Kevlar - Kevlar

Kevlar
Ball-and-stick-modell av et enkelt lag av krystallstrukturen
Aramid fiber2.jpg
Navn
IUPAC navn
Poly (azandiyl-1,4-fenyleneazandiyltereftaloyl)
Identifikatorer
ChemSpider
Egenskaper
[-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n
Med mindre annet er angitt, gis data for materialer i standardtilstand (ved 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N bekreft  ( hva er   ?) kryss avY☒N
Infobox -referanser

Kevlar (para-aramid) er en varmebestandig og sterk syntetisk fiber , relatert til andre aramider som Nomex og Technora . Høystyrke -materialet ble utviklet av Stephanie KwolekDuPont i 1965, og ble først brukt kommersielt på begynnelsen av 1970-tallet som erstatning for stål i racerdekk. Det blir vanligvis spunnet i tau eller stoffark som kan brukes som sådan, eller som en ingrediens i komposittmaterialkomponenter .

Kevlar har mange anvendelser, som strekker seg fra sykkeldekk og racing seil til skuddsikre vester , alt på grunn av høy strekkstyrke-til-vekt-forhold ; ved denne målingen er den fem ganger sterkere enn stål. Den brukes også til å lage moderne marsjerende trommehoder som tåler stor påvirkning. Det brukes også til fortøyningslinjer og andre undervannsapplikasjoner.

En lignende fiber kalt Twaron med samme kjemiske struktur ble utviklet av Akzo på 1970 -tallet; kommersiell produksjon startet i 1986, og Twaron er nå produsert av Teijin .

Historie

Oppfinner av Kevlar, Stephanie Kwolek , en amerikansk kjemiker

Poly-parafenylentereftalamid (K29) -merket Kevlar-ble oppfunnet av den amerikanske kjemikeren Stephanie Kwolek mens han jobbet for DuPont, i påvente av bensinmangel. I 1964 begynte gruppen hennes å lete etter en ny lett, sterk fiber for å bruke for lette, men sterke dekk. Polymerene hun den gang hadde jobbet med, poly-p-fenylentereftalat og polybenzamid, dannet flytende krystaller mens de var i løsning, noe som var unikt for disse polymerene den gangen.

Løsningen var "grumsete, opaliserende ved omrøring og lav viskositet " og ble vanligvis kastet. Men Kwolek talte tekniker, Charles Smullen, som drev spinneret , for å teste sin løsning, og ble overrasket over å finne at fiber ikke bryte, i motsetning til nylon . Lederen hennes og laboratoriedirektøren forsto betydningen av oppdagelsen hennes, og et nytt felt innen polymerkjemi oppsto raskt. I 1971 ble moderne Kevlar introdusert. Kwolek var imidlertid ikke særlig involvert i å utvikle applikasjonene til Kevlar. Kevlar 149 ble oppfunnet av Dr. Jacob Lahijani fra Dupont på 1980 -tallet .

Produksjon

Reaksjonen av 1,4-fenylendiamin ( para- fenylendiamin) med tereftaloylklorid gir Kevlar

Kevlar syntetiseres i løsning fra monomerene 1,4 -fenylen -di -amin ( para -fenylendiamin ) og tereftaloylklorid i en kondensasjonsreaksjon som gir saltsyre som et biprodukt. Resultatet har væskekrystallinsk oppførsel, og mekanisk tegning orienterer polymerkjedene i fiberens retning. Heksametylfosforamid (HMPA) var løsemidlet som opprinnelig ble brukt til polymerisasjonen , men av sikkerhetsmessige årsaker erstattet DuPont det med en løsning av N -metyl -pyrrolidon og kalsiumklorid. Ettersom denne prosessen hadde blitt patentert av Akzo (se ovenfor) i produksjonen av Twaron , oppsto en patentkrig .

Kevlarproduksjon er dyrt på grunn av vanskeligheter ved bruk av konsentrert svovelsyre, som er nødvendig for å holde den vannløselige polymeren i løsning under syntesen og spinningen .

Flere grader av Kevlar er tilgjengelige:

  • Kevlar K-29 -i industrielle applikasjoner, for eksempel kabler, erstatning av asbest , dekk og bremsebelegg.
  • Kevlar K49 - høy modul som brukes i kabel- og tauprodukter.
  • Kevlar K100 - farget versjon av Kevlar
  • Kevlar K119 -høyere forlengelse, fleksibel og mer tretthetsbestandig
  • Kevlar K129 - høyere utholdenhet for ballistiske applikasjoner
  • Kevlar K149 - høyeste utholdenhet for applikasjoner for ballistiske, rustninger og romfart
  • Kevlar AP -15% høyere strekkfasthet enn K-29
  • Kevlar XP - lettere harpiks og KM2 pluss fiberkombinasjon
  • Kevlar KM2 - forbedret ballistisk motstand for rustningsprogrammer

Den ultrafiolette komponenten i sollys nedbryter og bryter ned Kevlar, et problem kjent som UV -nedbrytning , og brukes derfor sjelden utendørs uten beskyttelse mot sollys.

Struktur og egenskaper

Molekylær struktur av Kevlar: fet skrift representerer en monomerenhet , stiplete linjer indikerer hydrogenbindinger.

Når Kevlar blir spunnet , har den resulterende fiberen en strekkfasthet på omtrent 3620 MPa (525 000 psi) og en relativ tetthet på 1,44 (0,052 lb/in 3 ). Polymeren skylder sin høye styrke til de mange mellomkjedede bindinger. Disse intermolekylære hydrogenbindinger dannes mellom karbonylgruppene og NH- sentrene. Ytterligere styrke er avledet fra aromatiske stablingsinteraksjoner mellom tilstøtende tråder. Disse interaksjonene har en større innflytelse på Kevlar enn van der Waals- interaksjoner og kjedelengde som vanligvis påvirker egenskapene til andre syntetiske polymerer og fibre som polyethylen med ultrahøy molekylvekt . Tilstedeværelsen av salter og visse andre urenheter, spesielt kalsium , kan forstyrre strenginteraksjonene, og det tas forsiktighet for å unngå inkludering i produksjonen. Kevlars struktur består av relativt stive molekyler som har en tendens til å danne stort sett plane arklignende strukturer snarere som silkeprotein .

Termiske egenskaper

Kevlar opprettholder sin styrke og motstandskraft ned til kryogene temperaturer (-196 ° C (-320,8 ° F)); faktisk er den litt sterkere ved lave temperaturer. Ved høyere temperaturer reduseres strekkfastheten umiddelbart med omtrent 10–20%, og etter noen timer reduseres styrken gradvis ytterligere. For eksempel: ved 160 ° C (320 ° F) i 500 timer, reduseres styrken med ca. 10%; og ved 260 ° C (500 ° F) i 70 timer, reduseres styrken med omtrent 50%.

applikasjoner

Vitenskap

Kevlar brukes ofte innen kryogenikk for sin lave varmeledningsevne og høye styrke i forhold til andre materialer til suspensjonsformål . Det brukes oftest til å suspendere et paramagnetisk saltinnkapsel fra en superledende magnetdorn for å minimere eventuelle varmelekkasjer til det paramagnetiske materialet. Det brukes også som termisk avstand eller strukturell støtte der det ønskes lave varmelekkasjer.

Et tynt Kevlar -vindu har blitt brukt av NA48 -eksperimentet ved CERN for å skille et vakuumkar fra et fartøy ved nesten atmosfærisk trykk, begge 192 cm (76 tommer) i diameter. Vinduet har gitt vakuumtetthet kombinert med en rimelig liten mengde materiale (bare 0,3% til 0,4% av strålelengden ).

Beskyttelse

Biter av en Kevlar -hjelm som brukes til å absorbere sprengningen av en granat

Kevlar er en velkjent komponent i personlig rustning som kamphjelmer , ballistiske ansiktsmasker og ballistiske vester . Den PASGT hjelm og vest brukt av USA militære styrker, bruker Kevlar som en nøkkelkomponent i sin konstruksjon. Andre militære bruksområder inkluderer skuddsikre ansiktsmasker og spellforinger som brukes til å beskytte mannskapene på pansrede kampbiler . Nimitz -klasse hangarskip bruker Kevlar -forsterkning på vitale områder. Sivile applikasjoner inkluderer: uniformer med høy varmebestandighet som bæres av brannmenn, kroppsvern som bæres av politifolk, sikkerhet og politiets taktiske team som SWAT .

Kevlar brukes til å produsere hansker, ermer, jakker, revne og andre klesplagg er utformet for å beskytte brukerne mot kutt, slitasje og varme. Kevlar-basert verneutstyr er ofte betydelig lettere og tynnere enn tilsvarende utstyr laget av mer tradisjonelle materialer.

Kevlar er et veldig populært materiale for racing kanoer.

Den brukes til motorsykkel sikkerhetsklær , spesielt i områder med polstring som skuldre og albuer. I gjerder brukes det i beskyttelsesjakker, bukser, plastroner og smekke av masker. Det blir stadig mer brukt i petoen , det polstrede dekselet som beskytter picadors hester i tyrefekterarenaen. Hurtigløpere bruker også ofte et underlag av Kevlar-stoff for å forhindre potensielle sår fra skøyter i tilfelle fall eller kollisjon.

Sport

I kyudo , eller japansk bueskyting , kan det brukes som et alternativ til dyrere hamp for buestrenger . Det er et av hovedmaterialene som brukes til paraglider -suspensjonslinjer. Den brukes som et indre fôr for noen sykkeldekk for å forhindre punkteringer. I bordtennis legges Kevlar -lag til tilpassede lagblad eller padler for å øke sprett og redusere vekt. Noen ganger er tennisracketer trukket med Kevlar. Den brukes i seil for racerbåter med høy ytelse.

I 2013, med teknologiske fremskritt, brukte Nike Kevlar i sko for første gang. Den lanserte Elite II -serien, med forbedringer til den tidligere versjonen av basketballsko ved å bruke Kevlar både i fremre og skosnøre . Dette ble gjort for å redusere elastisiteten til spissen av skoen i motsetning til nylon som brukes konvensjonelt da Kevlar ekspanderte med omtrent 1% mot nylon som ekspanderte med omtrent 30%. Sko i denne serien inkluderer LeBron, HyperDunk og Zoom Kobe VII. Disse skoene ble imidlertid lansert til en prisklasse som er mye høyere enn gjennomsnittlig pris på basketballsko. Den ble også brukt i snørebåndene til Adidas F50 adiZero Prime fotballsko.

Flere selskaper, inkludert Continental AG , produserer sykkeldekk med Kevlar for å beskytte mot punkteringer.

Folding-bead sykkeldekk, introdusert for sykling av Tom Ritchey i 1984, bruker Kevlar som en perle i stedet for stål for vektreduksjon og styrke. En bivirkning av foldeperlen er en reduksjon i hylle- og gulvplass som er nødvendig for å vise sykkeldekk i butikkmiljø, ettersom de brettes og legges i små esker.

Musikk

Kevlar har også vist seg å ha nyttige akustiske egenskaper for høyttalerkegler , spesielt for bas- og mellomdrevsenheter. I tillegg har Kevlar blitt brukt som et styrkeelement i fiberoptiske kabler, for eksempel de som brukes til lyddataoverføringer.

Kevlar kan brukes som en akustisk kjerne på buer for strengeinstrumenter . Kevlars fysiske egenskaper gir styrke, fleksibilitet og stabilitet for baugens bruker. Til dags dato er den eneste produsenten av denne typen baug CodaBow .

Kevlar brukes også for tiden som et materiale for halesnorer (aka tailpiece adjusters), som kobler halestykket til endepinnen til bøyde strengeinstrumenter.

Kevlar brukes noen ganger som et materiale for marsjerende lilletrommer. Det tillater ekstremt høy spenning, noe som resulterer i en renere lyd. Det helles vanligvis en harpiks på Kevlar for å gjøre hodet lufttett, og et nylon topplag for å gi en flat slående overflate. Dette er en av de primære typene for marsjerende skarptrommelhoder. Remo 's Falam Slam patch er laget med Kevlar og brukes til å forsterke basstrommeskinn der slag streik.

Kevlar brukes i treblåsestammen til Fibracell. Materialet i disse sivene er en sammensetning av luftfartsmaterialer designet for å duplisere måten naturen konstruerer stokkrør. Veldig stive, men lydabsorberende Kevlar -fibre er suspendert i en lettharpiksformulering.

Motorkjøretøy

Kevlar brukes noen ganger i konstruksjonskomponenter i biler, spesielt biler med høy ytelse som Ferrari F40 .

Den hakkede fiberen har blitt brukt som erstatning for asbest i bremseklosser . Faktisk frigjør aramider et lavere nivå av luftbårne fibre enn asbestbremser . Asbestfibre er kjent for sine kreftfremkallende egenskaper.

Andre bruksområder

Fire poi på en strand i San Francisco

Veker til branndans rekvisitter er laget av komposittmaterialer med Kevlar i. Kevlar i seg selv absorberer ikke drivstoff særlig godt, så det blandes med andre materialer som glassfiber eller bomull . Kevlars høye varmebestandighet gjør at veke kan gjenbrukes mange ganger.

Kevlar brukes noen ganger som erstatning for teflon i noen stekepanner som ikke klistrer.

Kevlarfiber brukes i tau og i kabel, hvor fibrene holdes parallelle i en polyetylenhylse . Kablene har blitt brukt i hengebroer som broen i Aberfeldy, Skottland . De har også blitt brukt til å stabilisere sprekkende kjøletårn i betong ved bruk i omkretsen etterfulgt av stramming for å lukke sprekker. Kevlar er mye brukt som en beskyttende ytre kappe for optisk fiberkabel , da dens styrke beskytter kabelen mot skade og knekk. Når den brukes i denne applikasjonen, er den ofte kjent under navnet Parafil.

Kevlar ble brukt av forskere ved Georgia Institute of Technology som en grunntekstil for et eksperiment i strømproduserende klær. Dette ble gjort ved å veve nanotråder av sinkoksid inn i stoffet. Hvis det lykkes, vil det nye stoffet generere omtrent 80 milliwatt per kvadratmeter.

Et uttrekkbart tak på over 60 000 sq ft (5,600 m 2 ) av Kevlar var en viktig del av konstruksjonen av Olympic Stadium, Montreal for 1976 OL . Det var spektakulært mislykket, ettersom det ble fullført 10 år forsinket og erstattet bare 10 år senere i mai 1998 etter en rekke problemer.

Kevlar kan bli funnet som et forsterkende lag i gummibelgen ekspansjonsfuger og gummislanger , for bruk ved høye temperaturer, og for sin høye styrke. Det er også funnet som et flettelag som brukes på utsiden av slangesamlinger, for å legge til beskyttelse mot skarpe gjenstander.

Noen mobiltelefoner (inkludert Motorola RAZR -familien , Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 og Pocophone F1 ) har en Kevlar -bakplate, valgt fremfor andre materialer som karbonfiber på grunn av dens motstandskraft og manglende interferens med signaloverføring.

Kevlar fiber/epoxy matrix komposittmaterialer kan brukes i marine strømturbiner (MCT) eller vindturbiner på grunn av deres høye spesifikke styrke og lette vekt sammenlignet med andre fibre.

Komposittmaterialer

Aramidfibre er mye brukt til forsterkning av komposittmaterialer, ofte i kombinasjon med karbonfiber og glassfiber . Matrisen for kompositter med høy ytelse er vanligvis epoksyharpiks . Typiske bruksområder er selvbærende karosseri organer for F1 racerbiler , helikopterrotorblad, tennis , bord tennis , badminton og squash racketer , kajakker , cricket flaggermus og felt hockey , ishockey og lacrosse pinner.

Kevlar 149, den sterkeste fiber og mest krystallinske i strukturen, er et alternativ i visse deler av flykonstruksjonen. Vingens forkant er en applikasjon, Kevlar er mindre utsatt enn karbon eller glassfiber for å bryte i fuglekollisjoner.

Se også

Referanser

Eksterne linker