Kevlar in njegova uporaba

Sodobni svet prinaša izzive, kakršnih narava ni predvidela. Nenehen razvoj je po naravni poti povečal povpraševanje po izdelavi močnih in trpežnih sintetičnih materialov. Eden od takšnih materialov je tudi kevlar - revolucionarno sintetično vlakno, ki premika meje mogočega že od leta 1968. Kaj je kevlar, kakšne so njegove lastnosti, kje se uporablja in zakaj ima v življenju človeka tako pomembno mesto, boste izvedeli v tem članu.

Kaj je kevlar in kakšne so njegove lastnosti?

Kevlar je izredno vsestranska in trpežna vrsta sintetičnega materiala z veliko zanimivih lastnosti in široko uporabnostjo v praksi. Spada med para-aramidna vlakna, ki se odlikujejo z visoko natezno trdnostjo pri nizki specifični teži, ki se lahko primerja samo še z ogljikovimi vlakni. Zanj je značilna izvrstna toplotna odpornost in odlična togost, zaradi česar je izredno uporaben.

Zaradi trdnih vezi in paralelne poravnave svojih molekul, ki so med seboj premrežene z vodikovimi vezmi, je kevlar neprebojen in ponuja močno zaščitno pregrado proti udarcem, vbodninam in urezom. Vlak kevlarja so ognjeodporne in ščitijo pred toplotnimi nevarnostmi. Kevlar je odporen proti koroziji, neprevoden in odporen proti večini kemikalij razen proti zelo močnim kislinam in bazam. Prav tako pa je ultra lahek in petkrat trdnejši kot jeklo. Je pa slabše odporen proti ultravijoličnim sevanju in vlagi.

Njegova molekulska formula je [-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n. 

Relativna gostota je 1,44 g/cm3, natezna trdnost vlaken dosega 20-21 cN/dtex (modul trdnosti 3,6-4,1 GPa), pri 160 °C se trdnost zmanjša za 10 %, pri 450 °C sublimira.

Iznajdba, ki je spremenila svet

Lahko bi rekli, da je ta revolucionarni material nastal tudi zahvaljujoč naključju. Izumiteljica tega unikatnega vlakna je ameriška znanstvenica Stephanie Kwolek.  Kot kemičarka je delala v podjetju DuPont - eni največjih podjetij na področju obdelave polimerov, ki je tik pred drugo svetovno vojno zaslovela s patentom za najlon.

Leta 1964 je Stephanie začela delati na izboljšavi proizvodnje polimernih snovi s palično strukturo, katerih namen je bila zamenjava relativno težkih jeklenih ojačitvenih elementov v avtomobilskih pnevmatikah s primernejšim in lažjim polimerom. Po daljšem raziskovanju je ustvarila za tisti čas neobičajno rešitev v podobo prvih armidnih vlaken, ki jih je dala leta 1968 patentirati. Vlakno pod blagovno znamko kevlar je na trg uvedla podjetje DuPont leta 1971. 

Kevlar se je od svojega odkritja razvijal in od leta 1988 je na voljo že druga generacija.  Prvotna skupina predmetov ima oznako K29 in K49. Kevlar je dandanes na voljo v nekaj različicah:

• K29 – večnamenska preja
• K49 – izredno modularen tip preje
• K100 – obarvan kevlar 
• K119 – kevlarova preja z višjim raztezkom in fleksibilnostjo
• K129 – lahek, visokozmogljiv tip preje 
• Kevlar AP – vlakna nove generacije, ki ponuja odlično učinkovitost, vrednost in višjo fleksibilnost dizajna za veliko uporab
• Kevlar KM2 – tkanina, ki izpolnjuje zmogljivostne zahteve za čelade in jopiče za vojaške enote

Svoje lastnosti kevlar ohrani tudi po ponavljajočih se obremenitvah. Deloma to lahko pripišemo njegovi notranji strukturi (molekule so naravno razporejene v pravilnih in vzporednih linijah) in deloma načinu, s katerim se iz njega izdelujejo vlakna.

Načini izdelave

Kevlarska vlakna so izdelana z izpredanjem taljenega parafenilendiamina in tetraftaloila klorida(PPD-T), ki s stalno hitrostjo in pod visokim pritiskom prehajata čez izpredalno šobo, kjer se potem strdi v obliko vlakna zaradi toka hladnega zraka. Naprava za izpredanje potem sprede posamezna vlakna v celovito prejo. Potem jo navijejo na tuljave za nadaljnjo uporabo.

Kevlar je na voljo v nekaj različicah; vlakna, rezane niti, kosmiči ali pa tkanina.

Najpogostejša uporaba kevlarja

Edinstvene lastnosti kevlarja omogočajo njegovo uporabo na neštetih področjih in lahko bi rekli, da se novi načini uporabe pojavljajo skoraj vsak dan.

Zaradi ekstremne trdnosti in toplotne odpornosti ga uporabljajo v avtomobilski, morski in letalski industriji, predvsem pri izdelavi avtomobilskih karoserij, letalskih sestavnih delov, zavornih oblog, trupov ladij ali pa dirkalnih pnevmatik.

Kevlar se uporablja tudi v rudarski industriji. Uporablja se za izdelavo transportnih trakov za prenos rude, kar bistveno povečuje delovno in stroškovno učinkovitost.

Ta material poznajo tudi športniki, saj je del številke športne opreme (teniški loparji, ščitniki, hokej palica, smuči, mreže, kolesarske pnevmatike in podobno).

Pri debati o kevlarjih v nobenem primeru ne smemo pozabiti tudi motociklistov, ki jih kevlar na cestah spremlja v podobi kevlarske tkanine. Njihovi najbolj priljubljeni izdelki so kavbojke, kombinezoni, rokavice in čelade iz kevlarja. Prednost kevlarskih hlač se pokaže predvsem pri padcu in dresnju, ko se kontaktni površini segrejeta na več kot 200 stopinj. V takšnih situacijah je odporen in trpežen kevlar pravi blagoslov.

Kevlarsko tkanino v veliki meri uporabljajo tudi pri izdelavi zaščitnih pripomočkov in oblačil. Tipični primer so delovne in gasilske uniforme, policijske uniforme ali pa celotna vojaška oprema. Iz tega materiala, ki je sposoben prenesti tudi najzahtevnejše razmere, se danes izdelujejo ognjeodporni čevlji, rokavice iz kevlarja, zaščitne obrazne maske, jopiči, čelade, ščitniki in celi kombinezoni. Zanimivo je tudi, da imajo rokavice iz kevlarja v primerjavi z usnjenimi tudi do 5x večjo odpornost proti urezu.

Neprebojni jopič iz kevlarja

Enostavno najbolj znana in najkoristnejša uporaba kevlarja je jopič iz kevlarja. Kevlar je eden od redkih materialov, ki dobesedno rešujejo človeška življenja in veliko vojakov, varnostnikov ali pa policistov se je lahko prepričalo na lastni koži. 

Sodobna generacija modernih neprebojnih jopičev uporabnikom poleg zaščite proti visokohitrostnimi izstrelki ponuja tudi relativno visoko udobje pri nošenju.  

Princip neprebojnega jopiča poenostavljeno deluje tako: 

Jopič je narejen iz nekaj slojev kevlarja, ki so med seboj trdno povezani. Kevlarska vlakna absorbirajo kinetično energijo projektila, kar zmanjšuje možnost, da bi se prebil v telo.  Brez zadostne prebojne sile izstrelki postanejo neškodljivi.

V trenutku, ko krogla ali pa drug visokohitrostni projektil zadene ob kevlar, vlakna dobesedno zadržijo projektil, pri čemer razpršijo kinetično energijo, ki jo potem absorbirajo vase. Krogla se znajde v pajkovi mreži trdnih vlaken, katerih naloga je pogoltniti in razpršiti energijo udarca. Dodatno energijo abosrbira vsak naslednji slov materiala v jopiču, dokler se krogla ne ustavi. Ta proces lajša tudi razmeroma velika površina oblačil, kar se je izkazalo za uspešno pri eliminaciji tako imenovanih topih poškodb (poškodbe notranjih organov zaradi sile udarca, in ne zaradi krogle).

Kaj lahko povemo za zaključek? Načini uporabe te čudežne iznajdbe se zdijo neskončni in mi komaj čakamo, kaj vse nam bo ta iznajdba prinesla.