Ο σύγχρονος κόσμος φέρνει μαζί του προκλήσεις που η φύση ποτέ δεν προέβλεψε. Η συνεχής εξέλιξη αύξησε φυσικά τη ζήτηση για την παραγωγή ισχυρών και ανθεκτικών συνθετικών υλικών. Ένα από τα υλικά αυτά είναι και το kevlar – μια επαναστατική συνθετική ίνα, η οποία διευρύνει τα όρια του δυνατού ήδη από το 1968. Τι είναι το kevlar, ποιες ιδιότητες έχει, πού χρησιμοποιείται και γιατί κατέχει τόσο σημαντική θέση στη ζωή του ανθρώπου, θα μάθετε στο άρθρο.
Τι είναι το kevlar και ποιες ιδιότητες έχει;
Το kevlar είναι ένα εξαιρετικά πολυμορφικό και ανθεκτικό είδος συνθετικού υλικού με πολλές ενδιαφέρουσες ιδιότητες και ευρεία εφαρμογή στην πράξη. Ανήκει στις παρα-αραμιδικές ίνες και χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό με χαμηλό ειδικό βάρος, συγκρίσιμο πλέον μόνο με τις ίνες άνθρακα. Χαρακτηρίζεται από εξαιρετική θερμική αντίσταση και εξαιρετική δυσκαμψία, γεγονός που από μόνο του το προορίζει για ευρεία γκάμα εφαρμογών στην πράξη.
Χάρη στους πολύ ισχυρούς δεσμούς και την παράλληλη διάταξη των μορίων του, τα οποία είναι διασυνδεδεμένα μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου, το kevlar είναι αντισφαιρικό και προσφέρει ισχυρό προστατευτικό φράγμα έναντι τριβής, διάτρησης και κοπής. Οι ίνες kevlar είναι πυράντοχες και προστατεύουν από θερμικούς κινδύνους. Το kevlar είναι ανθεκτικό στη διάβρωση, μη αγώγιμο και ανθεκτικό στα περισσότερα χημικά εκτός από πολύ ισχυρά οξέα και βάσεις. Είναι επίσης εξαιρετικά ελαφρύ και πέντε φορές ανθεκτικότερο από τον χάλυβα. Ωστόσο, αντιστέκεται δύσκολα στην υπεριώδη ακτινοβολία και στην υγρασία.
Ο μοριακός του τύπος είναι [-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n.
Η σχετική πυκνότητα είναι 1,44 g/cm3, η αντοχή εφελκυσμού των ινών φτάνει τα 20-21 cN/dtex (μέτρο αντοχής 3,6-4,1 GPa), στους 160 °C η αντοχή μειώνεται κατά 10 %, στους 450 °C εξαχνώνεται.
Η εφεύρεση που άλλαξε τον κόσμο
Θα μπορούσε κανείς να πει ότι αυτό το επαναστατικό υλικό δημιουργήθηκε λίγο και χάρη στην τύχη. Εφευρέτρια αυτής της μοναδικής ίνας είναι η αμερικανίδα επιστήμων Stephanie Kwolek. Εργάστηκε ως χημικός στην εταιρεία DuPont - μία από τις μεγαλύτερες εταιρείες στον τομέα επεξεργασίας πολυμερών, η οποία λίγο πριν τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο έγινε γνωστή για την πατέντα του νάιλον.
Το 1964 η Stephanie ξεκίνησε να εργάζεται για τη βελτίωση της παραγωγής πολυμερικών ουσιών με ραβδοειδή δομή με στόχο την αντικατάσταση των σχετικά βαρέων χαλύβδινων ενισχύσεων στα ελαστικά αυτοκινήτων με ένα πιο κατάλληλο και ελαφρύτερο πολυμερές. Μετά από μακρά έρευνα δημιούργησε μια ασυνήθιστη για την εποχή εκείνη λύση με τη μορφή των πρώτων αραμιδικών ινών, τις οποίες κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1968. Η ίδια η ίνα υπό το εμπορικό σήμα kevlar κυκλοφόρησε στην αγορά από την εταιρεία DuPont το 1971.
Από την ανακάλυψή του το kevlar έχει εξελιχθεί και από το 1988 είναι διαθέσιμη ήδη η δεύτερη γενιά του. Η αρχική ομάδα προϊόντων φέρει τις ονομασίες K29 και K49. Το kevlar είναι σήμερα διαθέσιμο σε αρκετές εκδόσεις:
- K29 – πολυχρηστικό νήμα
- K49 – τύπος νήματος υψηλού μέτρου
- K100 – kevlar βαμμένο από τον κατασκευαστή
- K119 – νήματα kevlar με μεγαλύτερη εκτατότητα και ευλυγισία
- K129 – ελαφρύς, υψηλής απόδοσης τύπος νημάτων
- Kevlar AP - ίνα νέας γενιάς, η οποία προσφέρει προηγμένη απόδοση, αξία και αυξημένη ευελιξία σχεδιασμού σε πολλές εφαρμογές
- Kevlar KM2 - ύφασμα, το οποίο πληροί τις απαιτήσεις απόδοσης για κράνη και γιλέκα για στρατιωτικές δυνάμεις
Ο κέβλαρ διατηρεί τις ιδιότητές του ακόμη και μετά από επαναλαμβανόμενη καταπόνηση. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην εσωτερική του δομή (στο πώς είναι φυσικά διατεταγμένα τα μόριά του σε τακτικές και παράλληλες γραμμές) και εν μέρει στον τρόπο με τον οποίο κατασκευάζονται οι ίνες από αυτόν.
Τρόπος παραγωγής
Η ίνα κέβλαρ παράγεται με κλώση τήγματος παραφαινυλενοδιαμίνης και χλωριούχου τερεφθαλοϋλίου (PPD-T), το οποίο με σταθερή ταχύτητα και υπό υψηλή πίεση διέρχεται μέσα από ακροφύσιο κλώσης, όπου στη συνέχεια στερεοποιείται σε μορφή ίνας μέσα σε ρεύμα ψυχρού αέρα. Η διάταξη κλώσης στη συνέχεια συστρέφει τις επιμέρους ίνες σε συνεχές νήμα. Αυτό τυλίγεται σε πηνία και στη συνέχεια επεξεργάζεται περαιτέρω για χρήση στην πράξη.
Ο κέβλαρ παράγεται σε διάφορες παραλλαγές και διατίθεται με τη μορφή ίνας, κοπτερής ίνας (staple fiber), νιφάδων ή υφάσματος.
Οι πιο συχνές χρήσεις του κέβλαρ
Οι μοναδικές ιδιότητες του κέβλαρ επιτρέπουν την εφαρμογή του σε αμέτρητους τομείς και θα μπορούσε επίσης να ειπωθεί ότι νέες εφαρμογές χρήσης του εμφανίζονται σχεδόν καθημερινά.
Η εξαιρετική αντοχή και η θερμική ανθεκτικότητα τον προορίζουν, για παράδειγμα, για χρήση στην αυτοκινητοβιομηχανία, στη ναυτιλιακή και στην αεροναυπηγική βιομηχανία, κυρίως στην κατασκευή αμαξωμάτων αυτοκινήτων, αεροναυτικών εξαρτημάτων, επενδύσεων φρένων, γάστρας πλοίων ή αγωνιστικών ελαστικών.
Ο κέβλαρ βρίσκει εφαρμογή και στη βιομηχανία εξόρυξης, χρησιμοποιείται για την κατασκευή ταινιών μεταφοράς μεταλλεύματος, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά την απόδοση και την οικονομική αποδοτικότητα.
Αυτό το υλικό το γνωρίζουν και οι αθλητές, καθώς είναι μέρος πολυάριθμου αθλητικού εξοπλισμού (ρακέτες τένις, προστατευτικά, μπαστούνια χόκεϊ, σκι, δίχτυα, μπότες πεζοπορίας κ.ά.).
Σε μια συζήτηση για τον κέβλαρ δεν μπορούν σε καμία περίπτωση να παραλειφθούν και οι μοτοσικλετιστές, καθώς και αυτούς τους συνοδεύει ο κέβλαρ στους δρόμους, αυτή τη φορά με τη μορφή υφάσματος κέβλαρ. Το πιο αγαπημένο τους στοιχείο είναι τα τζιν κέβλαρ, οι φόρμες κέβλαρ, τα γάντια ή τα κράνη. Το πλεονέκτημα των παντελονιών κέβλαρ φαίνεται κυρίως σε περίπτωση πτώσης και επακόλουθης ολίσθησης, όπου οι επιφάνειες επαφής θερμαίνονται και πάνω από 200 βαθμούς. Σε μια τέτοια κατάσταση, ο ανθεκτικός και δυνατός κέβλαρ αποτελεί καθαρή ευλογία.
Το ύφασμα κέβλαρ εφαρμόζεται επίσης σε μεγάλη κλίμακα στην κατασκευή προστατευτικού εξοπλισμού και ενδυμάτων. Τυπικό παράδειγμα αποτελούν οι στολές εργασίας και πυροσβεστών, οι αστυνομικές στολές ή ο πλήρης στρατιωτικός εξοπλισμός. Από αυτό το υλικό, με ικανότητα να αντέχει και σε πιο απαιτητικές συνθήκες, κατασκευάζονται σήμερα πλέον συνήθως πυράντοχα υποδήματα, γάντια κέβλαρ, προστατευτικές μάσκες προσώπου, γιλέκα, κράνη, προστατευτικά ή ολόκληρες φόρμες. Είναι επίσης ενδιαφέρον ότι τα γάντια από κέβλαρ έχουν, σε σύγκριση με τα δερμάτινα, έως και 5 φορές μεγαλύτερη αντοχή σε κοπή.
Αλεξίσφαιρο γιλέκο από κέβλαρ
Αναμφισβήτητα η πιο σημαντική και πιο χρήσιμη εφαρμογή του κέβλαρ πραγματοποιήθηκε στην κατασκευή του γιλέκου κέβλαρ. Ο κέβλαρ είναι πράγματι ένα από τα λίγα υλικά που κυριολεκτικά σώζουν ανθρώπινες ζωές, και όχι λίγα μέλη του στρατού, του προσωπικού ασφαλείας ή της αστυνομίας έχουν ήδη πειστεί γι' αυτό στην πράξη.
Η σημερινή γενιά σύγχρονων αλεξίσφαιρων γιλέκων κέβλαρ μπορεί πλέον να προσφέρει στους χρήστες τους, εκτός από προστασία από βλήματα υψηλής ταχύτητας, και σχετικά υψηλή άνεση φοράς.
Η αρχή της αντισφαιρικής προστασίας του γιλέκου λειτουργίζει απλοποιημένα ως εξής:
Το γιλέκο είναι ραμμένο από αρκετά στρώματα kevlar, τα οποία είναι σταθερά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Οι ίνες kevlar απορροφούν την κινητική ενέργεια των βλημάτων, γεγονός που μειώνει την ικανότητα του βλήματος να διαπεράσει το σώμα. Χωρίς επαρκή διεισδυτική δύναμη, οι σφαίρες γίνονται στη συνέχεια αβλαβείς.
Τη στιγμή που μια σφαίρα ή οποιοδήποτε άλλο βλήμα υψηλής ταχύτητας χτυπήσει το kevlar, οι ίνες κρατούν κυριολεκτικά το βλήμα, διασκορπίζοντας την κινητική του ενέργεια, την οποία στη συνέχεια απορροφούν μέσα τους. Έτσι, η σφαίρα βρίσκεται μέσα σε έναν ιστό από ανθεκτικές ίνες, ο ρόλος των οποίων είναι να απορροφήσουν και να διασκορπίσουν την ενέργεια της πρόσκρουσης. Την επιπλέον ενέργεια απορροφά κάθε επόμενο στρώμα υλικού στο γιλέκο, μέχρι η σφαίρα να σταματήσει εντελώς. Αυτή τη διαδικασία διευκολύνει επίσης η σχετικά μεγάλη επιφάνεια του ρούχου, η οποία έχει αποδειχθεί αποτελεσματική στην εξάλειψη του λεγόμενου αμβλέος τραύματος (βλάβη στα εσωτερικά όργανα από τη δύναμη της πρόσκρουσης, όχι από τη διείσδυση της σφαίρας).
Και τι να προσθέσουμε τελικά; Οι τρόποι χρήσης αυτής της σχεδόν θαυματουργής εφεύρεσης φαίνονται ατελείωτοι και εμείς περιμένουμε ανυπόμονα να δούμε τι άλλο θα μας φέρει αυτή η ανακάλυψη.
