Kevlar to cudowny materiał. Nawet natura by takiego nie wymyśliła

Kevlar. To słowo słyszał w życiu choć raz każdy, kto w mniejszym lub większym stopniu interesuje się nauką. Cudowny materiał stosowany do budowy kamizelek kuloodpornych, kombinezonów dla motocyklistów, rakiet tenisowych, kajaków, a nawet lotniskowców. Co w nim niezwykłego? Czy w przyszłości może być jeszcze lepszy?

Kevlar to polimer z grupy poliamidów, który został został wynaleziony w laboratoriach DuPont w 1965 r. przez zespół badaczy pod kierunkiem Stephanie Kwolek. Jest to tworzywo wystarczająco wytrzymałe, by zatrzymać kule czy ostrza, często opisywane jako „pięciokrotnie mocniejsze od stali”. Mimo iż nie jest to substancja, z którą mamy do czynienia na co dzień, to trudno sobie wyobrazić współczesny świat bez Kevlaru (nazwa handlowa).

Czytaj też: Materiały przyszłości. Cztery związki, o których będzie głośno

Czym jest Kevlar?

Kevlar to superwytrzymałe tworzywo sztuczne. Powstaje w procesie polimeryzacji (łączenia cząsteczek o długich łańcuchach) i ma niesamowite właściwości – wynikają one częściowo z jego wewnętrznej stryktury, a częściowo ze sposobu wytwarzania włókien, które są ze sobą ściśle splecione.

Kevlar nie jest materiałem jak bawełna – nie każdy jest w stanie go wyprodukować dysponując odpowiednimi surowcami. Jest to materiał zastrzeżony patentowo, wytwarzany wyłącznie przez chemików z DuPont. Występuje w dwóch odmianach: Kevlar 29 i Kevlar 49 (są inne odmiany na specjalne zamówienie). Pod względem chemicznym, Kevlar jest podobny do innego materiału ochronnego, znanego jako Nomex. Kevlar i Nomex to przykłady syntetycznych poliamidów aromatycznych, czyli aramidów. Ale co to właściwie oznacza?

Kevlar

Materiały syntetyczne to takie, które powstają w warunkach laboratoryjnych – nie są produkowane w naturze (jak bawełna czy wełna). Określenie „aromatyczny” oznacza, że cząsteczki Kevlaru mają pierścieniową strukturę, podobną do benzenu. Z kolei termin „poliamid” oznacza, że pierścieniowe cząsteczki łączą się ze sobą w długie łańcuchy – układają się one równolegle do włókien Kevlaru, trochę jak pręty zbrojeniowe w betonie. Kevlar jest polimerem, ponieważ jest zbudowany z wielu identycznych cząsteczek (monomerów). Podobnie jak Nomex, Kevlar jest dalekim „krewnym” nylonu, pierwszego komercyjnie dostępnego superpoliamidu, także opracowanego przez chemików z DuPont, ale w latach 30. ubiegłego wieku.

Kevlar został stworzony jako lekki zamiennich stalowych obręczy kół samochodowych, ale dzisiaj jest stosowany w całkiem innych okolicznościach.

Mocne i słabe strony Kevlaru

Właściwości Kevlaru są pod wieloma względami unikatowe. Jest to materiał mocny, ale stosunkowo lekki. Wytrzymałość na rozciąganie zarówno Kevlaru 29, jak i Kevlaru 49 jest ponad osiem razy większa niż w przypadku stalowego drutu. W przeciwieństwie do większości tworzyw sztucznych, Kevlar nie topi się szybko – wytrzymuje wysokie temperatury i rozkłada się dopiero w okolicach 450oC. Materiał ten można zapalić, ale spalanie zwykle ustaje po usunięciu źródła ciepła.

Kevlar jest niewrażliwy także na ekstremalnie niskie temperatury. Firma DuPont nie wykazała „kruchości ani degradacji” w temperaturach do -196oC. Jest jednak podatny na długotrwałą ekspozycję na działanie promieni UV (np. światła słonecznego), wykazując odbarwienie i pewną degradację włókien (ale nie całkowitą).

Kevlar jest odporny na działanie wielu substancji chemicznych, ale nawet i on nie przetrwa długotrwałego działania silnymi kwasami lub zasadami. Testy przeprowadzone przez inżynierów DuPont nie wykazały zmian Kevlaru wystawionego na działanie gorącej wody przez ponad 200 dni.

Nie jest to jednak materiał idealny. Największa to bardzo mała wytrzymałość na ściskanie (mimo dużej wytrzymałości na rozciąganie). Z tego powodu właśnie, Kevlaru nie stosuje się zamiast stali w architekturze, np. do fundamentów budynków, mostów, itd. – wszędzie tam, gdzie często występują siły ściskające.

Zastosowania Kevlaru

Kevlar może być stosowany samodzielnie lub jako część materiału kompozytowego (jeden materiał połączony z innymi) w celu zwiększenia wytrzymałości. Kevlar jest prawdopodobnie najbardziej znany z zastosowania w kamizelkach kuloodpornych i pancerzach nożoodpornych, ale ma też dziesiątki innych zastosowań. Stosuje się go jako wzmocnienie opon, hamulców i karoserii samochodowych, łodzi, a nawet lotniskowców.

Kevlar jest także wykorzystywany w celu zwiększenia wytrzymałości kabli światłowodowych. Materiał ten znalazł także zastosowanie w produkcji membran do głośników, a także żagli jachtów regatowych. Stosuje się go także w lotnictwie do zbrojenia kompozytów o osnowie polimerowej.

Czytaj też: Superwytrzymałe lekkie hełmy i pancerze. Powstał innowacyjny materiał

Zespół Xuetonga Zhanga z Chińskiej Akademii Nauk w Suzhou opracował prostą metodę wytwarzania włókien aerożelowych z Kevlaru. To bardzo ważne osiągnięcie, bo aerożele to materiały prawie całkowicie wypełnione powietrzem, które wykazują słabą wytrzymałość mechaniczną. Teraz można to zmienić. Chińscy uczeni najpierw przygotowali zawiesinę nanowłókien kevlarowych, mieszając kilka gramów materiału w sulfotlenku dimetylu. Następnie wytworzyli włókna żelowe, wytłaczając zawiesinę za pomocą strzykawki sterowanej pompą do wanny koagulacyjnej. Na koniec produkt potraktowano alkoholem i wysuszono liofilizatem, usuwając rozpuszczalnik. Po zamrożeniu materiał rozszerzał się, tworząc gąbczastą matrycę, która przekształcała włókna kevlarowe w aerożele. Następnie utkano z nich tekstylia aerożelowe. W porównaniu z różnymi aerożelami organicznymi i nieorganicznymi, aerożel kevlarowy ma podobną powierzchnię i przewodność cieplną, ale większą wytrzymałość mechaniczną. Wykazuje również dobrą odporność termiczną i ogniową, a także można go barwić i nadawać mu właściwości hydrofobowe.