Kevlar - Kevlar

Kevlar
Ball-and-stick model af et enkelt lag af krystalstrukturen
Aramid fiber2.jpg
Navne
IUPAC navn
Poly (azandiyl-1,4-phenyleneazandiylterephthaloyl)
Identifikatorer
ChemSpider
Ejendomme
[-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n
Medmindre andet er angivet, angives data for materialer i deres standardtilstand (ved 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N kontrollere  ( hvad er   ?) kontrollereY☒N
Infobox referencer

Kevlar (para-aramid) er en varmebestandig og stærk syntetisk fiber , der er relateret til andre aramider som Nomex og Technora . Højstyrkematerialet blev udviklet af Stephanie Kwolek i DuPont i 1965 og blev først brugt kommercielt i begyndelsen af ​​1970'erne som erstatning for stål i racerdæk. Det snurres typisk til reb eller stofark, der kan bruges som sådan eller som en ingrediens i kompositmaterialekomponenter .

Kevlar har mange anvendelsesmuligheder, lige fra cykel dæk og racing sejl til skudsikre veste , alle på grund af sin høje trækstyrke-til-vægt-forhold ; ved denne foranstaltning er den fem gange stærkere end stål. Det bruges også til at lave moderne marcherende tromlehoveder, der tåler stor påvirkning. Det bruges også til fortøjningslinjer og andre undervandsapplikationer.

En lignende fiber kaldet Twaron med den samme kemiske struktur blev udviklet af Akzo i 1970'erne; kommerciel produktion startede i 1986, og Twaron fremstilles nu af Teijin .

Historie

Opfinder af Kevlar, Stephanie Kwolek , en amerikansk kemiker

Poly-paraphenylenterephthalamid (K29)-mærket Kevlar-blev opfundet af den amerikanske kemiker Stephanie Kwolek, mens han arbejdede for DuPont, i forventning om benzinmangel. I 1964 begyndte hendes gruppe at søge efter en ny letvægts stærk fiber til brug for lette, men stærke, dæk. Polymererne, hun dengang havde arbejdet med, poly-p-phenylentereftalat og polybenzamid, dannede flydende krystaller, mens de var i opløsning, noget unikt for disse polymerer dengang.

Opløsningen var "uklar, opaliserende ved omrøring og lav viskositet " og blev normalt smidt væk. Men Kwolek overtalte teknikeren, Charles Smullen, der kørte spindedysen , for at teste sin løsning, og var forbløffet over at finde, at fiberen ikke brød, i modsætning til nylon . Hendes vejleder og hendes laboratoriedirektør forstod betydningen af ​​hendes opdagelse, og et nyt felt inden for polymerkemi opstod hurtigt. I 1971 blev moderne Kevlar introduceret. Kwolek var imidlertid ikke særlig involveret i udviklingen af ​​Kevlars applikationer. Kevlar 149 blev opfundet af Dr. Jacob Lahijani fra Dupont i 1980'erne.

Produktion

Reaktionen af ​​1,4-phenylendiamin ( para- phenylendiamin) med terephthaloylchlorid giver Kevlar

Kevlar syntetiseres i opløsning fra monomererne 1,4 -phenylen -di -amin ( para -phenylendiamin ) og terephthaloylchlorid i en kondensationsreaktion, der giver saltsyre som et biprodukt. Resultatet har væskekrystallinsk adfærd, og mekanisk tegning orienterer polymerkæderne i fiberens retning. Hexamethylphosphoramid (HMPA) var opløsningsmidlet, der oprindeligt blev anvendt til polymerisationen , men af ​​sikkerhedsmæssige årsager erstattede DuPont det med en opløsning af N -methyl -pyrrolidon og calciumchlorid. Da denne proces var blevet patenteret af Akzo (se ovenfor) i produktionen af Twaron , fulgte en patentkrig .

Kevlarproduktion er dyr på grund af vanskelighederne ved anvendelse af koncentreret svovlsyre, der er nødvendig for at holde den vanduopløselige polymer i opløsning under dens syntese og centrifugering .

Flere kvaliteter af Kevlar er tilgængelige:

  • Kevlar K-29 -i industrielle applikationer, såsom kabler, udskiftning af asbest , dæk og bremsebelægninger.
  • Kevlar K49 - højmodul anvendt i kabel- og rebprodukter .
  • Kevlar K100 - farvet version af Kevlar
  • Kevlar K119 -højere forlængelse, fleksibel og mere træthedsbestandig
  • Kevlar K129 - højere holdbarhed til ballistiske applikationer
  • Kevlar K149 - højeste vedholdenhed til ballistiske applikationer, rustninger og rumfart
  • Kevlar AP -15% højere trækstyrke end K-29
  • Kevlar XP - lettere harpiks og KM2 plus fiberkombination
  • Kevlar KM2 - forbedret ballistisk modstand til rustningsprogrammer

Den ultraviolette komponent i sollys nedbryder og nedbryder Kevlar, et problem kendt som UV -nedbrydning , og derfor bruges det sjældent udendørs uden beskyttelse mod sollys.

Struktur og egenskaber

Molekylær struktur af Kevlar: fed repræsenterer en monomerenhed , stiplede linjer angiver hydrogenbindinger.

Når Kevlar centrifugeres , har den resulterende fiber en trækstyrke på omkring 3.620 MPa (525.000 psi) og en relativ densitet på 1,44 (0,052 lb/in 3 ). Polymeren skylder sin høje styrke de mange mellemkædede bindinger. Disse intermolekylære hydrogenbindinger dannes mellem carbonylgrupperne og NH - centrene. Yderligere styrke stammer fra aromatiske stablingsinteraktioner mellem tilstødende tråde. Disse interaktioner har en større indflydelse på Kevlar end van der Waals- interaktioner og kædelængde, der typisk påvirker egenskaberne af andre syntetiske polymerer og fibre, såsom polyethylen med ultrahøj molekylvægt . Tilstedeværelsen af salte og visse andre urenheder, især calcium , kan forstyrre strengens interaktioner, og der udvises omhu for at undgå inklusion i dets produktion. Kevlars struktur består af relativt stive molekyler, der har tendens til at danne for det meste plane arklignende strukturer snarere som silkeprotein .

Termiske egenskaber

Kevlar bevarer sin styrke og modstandsdygtighed ned til kryogene temperaturer (-196 ° C (-320,8 ° F)); faktisk er den lidt stærkere ved lave temperaturer. Ved højere temperaturer reduceres trækstyrken straks med ca. 10–20%, og efter nogle timer reduceres styrken gradvist yderligere. For eksempel: ved 160 ° C (320 ° F) i 500 timer reduceres dets styrke med ca. 10%; og ved 260 ° C (500 ° F) i 70 timer reduceres dets styrke med ca. 50%.

Ansøgninger

Videnskab

Kevlar bruges ofte inden for kryogenik for sin lave varmeledningsevne og høje styrke i forhold til andre materialer til suspensionsformål . Det bruges oftest til at suspendere et paramagnetisk saltindkapsling fra en superledende magnetdorn for at minimere eventuelle varmelækager til det paramagnetiske materiale. Det bruges også som en termisk afvigelse eller strukturel støtte, hvor der ønskes lave varmelækager.

Et tyndt Kevlar -vindue er blevet brugt af NA48 -eksperimentet ved CERN til at adskille et vakuumbeholder fra et kar ved næsten atmosfærisk tryk, begge 192 cm (76 in) i diameter. Vinduet har givet vakuumtæthed kombineret med en rimelig lille mængde materiale (kun 0,3% til 0,4% af strålingslængden ).

Beskyttelse

Stykker af en Kevlar -hjelm, der bruges til at absorbere sprængningen af ​​en granat

Kevlar er en velkendt komponent i personlig rustning såsom kamphjelme , ballistiske ansigtsmasker og ballistiske veste . Den PASGT hjelm og vest brugt af amerikanske militære styrker, bruge Kevlar som et centralt element i deres konstruktion. Andre militære anvendelser omfatter skudsikre ansigtsmasker og spallforinger, der bruges til at beskytte besætningerne på pansrede kampbiler . Nimitz -klasse hangarskibe bruger Kevlar -forstærkning i vitale områder. Civile anvendelser omfatter: uniformer med høj varmebestandighed, der bæres af brandmænd, kropsrustning, der bæres af politifolk, sikkerhed og politiets taktiske hold som SWAT .

Kevlar bruges til at fremstille handsker, ærmer, jakker, chaps og andre beklædningsgenstande designet til at beskytte brugerne mod nedskæringer, slid og varme. Kevlar-baseret beskyttelsesudstyr er ofte betydeligt lettere og tyndere end tilsvarende gear lavet af mere traditionelle materialer.

Kevlar er et meget populært materiale til racing kanoer.

Det bruges til motorcykel sikkerhedstøj , især i områder med polstring såsom skuldre og albuer. I hegn bruges det i beskyttelsesjakker, ridebukser, plastroner og maskenes hagesmæk. Det bruges i stigende grad i petoen , det polstrede belægning, der beskytter picadors heste i tyrefægterarenaen. Speed ​​skatere bærer også ofte et underlag af Kevlar stof for at forhindre potentielle sår fra skøjter i tilfælde af et fald eller kollision.

Sport

I kyudo eller japansk bueskydning kan det bruges som et alternativ til dyrere hamp til sløjfe . Det er et af de vigtigste materialer, der bruges til paraglider -ophængningslinjer. Det bruges som en indvendig foring til nogle cykeldæk for at forhindre punkteringer. I bordtennis tilføjes lag af Kevlar til brugerdefinerede lagskovle eller padler for at øge bounce og reducere vægten. Tennisrakketter er undertiden spændt med Kevlar. Det bruges i sejl til højtydende racerbåde.

I 2013, med fremskridt inden for teknologi, brugte Nike Kevlar i sko for første gang. Det lancerede Elite II -serien med forbedringer til sin tidligere version af basketballsko ved hjælp af Kevlar i forreste såvel som skosnørebånd . Dette blev gjort for at reducere elasticiteten af ​​spidsen af ​​skoen i modsætning til nylon, der normalt bruges, da Kevlar ekspanderede med ca. 1% mod nylon, som ekspanderede med ca. 30%. Sko i denne serie omfattede LeBron, HyperDunk og Zoom Kobe VII. Disse sko blev dog lanceret til en prisklasse meget højere end gennemsnittet af basketballsko. Det blev også brugt i snørebåndene til Adidas F50 adiZero Prime fodboldstøvlen.

Flere virksomheder, herunder Continental AG , fremstiller cykeldæk med Kevlar for at beskytte mod punkteringer.

Folded-perle cykeldæk, introduceret til cykling af Tom Ritchey i 1984, bruger Kevlar som en perle i stedet for stål til vægtreduktion og styrke. En bivirkning af foldeperlen er en reduktion i hylden og gulvpladsen, der er nødvendig for at vise cykeldæk i et detailmiljø, da de foldes og placeres i små kasser.

musik

Kevlar har også vist sig at have nyttige akustiske egenskaber til højttalerkegler , specielt til bas- og mellemdrevsenheder. Derudover er Kevlar blevet brugt som et styrkeelement i fiberoptiske kabler, såsom dem, der bruges til lyddatatransmissioner.

Kevlar kan bruges som en akustisk kerne på buer til strengeinstrumenter . Kevlars fysiske egenskaber giver styrke, fleksibilitet og stabilitet til buens bruger. Til dato er den eneste producent af denne type sløjfe CodaBow .

Kevlar er også for tiden anvendes som et materiale til tailcords (aka endestykke justeringsanordninger), som forbinder endestykket til endpin af bøjede strengeinstrumenter.

Kevlar bruges undertiden som et materiale til marcherende lilletrommer. Det giver mulighed for en ekstremt høj spænding, hvilket resulterer i en renere lyd. Der hældes normalt en harpiks på Kevlar for at gøre hovedet lufttæt og et nylon -toplag for at give en flad slagflade. Dette er en af ​​de primære typer af marcherende lilletrommehoveder. Remos Falam Slam -patch er lavet med Kevlar og bruges til at forstærke bastromlehoveder, hvor piskeren rammer.

Kevlar bruges i træblæserne i Fibracell. Materialet i disse siv er en sammensætning af luftfartsmaterialer designet til at kopiere den måde, naturen konstruerer stokrør. Meget stive, men lydabsorberende Kevlar -fibre er suspenderet i en letharpiksformulering.

Motorkøretøjer

Kevlar bruges undertiden i strukturelle komponenter i biler, især højtydende biler som Ferrari F40 .

Den hakkede fiber er blevet brugt som erstatning for asbest i bremseklodser . Faktisk frigiver aramider et lavere niveau af luftbårne fibre end asbestbremser . Asbestfibre er kendt for deres kræftfremkaldende egenskaber.

Andre anvendelser

Fire poi på en strand i San Francisco

Væger til ilddans rekvisitter er lavet af kompositmaterialer med Kevlar i. Kevlar i sig selv absorberer ikke brændstof særlig godt, så det blandes med andre materialer som glasfiber eller bomuld . Kevlars høje varmebestandighed gør, at vægerne kan genbruges mange gange.

Kevlar bruges undertiden som erstatning for teflon i nogle non-stick stegepander.

Kevlarfiber bruges i reb og i kabel, hvor fibrene holdes parallelle inde i et polyethylenhylster . Kablerne er blevet brugt i hængebroer som broen i Aberfeldy, Skotland . De er også blevet brugt til at stabilisere revnet betonkøletårne ​​ved periferisk anvendelse efterfulgt af spænding for at lukke revnerne. Kevlar bruges i vid udstrækning som en beskyttende ydre kappe til optisk fiberkabel , da dets styrke beskytter kablet mod skader og knæk. Når det bruges i denne applikation, er det almindeligt kendt under det varemærkebetegnede navn Parafil.

Kevlar blev brugt af forskere ved Georgia Institute of Technology som basistekstil til et eksperiment i elproducerende tøj. Dette blev gjort ved at væve zanoxid -nanotråde i stoffet. Hvis det lykkes, vil det nye stof generere omkring 80 milliwatt pr. Kvadratmeter.

En overdækning af over 60.000 sq ft (5.600 m 2 ) af Kevlar var en central del af udformningen af Olympic Stadium, Montreal for Sommer-OL 1976 . Det var spektakulært mislykket, da det blev afsluttet 10 år for sent og udskiftet kun 10 år senere i maj 1998 efter en række problemer.

Kevlar kan findes som et forstærkende lag i gummi bælge kompensatorer og gummi slanger til anvendelse i høje temperaturer, og for dets høje styrke. Det findes også som et fletlag, der bruges på ydersiden af ​​slangesamlinger, for at tilføre beskyttelse mod skarpe genstande.

Nogle mobiltelefoner (herunder Motorola RAZR -familien , Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 og Pocophone F1 ) har en Kevlar -bagplade, der er valgt frem for andre materialer såsom kulfiber på grund af dets modstandsdygtighed og manglende interferens med signaloverførsel.

Kevlar fiber/epoxy matrix kompositmaterialerne kan bruges i marine aktuelle møller (MCT) eller vindmøller på grund af deres høje specifikke styrke og lette vægt i forhold til andre fibre.

Kompositmaterialer

Aramidfibre bruges i vid udstrækning til forstærkning af kompositmaterialer, ofte i kombination med kulfiber og glasfiber . Matrixen til højtydende kompositter er normalt epoxyharpiks . Typiske anvendelser omfatter monocoque organer for F1 racerbiler , helikopter rotorblade, tennis , bordtennis , badminton og squash ketchere , kajakker , cricket bats og hockey , ishockey og lacrosse sticks.

Kevlar 149, den stærkeste fiber og mest krystallinske struktur, er et alternativ i visse dele af flykonstruktionen. Vingens forkant er en applikation, idet Kevlar er mindre tilbøjelig end kulfiber eller glasfiber til at bryde ved fuglekollisioner.

Se også

Referencer

eksterne links