| Ονόματα | |
|---|---|
| ΟνοματολογίαIUPAC Poly(azanediyl-1,4-phenyleneazanediylterephthaloyl | |
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπόκανονικές συνθήκες (25°C, 100 kPa). | |
| Infobox references | |
Τοκέβλαρ (αγγλικά:kevlar, παρα-αραμίδιο)[1] είναι μια θερμο-ανθεκτική και ισχυρή συνθετική ίνα, που σχετίζεται με άλλα αραμίδια όπως η Nomex και η Technora. Αναπτύχθηκε από τηΣτέφανι Κουόλεκ (Stephanie Kwolek) στην DuPont το 1965,[2][3] το υλικό υψηλής αντοχής χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά εμπορικά στις αρχές της δεκαετίας του 1970 ως αντικαταστάτης του χάλυβα σε αγωνιστικά ελαστικά αυτοκινήτων. Συνήθως περιστρέφεται σε σχοινιά ήυφάσματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως έχουν ή ως συστατικό σε σύνθετα υλικά.
Το κέβλαρ έχει πολλές εφαρμογές, που κυμαίνονται από ελαστικά ποδηλάτων και πανιά αγωνιστικών σκαφών έως αλεξίσφαιρα γιλέκα, όλα λόγω της υψηλής αντοχής σε εφελκυσμό σε σχέση με το βάρος του. Με βάση αυτό το μέτρο είναι πέντε φορές ισχυρότερο από το χάλυβα.[1] Χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή σύγχρονων μεμβρανών τυμπάνων με υψηλή αντοχή, καθώς επίσης και για την κατασκευή σχοινιών πρόσδεσης πλοίων και άλλες υποβρύχιες εφαρμογές.
Μια παρόμοια ίνα που ονομάζεται Twaron με την ίδια χημική δομή αναπτύχθηκε από την Akzo στη δεκαετία του 1970. Η εμπορική παραγωγή ξεκίνησε το 1986 και η Twaron κατασκευάζεται πλέον από την Teijin.[4][5]
Το πολυ-παραφενυλενο-τερεφθαλαμίδιο (K29) - με την επώνυμα κέβλαρ - εφευρέθηκε από την αμερικανή χημικόΣτέφανι Κουόλεκ ενώ εργαζόταν για την DuPont, εν όψη της έλλειψης βενζίνης. Το 1964, η ομάδα της άρχισε να ψάχνει για μια νέα ελαφριά και ισχυρή ίνα για τη χρήση σε ελαφριά, αλλά ισχυρά, ελαστικά.[6] Τα πολυμερή με τα οποία εργαζόταν το διάστημα εκείνο, το πολυ-π-φαινυλ-τερεφθαλικό και το πολυβενζαμίδιο,[7] σχημάτισανυγρούς κρυστάλλους ενώ ήταν σε διάλυμα, κάτι μοναδικό για αυτά τα πολυμερή εκείνη την εποχή.
Το διάλυμα ήταν "θολό, ιριδίζον κατά την ανάδευση, και χαμηλούιξώδους" και συνήθως απορρίφθηκε. Ωστόσο, ο Kwolek έπεισε τον τεχνικό, τον Charles Smullen, ο οποίος έτρεχε το spinneret, να δοκιμάσει τη λύση της και εξέπληξε το γεγονός ότι η ίνα δεν έσπασε, σε αντίθεση με τονάιλον. Η επόπτη της και ο διευθυντής του εργαστηρίου της κατάλαβαν τη σημασία της ανακάλυψής της και γρήγορα εμφανίστηκε ένας νέος τομέας χημείας πολυμερών. To 1971, δημιουργήθηκε το σύγχρονο κέβλαρ.[6] Ωστόσο, η Kwolek δεν συμμετείχε πολύ στην ανάπτυξη των εφαρμογών του κέβλαρ.[8] Το κέβλαρ 149 εφευρέθηκε από τον Δρ. Jacob Lahijani της Dupont τη δεκαετία του 1980.[9]
Το κέβλαρσυντίθεται σε διάλυμα από τα μονομερή 1,4- φαινυλενο- διαμίνη ( παρα-φαινυλοδιαμίνη) και τερεφθαλοϋλοχλωρίδιο σεαντίδραση συμπύκνωσης αποδίδονταςυδροχλωρικό οξύ ως υποπροϊόν. Το αποτέλεσμα έχειυγρή-κρυσταλλική συμπεριφορά και το μηχανικό σχέδιο προσανατολίζει τις αλυσίδες πολυμερούς προς την κατεύθυνση της ίνας. Το εξαμεθυλφωσφοραμίδιο (HMPA) ήταν ο διαλύτης που χρησιμοποιήθηκε αρχικά για τονπολυμερισμό, αλλά για λόγους ασφαλείας, η DuPont το αντικατέστησε με ένα διάλυμαΝ -μεθυλ-πυρρολιδόνης και χλωριούχου ασβεστίου. Καθώς αυτή η διαδικασία είχε κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από την Akzo (βλ. παραπάνω) στην παραγωγή του Twaron, ακολούθησε πόλεμος για τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας.[10]
-Synthese.svg)
Η παραγωγή κέβλαρ (πολυ-παραφενυλ-τερεφθαλαμίδη) είναι δαπανηρή λόγω των δυσκολιών που προκύπτουν από τη χρήση συμπυκνωμένουθειικού οξέος, που απαιτείται για να διατηρηθεί το αδιάλυτο στο νερό πολυμερές σε διάλυση κατά τη σύνθεση και την περιστροφή του.
Διατίθενται αρκετοί βαθμοί κέβλαρ:
Ηυπεριώδης συνιστώσα του ηλιακού φωτός υποβαθμίζει και αποσυνθέτει το κέβλαρ, ένα πρόβλημα γνωστό ωςγήρανση των πολυμερών λόγω UV ακτινοβολίας, και έτσι χρησιμοποιείται σπάνια σε εξωτερικούς χώρους χωρίς προστασία από το φως του ήλιου.[16]
Οταν το κέβλαρ περιστρέφεται, η προκύπτουσα ίνα έχει αντοχή εφελκυσμού περίπου 3.620 MPa,[17] καισχετική πυκνότητα 1,44. Το πολυμερές οφείλει την υψηλή αντοχή του στους πολλούς δεσμούς μεταξύ των αλυσίδων. Αυτοί οι μοριακοίδεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ των καρβονυλ-ομάδων και τωνΝΗ κέντρων. Από τις αρωματικές δυνάμεις στοίβαξης μεταξύ των γειτονικών κλώνων προκύπτει πρόσθετη αντοχή. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις έχουν μεγαλύτερη επίδραση στο κέβλαρ από τιςδυνάμεις van der Waals και το μήκος της αλυσίδας που συνήθως επηρεάζουν τις ιδιότητες άλλων συνθετικών πολυμερών και ινών όπως το Dyneema. Η παρουσίααλάτων και ορισμένων άλλων ακαθαρσιών, ειδικά τουασβεστίου, θα μπορούσε να επηρεάσει τις αλληλεπιδράσεις του κλώνου και λαμβάνεται μέριμνα για να αποφευχθεί η παρουσία τους στην παραγωγή του. Η δομή του κέβλαρ αποτελείται από σχετικά άκαμπτα μόρια τα οποία τείνουν να σχηματίζουν ως επί το πλείστον επίπεδες δομές που μοιάζουν περισσότερο με φύλλα παρά μάλλον με πρωτεΐνεςμεταξιού.[18]
Το κέβλαρ διατηρεί τη δύναμη και την ανθεκτικότητά του σε κρυογονικές θερμοκρασίες (−196 ° C). Στην πραγματικότητα, είναι ελαφρώς ισχυρότερο σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες η αντοχή εφελκυσμού μειώνεται αμέσως κατά περίπου 10-20% και μετά από μερικές ώρες η αντοχή μειώνεται προοδευτικά περαιτέρω. Για παράδειγμα: ανθεκτικό 160 ° C (320) ° F) για 500 ώρες, η αντοχή του μειώνεται κατά περίπου 10%. και ανθεκτικό 260 ° C (500) ° F) για 70 ώρες, η αντοχή του μειώνεται κατά περίπου 50%.[19]
Το κέβλαρ χρησιμοποιείται συχνά στον τομέα τηςκρυογονικής για τη χαμηλήθερμική αγωγιμότητα και την υψηλή αντοχή του σε σχέση με άλλα υλικά για σκοπούςανάρτησης. Χρησιμοποιείται συχνότερα για την αναστολή ενόςπεριβλήματος παραμαγνητικού άλατος από έναάξονα υπεραγωγού μαγνήτη, προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν τυχόν διαρροές θερμότητας στο παραμαγνητικό υλικό. Χρησιμοποιείται επίσης ως θερμική διακοπή ή δομικό στήριγμα όπου δεν είναι επιθυμητές οι διαρροές θερμότητας.
Το κέβλαρ είναι ένα πολύ γνωστό συστατικό της προσωπικής πανοπλίας, όπως κράνη μάχης, βαλλιστικές μάσκες προσώπου και βαλλιστικά γιλέκα. Το κράνος PASGT και το γιλέκο που χρησιμοποιούν οιστρατιωτικές δυνάμεις των Ηνωμένων Πολιτειών, χρησιμοποιούν το κέβλαρ ως βασικό συστατικό στην κατασκευή τους. Άλλες στρατιωτικές χρήσεις περιλαμβάνουν αλεξίσφαιρες μάσκες προσώπου και επένδυση spall που χρησιμοποιούνται για την προστασία των πληρωμάτων τεθωρακισμένων οχημάτων μάχης. Οι αερομεταφορείς κατηγορίας Nimitz χρησιμοποιούν ενίσχυση κέβλαρ σε ζωτικούς τομείς. Οι πολιτικές εφαρμογές περιλαμβάνουν: στολές υψηλής αντοχής στη θερμότητα που φοριούνται από πυροσβέστες, πανοπλία σώματος που φορούν αστυνομικοί, ασφάλεια και αστυνομικές τακτικές ομάδες, όπως SWAT.[20]
Το κέβλαρ χρησιμοποιείται για την κατασκευή γαντιών, μανικιών, γιλέκων, περικνημίδων και άλλων ειδών ένδυσης[21] που αποσκοπούν στην προστασία των χρηστών από κοψίματα, εκδορές και τη θερμότητα. Ο προστατευτικός εξοπλισμός με βάση το κέβλαρ είναι συχνά πολύ ελαφρύτερο και λεπτότερο από τον αντίστοιχο εξοπλισμό κατασκευασμένο από πιο παραδοσιακά υλικά.[20]
Το κέβλαρ χρησιμοποιείται για ρούχα ασφαλείας μοτοσικλετιστών, ειδικά σε σημεία με επένδυση όπως στους ώμους και τους αγκώνες. Στηνξιφασκία χρησιμοποιείται στα προστατευτικά μπουφάν, παντελόνια, πλαστρόν και τη φόρμα των μασκών. Χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στοπέτο, το επενδεδυμένο με ενίσχυση κάλυμμα που προστατεύει τα άλογα των πικραδόρων στην αρένα ταυρομαχίας.Οι σκέιτερ ταχύτητας φορούν επίσης συχνά ένα υπόστρωμα υφάσματος κέβλαρ για να αποτρέψουν πιθανές πληγές από τις λεπίδες των πατινιών σε περίπτωση πτώσης ή σύγκρουσης.
Στοκίντο (ιαπωνικήτοξοβολία), μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση από την πιο ακριβή κάνναβη[22] για τις χορδές του τόξου. Είναι ένα από τα κύρια υλικά που χρησιμοποιούνται για τις γραμμές ανάρτησης ανεμόπτερο.[23] Χρησιμοποιείται ως εσωτερική επένδυση για ορισμένα ελαστικά ποδηλάτων για την αποφυγή τρυπήματος. Στοπινγκ-πονγκ, τα φύλλα του κέβλαρ προστίθενται σε προσαρμοσμένες ρακέτες, προκειμένου να αυξηθεί η αναπήδηση και να μειωθεί το βάρος.Οι ρακέτες του τένις μερικές φορές δένονται με κέβλαρ. Χρησιμοποιείται σε πανιά για αγωνιστικά σκάφη υψηλής απόδοσης.
Το 2013, με τις εξελίξεις στην τεχνολογία, ηNike χρησιμοποίησε για πρώτη φορά το κέβλαρ στα παπούτσια. Κυκλοφόρησε τη σειρά Elite II,[24] με βελτιώσεις στην προηγούμενη έκδοση των παπουτσιών μπάσκετ, χρησιμοποιώντας το κέβλαρ στο πρόσθιο μέρος καθώς και στα κορδόνια των παπουτσιών. Αυτό έγινε για να μειωθεί η ελαστικότητα του άκρου του παπουτσιού σε αντίθεση με το νάιλον που χρησιμοποιείται συνήθως καθώς το κέβλαρ διογκώθηκε κατά περίπου 1% έναντι του νάιλον που επεκτάθηκε κατά περίπου 30%. Τα παπούτσια αυτής της σειράς περιλαμβάνουν τα LeBron, HyperDunk και Zoom Kobe VII. Ωστόσο, αυτά τα παπούτσια κυκλοφόρησαν σε εύρος τιμών πολύ υψηλότερο από το μέσο κόστος των παπουτσιών μπάσκετ. Χρησιμοποιήθηκε επίσης στα κορδόνια για τηνμπότα ποδοσφαίρου Adidas F50 adiZero Prime.
Αρκετές εταιρείες, συμπεριλαμβανομένης τηςContinental AG, κατασκευάζουν ελαστικά ποδηλάτων με κέβλαρ για την προστασία από τρυπήματα.[25]
Τα ελαστικά ποδηλάτων με αναδιπλούμενη στεφάνη, που παρουσιάστηκαν στην ποδηλασία από τονTom Ritchey το 1984, χρησιμοποιούν το κέβλαρ αντί του χάλυβα ως στεφάνη για τη μείωση του βάρους και για αντοχή. Ενα αποτέλεσμα της αναδιπλούμενης στεφάνης είναι η μείωση του χώρου στο ράφι και στον χώρο που απαιτείται για την έκθεση των ελαστικών αυτών στα καταστήματα πώλησης, καθώς διπλώνονται και τοποθετούνται σε μικρά κουτιά.
Εχει επίσης διαπιστωθεί ότι το κέβλαρ έχει χρήσιμες ακουστικές ιδιότητες γιακώνους μεγαφώνων, ειδικά για μονάδες μπάσου και μεσαίου εύρους.[26] Επιπλέον, το κέβλαρ έχει χρησιμοποιηθεί ως ανθεκτικό στέλεχος σε καλώδια οπτικών ινών, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται για μετάδοση δεδομένων ήχου.[27]
Το κέβλαρ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ακουστικός πυρήνας στα δοξάρια γιαέγχορδα. Οι φυσικές ιδιότητες του κέβλαρ παρέχουν δύναμη, ευελιξία και σταθερότητα για τον χρήστη του δοξαριού. Μέχρι σήμερα, ο μόνος κατασκευαστής αυτού του τύπου δοξαριού είναι η CodaBow.
Το κέβλαρ χρησιμοποιείται επίσης επί του παρόντος ως υλικό για τo δέσιμο των χορδών (δλδ. ρυθμιστές χορδής), στο σημείο που αγκυρώνουν οι χορδές στα έγχορδα.
Το κέβλαρ μερικές φορές χρησιμοποιείται ως υλικό για μεμβράνες τυμπάνων. Επιτυγχάνει εξαιρετικά υψηλή ένταση, με αποτέλεσμα καθαρότερο ήχο. Συνήθως υπάρχει μια ρητίνη που χύνεται πάνω στο κέβλαρ για να κάνει την επιφάνεια αεροστεγή, και ένα νάιλον άνω στρώμα για να παρέχει μια επίπεδη επιφάνεια. Αυτός είναι ένας από τους πρωταρχικούς τύπους κεφαλών τυμπάνων. Οι μεμβράνες Remo's Falam Slam είναι φτιαγμένες από κέβλαρ και χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση των κεφαλών ντραμς, όπου χτυπάει το beater.[28]
Το κέβλαρ χρησιμοποιείται σταξύλινα πνευστά καλάμια της Fibracell. Το υλικό αυτών των καλάμων είναι ένα σύνθετο υλικό αεροδιαστημικής που έχει σχεδιαστεί για να αναπαράγει τον τρόπο κατασκευής της φύσης από καλάμια. Οι πολύ σκληρές αλλά ηχοαπορροφητικές ίνες κέβλαρ αιωρούνται σε ελαφριά σύνθεση ρητίνης.[29]
Το κέβλαρ χρησιμοποιείται μερικές φορές σε δομικά εξαρτήματα αυτοκινήτων, ειδικά σε αυτοκίνητα υψηλής απόδοσης όπως ηFerrari F40[30]
Η τεμαχισμένη ίνα έχει χρησιμοποιηθεί ως αντικατάσταση του αμιάντου σετακάκια φρένων.[31] Πράγματι, οι αραμίδες απελευθερώνουν χαμηλότερο επίπεδο αερομεταφερόμενων ινών από τα φρένααμιάντου. Οι ίνες αμιάντου είναι γνωστές για τις καρκινογόνες ιδιότητές τους.[32]
Τα στηρίγματα Wicks για φωτιά είναι κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά από κέβλαρ. Το κέβλαρ από μόνο του δεν απορροφά πολύ καλά τα καύσιμα, οπότε αναμιγνύεται με άλλα υλικά όπωςυαλοβάμβακα ήβαμβάκι. Η υψηλή αντοχή του κέβλαρ στη θερμότητα επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση των φυτιλιών.
Το κέβλαρ χρησιμοποιείται μερικές φορές ως υποκατάστατο τουTeflon σε ορισμένα αντικολλητικά τηγάνια.[33]
Η ίνα χρησιμοποιείται σε σχοινιά και καλώδια, όπου οι ίνες διατηρούνται παράλληλα μέσα σε ένα χιτώνιοπολυαιθυλενίου. Τα καλώδια έχουν χρησιμοποιηθεί σε γέφυρες ανάρτησης όπως η γέφυρα στο Aberfeldy τηςΣκωτίας. Έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για τη σταθεροποίηση πυρόλυσης πύργων ψύξης σκυροδέματος με περιφερειακή εφαρμογή ακολουθούμενη από τάνυση για το κλείσιμο των ρωγμών. Το κέβλαρ χρησιμοποιείται ευρέως ως προστατευτικό εξωτερικό περίβλημα για καλώδιο οπτικών ινών, καθώς η αντοχή του προστατεύει το καλώδιο από ζημιές και συστροφή. Οταν χρησιμοποιείται σε αυτήν την εφαρμογή, είναι κοινώς γνωστό με το εμπορικό σήμα Parafil.[34]
Το κέβλαρ χρησιμοποιήθηκε από επιστήμονες στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας ως βασικό κλωστοϋφαντουργικό προϊόν για ένα πείραμα σε ρούχα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό έγινε με την ύφανση νανοσωλήνωνοξειδίου του ψευδαργύρου στο ύφασμα. Εάν επιτύχει, το νέο ύφασμα θα παράγει περίπου 80 milliwatts ανά τετραγωνικό μέτρο.[35]
Μια συρόμενη στέγη πάνω από 60.000 τετραγωνικά πόδια (5.575 τετραγωνικά μέτρα) από κέβλαρ ήταν ένα βασικό μέρος του σχεδιασμού τουΟλυμπιακού σταδίου του Μόντρεαλ για τουςΘερινούς Ολυμπιακούς Αγώνες του 1976. Ηταν θεαματικά ανεπιτυχές, καθώς ολοκληρώθηκε 10 χρόνια αργότερα από το αναμενόμενο και αντικαταστάθηκε μόλις 10 χρόνια μετά την κατασκευή της τον Μάιο του 1998 μετά από μια σειρά προβλημάτων.[36][37]
Το κέβλαρ μπορεί να βρεθεί ως ενισχυτικό στρώμα σε λαστιχένιους αρμούς διαστολής φυσητήρων και ελαστικούς σωλήνες, για χρήση σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας και λόγω της υψηλής αντοχής του. Βρίσκεται επίσης ως πλεξούδα που χρησιμοποιείται στο εξωτερικό των συγκροτημάτων εύκαμπτου σωλήνα, για να προσθέσει προστασία έναντι αιχμηρών αντικειμένων.[38][39][40]
Ενα λεπτό παράθυρο κέβλαρ χρησιμοποιήθηκε από το πείραμα NA48 στοCERN για τον διαχωρισμό ενός δοχείου κενού από ένα δοχείο σε σχεδόν ατμοσφαιρική πίεση, και τα δύο με διάμετρο 192 cm. Το παράθυρο παρέχει στεγανότητα σε συνθήλες κενού σε συνδυασμό με αρκετά μικρή ποσότητα υλικού (μόνο 0.3% έως 0.4% του μήκους ακτινοβολίας).
Οι συσκευές Motorola RAZR, το Motorola Droid Maxx, το OnePlus 2 και το Pocophone F1 διαθέτουν πίσω πλάκα από κέβλαρ, επιλεγμένα από άλλα υλικά όπως οι ίνες άνθρακα λόγω της ανθεκτικότητάς τους και της έλλειψης παρεμβολών στη μετάδοση σήματος.[41]
Τα συνθετικά υλικά από μήτρα κέβλαρ πολυμερούς ίνας/εποξικής ρητίνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ανεμογεννήτριες θαλάσσιου ρεύματος (MCT) ή ανεμογεννήτριες λόγω της υψηλής ειδικής τους αντοχής και του μικρού βάρους σε σύγκριση με άλλες ίνες.[42]
Οι ίνες Aramid χρησιμοποιούνται ευρέως για την ενίσχυση σύνθετων υλικών, συχνά σε συνδυασμό με ανθρακονήματα και ίνες υάλου. Η μήτρα για συνθετικά υλικά υψηλής απόδοσης είναι συνήθωςεποξική ρητίνη. Οι τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν μοθέσια αμαξώματα γιααγωνιστικά αυτοκίνητα F1, πτερύγιαελικοπτέρου, τένις,πινγκ-πονγκ,ρακέτεςμπάντμιντον καισκουός, καγιάκ, ρόπαλακρίκετκαι χόκεϊ επί τόπου,χόκεϊ επί πάγου καιλακρός.[43][44][45][46]
Το κέβλαρ 149, η ισχυρότερη ίνα και με την πιο κρυσταλλική δομή, είναι μια εναλλακτική λύση για ορισμένα μέρη της κατασκευής αεροσκαφών.[47] Μια εφαρμογή είναι στο μπροστινό άκρο του πτερυγίου, το κέβλαρ σε σύγκριση με τον άνθρακα ή τις ίνες υάλου είναι λιγότερο επιρρεπές σε θραύση κατά τις συγκρούσεις με πουλιά.
