Kevlar je obchodní značka para-aramidového vlákna, které je příbuzné dalším aramidům, jako jsou Nomex a Technora. Jedná se o pevné, tepelně odolné syntetické vlákno, které objevila chemička Stephanie Kwoleková u firmy DuPont v roce 1965. Tento vysoce pevný materiál byl poprvé komerčně využit na počátku 70. let 20. století jako náhrada oceli v závodních pneumatikách. Obvykle se z něj spřádají lana nebo textilní výrobky, které lze použít samostatně nebo jako složku kompozitních materiálů.
Kevlar má díky svému vysokému poměru pevnosti v tahu k hmotnosti široké uplatnění, od jízdních kol a závodních plachet až po neprůstřelné vesty, podle tohoto měřítka je pětkrát pevnější než ocel. Používá se také k výrobě moderních blán pro pochodové bubny, které odolávají silným nárazům, a pro kotevní lana a další vodní aplikace.
Historie Poly-parafenylen-tereftalamid známý pod obchodním názvem Kevlar vynalezla americká chemička Stephanie Kwolek během svého působení ve společnosti DuPont. V roce 1964 se její tým začal zabývat hledáním nového lehkého a pevného vlákna, které by bylo možné použít pro výrobu lehkých, ale pevných pneumatik. Polymery, se kterými pracovala ( poly-p-fenylen-tereftalát a polybenzamid) tvořily v roztoku tekuté krystaly.
Roztok byl na rozdíl od ostatních tehdejších polymerů „zakalený, při míchání opalescentní a měl nízkou viskozitu“ a obvykle se považoval za odpad a vyhazoval se. Kwolek ale přesvědčila technika, který obsluhoval zvlákňovací trysku, aby její roztok otestoval, a s údivem zjistila, že vlákno se na rozdíl od nylonu neláme. Její nadřízený i ředitel laboratoře rychle pochopili význam takového objevu a brzy vznikl nový obor makromolekulární chemie. Po dalších zdokonaleních byl Kevlar v roce 1971 uveden na trh a od té doby našel uplatnění ve více než 200 aplikací.
Vlastnosti náhled|Struktura kevlaru Molekulární vzorec kevlaru je [-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n.
Relativní hustota je 1,44 g/cm3, tažná pevnost vláken dosahuje 20-21 cN/dtex (modul pevnosti 3,6-4,1 GPa), při 160 °C se snižuje pevnost o 10 %, při 450 °C kevlar sublimuje.
Tažnost obnáší 2,8–4,0 %. Absorpce rázové energie (způsobené např. střelou), je 4× vyšší než u běžných polyamidů.
Nevýhody: Kevlar je nevhodný pro vlhké prostředí a ke stlačování. Je citlivý na UV záření, ultrafialová složka slunečního záření Kevlar degraduje a rozkládá (UV degradace), proto se venku bez ochrany před slunečním zářením používá jen zřídka. Kevlar je velmi tuhý, takže ke stříhání jsou nutné speciální nůžky.
Polymer vděčí za svou vysokou pevnost četným meziřetězcovým vazbám. Mezi karbonylovými skupinami a NH-centry se tvoří intermolekulární vodíkové vazby. Další pevnost je dána interakcemi aromatických částí sousedních vláken. U Kevlaru mají tyto interakce větší vliv než van der Waalsovy síly a délka řetězce, které obvykle ovlivňují vlastnosti jiných syntetických polymerů a vláken, jako je například polyethylen s velmi vysokou molekulovou hmotností. Přítomnost solí a některých dalších nečistot, zejména vápníku, by mohla narušovat interakce mezi řetězci, a proto se při výrobě dbá na to, aby se tyto látky do produktu nedostaly. Struktura kevlaru se skládá z relativně tuhých molekul, které mají tendenci tvořit převážně rovinné, listovité struktury, podobně jako hedvábný protein.Michael C. Petty, Molecular electronics: from principles to practice, John Wiley & Sons, 2007, p. 310
Tepelné vlastnosti Kevlar si zachovává svou pevnost a odolnost až do kryogenních teplot (−196 °C), ve skutečnosti je při nízkých teplotách dokonce o něco pevnější. Při vyšších teplotách se pevnost v tahu okamžitě sníží přibližně o 10–20 % a po několika hodinách se pevnost postupně dále snižuje. Například při vystavení teplotě 160 °C po dobu 500 hodin se jeho pevnost sníží přibližně o 10 % a při vystavení teplotě 260 °C po dobu 70 hodin se jeho pevnost sníží přibližně o 50 %.
Druhy vláken a jejich použití Kevlar K29 se používá v průmyslových aplikacích, jako jsou kabely, náhrada azbestu, pneumatiky a brzdové obložení. Kevlar K49 je velmi pružný a používá se v kabelech a lanech. Vedle základních typů K29 a K49 se udávají například druhy K100 – Kevlar barvený ve hmotě K119 – vlákno s vyšší tažností, pružností a odolností proti únavě K129 – vlákno s vyšší pevností v tahu k balistickým účelům K149 – vlákno s nejvyšší pevností v tahu pro balistické, pancéřové a letecké aplikace AP – o 15% vyšší pevnost v tahu než Kevlar 29 KM2 – vlákno se zvýšenou balistickou odolností pro použití v pancéřování XP – kombinace lehčí pryskyřice a vlákna KM2
Výroba náhled|Reakce 1,4-fenylendiaminu (para-fenylendiaminu) s tereftaloyl chloridem, při níž vzniká kevlar Kevlar se syntetizuje v roztoku z monomerů 1,4-fenylendiaminu (parafenylendiaminu) a tereftaloyl chloridu v kondenzační reakci, při níž vzniká jako vedlejší produkt kyselina chlorovodíková. Výsledná látka vykazuje vlastnosti tekutých krystalů a polymerní řetězce se mechanickým tažením orientují ve směru vlákna. Jako rozpouštědlo pro polymerizaci se původně používal hexamethylfosforamid (HMPA), ale společnost DuPont jej z bezpečnostních důvodů nahradila roztokem N-methylpyrrolidonu a chloridu vápenatého. Výsledná kapalina se protlačuje tryskou a prochází vzduchovou štěrbinou do srážecí lázně. Ve druhém stupni výroby se vláknina dlouží při teplotách 300-400 °C.náhled|Sekaná (chopped) kevlarová vlákna
Výroba kevlaru je nákladná kvůli nutnosti používat koncentrovanou kyselinu sírovou, která je nezbytná pro udržení ve vodě nerozpustného polymeru v roztoku během syntézy a zvlákňování.
Vlákna se prodávají jako Filament v jemnostech 22–167 tex ve formě příze nebo rovingu Stříž v jemnosti 1,7 dtex v délkách 38–50 mm Sekaná vlákna (chopped) v délkách 1–100 mm
Zpracování vláken
Textilie z kevlaru a jejich použití Staplové příze se vyrábí bavlnářským způsobem předení v jemnostech 25–1000 tex
Použití: šicí nitě, pleteniny na spodní prádlo, filtrace horkých plynů Šňůry a lana s použitím zejména při vysokých teplotách, vynikající pevnosti (více než 100 kN) dosahují kevlarová lana stáčená na tzv. planetárních nebo tubulárních pramenicích.
Tkaniny se vyrábějí v plátnové, keprové nebo atlasové vazbě, často jako směsové (hybridní) s osnovou z uhlíkových rovingů a útkem z kevlarových filamentů.
Použití: výztuž kompozitů a lamináty (ohnivzdorné oděvy, výztuže pneumatik, čluny, filtry atd.) Pleteniny s použitím na rukavice k ochraně proti pořezání a proti ohni, výztuže kalhot pro motocyklistyKalhoty pro motocyklisty s pletenou kevlarovou výztuží: http://www.eshop-moto.cz/detail/moto-obleceni/draggin-jeans-next-gen-kevlarove-jeansy/ apod. Netkané textilie s použitím nejčastěji jako výztuže kompozitů
Příklady maloobchodních cen kevlarových textilií Ceny platné v USA v roce 2012Ceny kevlarových textilií v USA (2012): http://composite.about.com/gi/dynamic/offsite.htm?site=http://www.fibreglast.com/table.htm:
Tkanina v keprové vazbě (cca 200 g/m2) = 33 € / m2 Směsová (hybridní) tkanina karbon/kevlar = 37 € / m2 Splétaná kevlarová hadice (ø 5 cm) = 18 € / m Netkaná rouška (pavučinka) na lamináty (cca 10 g / m2) = 13 € / m2
Využití
Věda Kevlar se často používá v oblasti kryogeniky díky své nízké tepelné vodivosti a vysoké pevnosti ve srovnání s jinými materiály. Nejčastěji se používá k zavěšení obalu s paramagnetickou solí na trn supravodivého magnetu, aby se minimalizovaly jakékoli úniky tepla do paramagnetického materiálu. Používá se také jako tepelná izolace nebo konstrukční podpora tam, kde je nežádoucí únik tepla.náhled|Kevlarová helma zraněného orlandského policisty po zásahu v nočním klubu Pulse, 2016.
Ochranné prostředky Kevlar je součástí vojenských osobních ochranných prostředků, jako jsou bojové přilby, neprůstřelné obličejové masky a vesty a protistřepinové vložky. Kevlarové výztuže používají letadlové lodě třídy Nimitz. Mezi civilní aplikace patří uniformy s vysokou tepelnou odolností, které nosí hasiči, a ochranné vesty pro policisty, bezpečnostní služby a policejní taktické jednotky.
Používá se v rukavicích, rukávech, bundách a dalších oděvních doplňcích určených k ochraně před řeznými ranami, oděrkami a teplem. Ochranné vybavení na bázi kevlaru je často podstatně lehčí a tenčí než srovnatelná výbava vyrobená z tradičních materiálů.
Sport náhled|Kevlar je oblíbený materiál pro závodní kánoe. V japonské lukostřelbě se Kevlar může používat na tětivy jako alternativa k dražšímu konopí. Je to jeden z hlavních materiálů používaných na závěsná lana při paraglidingu. Ve stolním tenise se vrstvy kevlaru přidávají do na míru vyráběných vrstvených pálek, aby se zvýšil odskok a snížila hmotnost. Některé tenisové rakety mají kevlarový výplet. Používá se také na výrobu plachet pro vysoce výkonné závodní lodě a jako vnitřní výstelka některých cyklistických plášťů, aby se zabránilo jejich propíchnutí.
Díky technologickému pokroku použila v roce 2013 společnost Nike poprvé kevlar při výrobě obuvi. Uvedla na trh řadu Elite II, která vylepšila předchozí verzi basketbalových bot použitím kevlaru v přední části boty i v tkaničkách. Cílem bylo snížit pružnost špičky boty oproti běžně používanému nylonu, protože kevlar se roztahoval přibližně o 1 % a nylon asi o 30 %. Do této řady patřily modely LeBron, HyperDunk a Zoom Kobe VII., které však byly uvedeny na trh ve výrazně vyšší cenové kategorii než je průměrná cena basketbalových bot. Kevlar použila tké firma Adidas ve tkaničkách kopaček F50 adiZero Prime.
Hudba Kevlar má užitečné akustické vlastnosti pro membrány reproduktorů, konkrétně pro basové a středové měniče. Používá se také jako výztužný prvek v optických vláknech, jako jsou například kabely používané pro přenos zvukových dat.
Kevlar lze použít jako akustické jádro ve smyčcích pro strunné nástroje. Fyzikální vlastnosti Kevlaru poskytují uživateli smyčce pevnost, pružnost a stabilitu. Jediným výrobcem tohoto typu smyčců je společnost CodaBow. Kevlar se používá také jako materiál pro spojení struníku s koncovkou smyčcových nástrojů.
Kevlar se také využívá jako materiál na výrobu blán pro pochodové bubny. Umožňuje extrémně vysoké napětí, což vede k čistšímu zvuku. Na Kevlar se obvykle nanáší pryskyřice, aby byla blána vzduchotěsná, a nylonová vrchní vrstva zajišťuje rovný úderový povrch. K vyztužení blán basového bubnu v místě, kde na ně dopadá palička, se používá náplast Falam Slam od firmy Remo, která je také vyrobena z Kevlaru.
Kevlar se používá v plátcích pro dřevěné dechové nástroje značky Fibracell. Materiál těchto plátků je kompozit z materiálů používaných v leteckém průmyslu, navržený tak, aby napodobil způsob, jakým příroda vytváří rákosové plátky. Velmi tuhá, ale zvuk pohlcující kevlarová vlákna jsou suspendována v lehké pryskyřičné směsi.
Motorová vozidla Kevlar se někdy používá v konstrukčních prvcích automobilů, zejména u luxusních sportovních vozů, jako je například Ferrari F40.
Nasekaná vlákna se používají jako náhrada azbestu v brzdových destičkách. Aramidy, jako je Kevlar, uvolňují do ovzduší méně vláken než azbestové brzdy a nemají karcinogenní vlastnosti jako azbest.
Další využití Knoty pro rekvizity k ohňovému tanci jsou vyrobeny z kompozitních materiálů obsahujících Kevlar. Kevlar sám o sobě neabsorbuje palivo příliš dobře, proto se mísí s jinými materiály, jako je sklolaminát nebo bavlna. Díky vysoké tepelné odolnosti Kevlaru lze knoty používat opakovaně.náhled|Kotevní lano z kevlarové přízeKevlar se někdy používá jako náhrada za teflon v nepřilnavých pánvích.M.Rubinstein, R.H.Colby, Polymer Physics, Oxford University Press, s.337F