Kevlar- Kevlar
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| Namen | |
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IUPAC-Name
Poly(azandiyl-1,4-phenylenazandiylterephthaloyl)
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| Bezeichner | |
| ChemSpider | |
| Eigenschaften | |
| [-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n | |
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Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa). |
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 überprüfen ( was ist ?)
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| Infobox-Referenzen | |
Kevlar (Para-Aramid) ist eine hitzebeständige und starke Kunstfaser , die mit anderen Aramiden wie Nomex und Technora verwandt ist . 1965 von Stephanie Kwolek bei DuPont entwickelt , wurde der hochfeste Werkstoff Anfang der 1970er Jahre erstmals kommerziell als Ersatz für Stahl in Rennreifen eingesetzt. Es wird typischerweise zu Seilen oder Stoffbahnen gesponnen , die als solche oder als Bestandteil von Verbundmaterialkomponenten verwendet werden können.
Kevlar hat viele Anwendungen, die von Fahrradreifen und Rennsegel zu kugelsicheren Westen , die alle aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit zu Gewicht - Verhältnis ; dadurch ist es fünfmal stärker als Stahl. Es wird auch verwendet, um moderne Marschtrommeln herzustellen , die hohen Schlägen standhalten. Es wird auch für Festmacherleinen und andere Unterwasseranwendungen verwendet.
Eine ähnliche Faser namens Twaron mit der gleichen chemischen Struktur wurde in den 1970er Jahren von Akzo entwickelt ; Die kommerzielle Produktion begann 1986 und Twaron wird jetzt von Teijin hergestellt .
Geschichte
Poly-Paraphenylenterephthalamid (K29) – Marke Kevlar – wurde von der amerikanischen Chemikerin Stephanie Kwolek während ihrer Arbeit für DuPont in Erwartung einer Benzinknappheit erfunden . 1964 begann ihre Gruppe mit der Suche nach einer neuen leichten, starken Faser für leichte, aber starke Reifen. Die Polymere, mit denen sie zu dieser Zeit gearbeitet hatte, Poly-p-phenylen-terephthalat und Polybenzamid, bildeten in Lösung Flüssigkristalle , was zu dieser Zeit für diese Polymere einzigartig war.
Die Lösung war "trüb, beim Rühren opaleszierend und von niedriger Viskosität " und wurde normalerweise weggeworfen. Kwolek überredete jedoch den Techniker Charles Smullen, der die Spinndüse leitete, ihre Lösung zu testen, und stellte erstaunt fest, dass die Faser im Gegensatz zu Nylon nicht brach . Ihr Vorgesetzter und ihr Laborleiter verstanden die Bedeutung ihrer Entdeckung und schnell entstand ein neues Gebiet der Polymerchemie . 1971 wurde modernes Kevlar eingeführt. Kwolek war jedoch nicht sehr an der Entwicklung der Anwendungen von Kevlar beteiligt. Kevlar 149 wurde in den 1980er Jahren von Dr. Jacob Lahijani von Dupont erfunden .
Produktion
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Kevlar wird synthetisiert in Lösung aus der Monomeren 1,4- phenylen -di Amin ( para - Phenylendiamin ) und Terephthaloylchlorid in einer Kondensationsreaktion , wodurch man Salzsäure als Nebenprodukt. Das Ergebnis weist flüssigkristallines Verhalten auf und durch mechanisches Ziehen werden die Polymerketten in Faserrichtung orientiert. Hexamethylphosphoramid (HMPA) war das ursprünglich für die Polymerisation verwendete Lösungsmittel , das DuPont jedoch aus Sicherheitsgründen durch eine Lösung aus N -Methylpyrrolidon und Calciumchlorid ersetzte . Da dieses Verfahren von Akzo (siehe oben) bei der Herstellung von Twaron patentiert worden war , entbrannte ein Patentkrieg.
Die Herstellung von Kevlar ist teuer wegen der Schwierigkeiten, die sich aus der Verwendung von konzentrierter Schwefelsäure ergeben , die erforderlich ist, um das wasserunlösliche Polymer während seiner Synthese und des Spinnens in Lösung zu halten .
Es stehen verschiedene Kevlar-Qualitäten zur Verfügung:
- Kevlar K-29 – in industriellen Anwendungen wie Kabel, Asbestersatz , Reifen und Bremsbeläge.
- Kevlar K49 – hoher Modul, der in Kabel- und Seilprodukten verwendet wird.
- Kevlar K100 – farbige Version von Kevlar
- Kevlar K119 – dehnfähiger , flexibler und ermüdungsbeständiger
- Kevlar K129 – höhere Zähigkeit für ballistische Anwendungen
- Kevlar K149 – höchste Zähigkeit für ballistische, Panzerungs- und Luft- und Raumfahrtanwendungen
- Kevlar AP – 15 % höhere Zugfestigkeit als K-29
- Kevlar XP – Kombination aus leichterem Harz und KM2 plus Faser
- Kevlar KM2 – erhöhter ballistischer Widerstand für Panzeranwendungen
Die ultraviolette Komponente des Sonnenlichts zersetzt und zersetzt Kevlar, ein Problem, das als UV- Zersetzung bekannt ist , und wird daher selten im Freien ohne Schutz vor Sonnenlicht verwendet.
Aufbau und Eigenschaften
Wenn Kevlar gesponnen wird , hat die resultierende Faser eine Zugfestigkeit von etwa 3.620 MPa (525.000 psi) und eine relative Dichte von 1,44 (0,052 lb/in 3 ). Seine hohe Festigkeit verdankt das Polymer den vielen Bindungen zwischen den Ketten. Diese intermolekularen Wasserstoffbrücken bilden sich zwischen den Carbonylgruppen und den N H -Zentren. Zusätzliche Stärke wird von aromatischen Stapelwechselwirkungen zwischen benachbarten Strängen abgeleitet. Diese Wechselwirkungen haben einen größeren Einfluss auf Kevlar als die Van-der-Waals- Wechselwirkungen und die Kettenlänge, die typischerweise die Eigenschaften anderer synthetischer Polymere und Fasern wie Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht beeinflussen . Die Anwesenheit von Salzen und bestimmten anderen Verunreinigungen, insbesondere Calcium , könnte die Strangwechselwirkungen stören, und es wird darauf geachtet, die Einbeziehung in seine Produktion zu vermeiden. Die Struktur von Kevlar besteht aus relativ starren Molekülen, die eher wie Seidenproteine dazu neigen, meist planare flächige Strukturen zu bilden .
Thermische Eigenschaften
Kevlar behält seine Festigkeit und Widerstandsfähigkeit bis zu kryogenen Temperaturen (−196 °C (−320.8 °F)); tatsächlich ist es bei niedrigen Temperaturen etwas stärker. Bei höheren Temperaturen nimmt die Zugfestigkeit sofort um ca. 10–20 % ab und nach einigen Stunden nimmt die Festigkeit immer weiter ab. Zum Beispiel: 500 Stunden lang 160 °C (320 °F) aushalten, wird seine Festigkeit um etwa 10 % reduziert; und 70 Stunden bei 260 °C (500 °F) hält, wird seine Festigkeit um etwa 50 % reduziert.
Anwendungen
Wissenschaft
Kevlar wird aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit und hohen Festigkeit im Vergleich zu anderen Materialien für Aufhängungszwecke häufig im Bereich der Kryotechnik verwendet. Es wird am häufigsten verwendet, um ein paramagnetisches Salzgehäuse an einem supraleitenden Magnetdorn aufzuhängen, um jegliche Wärmelecks an das paramagnetische Material zu minimieren. Es wird auch als thermischer Abstandhalter oder struktureller Träger verwendet, wo geringe Wärmeverluste erwünscht sind.
Ein dünnes Kevlar-Fenster wurde vom NA48-Experiment am CERN verwendet , um ein Vakuumgefäß von einem Gefäß mit nahezu atmosphärischem Druck zu trennen, beide 192 cm (76 Zoll) im Durchmesser. Das Fenster bietet Vakuumdichtheit in Kombination mit einer relativ geringen Materialmenge (nur 0,3% bis 0,4% der Strahlungslänge ).
Schutz
Kevlar ist ein bekannter Bestandteil von persönlichen Rüstungen wie Kampfhelmen , ballistischen Gesichtsmasken und ballistischen Westen . Der PASGT-Helm und die Weste, die von den Streitkräften der Vereinigten Staaten verwendet werden, verwenden Kevlar als Schlüsselkomponente bei ihrer Konstruktion. Andere militärische Anwendungen umfassen kugelsichere Gesichtsmasken und Splitterschutzfolien, die zum Schutz der Besatzungen von gepanzerten Kampffahrzeugen verwendet werden . Flugzeugträger der Nimitz- Klasse verwenden Kevlar-Verstärkungen in wichtigen Bereichen. Zivile Anwendungen umfassen: hochhitzebeständige Uniformen, die von Feuerwehrleuten getragen werden, Körperpanzer, die von Polizeibeamten, Sicherheits- und taktischen Polizeiteams wie SWAT getragen werden .
Kevlar wird zur Herstellung von Handschuhen, Ärmeln, Jacken, Chaps und anderen Kleidungsstücken verwendet, die den Benutzer vor Schnitten, Abschürfungen und Hitze schützen sollen. Kevlar-basierte Schutzausrüstung ist oft erheblich leichter und dünner als vergleichbare Ausrüstung aus traditionelleren Materialien.
Es wird für Motorrad-Sicherheitsbekleidung verwendet , insbesondere in den Bereichen mit Polsterung wie Schultern und Ellbogen. Beim Fechten wird es in den Schutzjacken, Reithosen, Plastrons und dem Lätzchen der Masken verwendet. Es wird zunehmend im peto verwendet , der gepolsterten Abdeckung, die die Pferde der Picadore in der Stierkampfarena schützt . Eisschnellläufer tragen auch häufig eine Unterschicht aus Kevlar-Gewebe, um im Falle eines Sturzes oder einer Kollision potenzielle Wunden durch Schlittschuhe zu vermeiden.
Sport
Beim Kyudo oder japanischen Bogenschießen kann es als Alternative zu teurerem Hanf für Bogensehnen verwendet werden . Es ist eines der wichtigsten Materialien für Gleitschirm- Aufhängeleinen. Es wird als Innenfutter für einige Fahrradreifen verwendet , um Pannen zu vermeiden. Beim Tischtennis werden Kevlar-Lagen zu benutzerdefinierten Lagenblättern oder Paddeln hinzugefügt, um die Sprungkraft zu erhöhen und das Gewicht zu reduzieren. Tennisschläger werden manchmal mit Kevlar bespannt. Es wird in Segeln für Hochleistungs-Rennboote verwendet.
Im Jahr 2013 verwendete Nike aufgrund der technologischen Fortschritte zum ersten Mal Kevlar in Schuhen. Es brachte die Elite II-Serie auf den Markt, mit Verbesserungen gegenüber seiner früheren Version von Basketballschuhen, indem Kevlar im vorderen Bereich sowie in den Schnürsenkeln verwendet wurde . Dies wurde durchgeführt, um die Elastizität der Schuhspitze im Gegensatz zu Nylon zu verringern, das herkömmlich verwendet wird, da Kevlar um etwa 1% expandiert, gegenüber Nylon, das sich um etwa 30% ausdehnt. Zu diesen Schuhen gehörten LeBron, HyperDunk und Zoom Kobe VII. Diese Schuhe wurden jedoch in einer Preisklasse auf den Markt gebracht, die viel höher war als die durchschnittlichen Kosten für Basketballschuhe. Es wurde auch in den Schnürsenkeln des Adidas F50 adiZero Prime Fußballschuhs verwendet.
Mehrere Unternehmen, darunter die Continental AG , stellen Fahrradreifen mit Kevlar zum Schutz vor Pannen her.
Faltwulst-Fahrradreifen, die 1984 von Tom Ritchey in den Radsport eingeführt wurden , verwenden Kevlar als Wulst anstelle von Stahl zur Gewichtsreduzierung und Festigkeit. Ein Nebeneffekt des Faltwulstes ist eine Reduzierung der Regal- und Bodenfläche, die benötigt wird, um Fahrradreifen in einer Einzelhandelsumgebung auszustellen, da sie gefaltet und in kleinen Kartons platziert werden.
Musik
Es hat sich auch herausgestellt, dass Kevlar nützliche akustische Eigenschaften für Lautsprechermembranen hat , insbesondere für Bass- und Mitteltöner. Darüber hinaus wurde Kevlar als Verstärkungselement in Glasfaserkabeln verwendet, wie sie beispielsweise für Audiodatenübertragungen verwendet werden.
Kevlar kann als akustischer Kern auf Bögen für Streichinstrumente verwendet werden . Die physikalischen Eigenschaften von Kevlar bieten dem Benutzer des Bogens Stärke, Flexibilität und Stabilität. Der einzige Hersteller dieses Bogentyps ist bis heute CodaBow .
Kevlar wird derzeit auch als Material für Saitenschnüre (auch bekannt als Saitenhalter-Einsteller) verwendet, die den Saitenhalter mit dem Endstift von Streichinstrumenten verbinden.
Kevlar wird manchmal als Material für Marschtrommeln verwendet. Es ermöglicht eine extrem hohe Spannung, was zu einem saubereren Klang führt. Auf das Kevlar wird normalerweise ein Harz gegossen, um den Kopf luftdicht zu machen, und eine Nylon-Oberschicht, um eine ebene Schlagfläche zu schaffen. Dies ist eine der wichtigsten Arten von Marschtrommelfellen. Der Falam Slam Patch von Remo besteht aus Kevlar und wird verwendet, um Bassdrumfelle dort zu verstärken, wo der Beater anschlägt.
Kevlar wird in den Holzbläserblättern von Fibracell verwendet. Das Material dieses Schilfrohrs ist ein Verbund aus Luft- und Raumfahrtmaterialien, der die Art und Weise nachbilden soll, wie die Natur Schilfrohr konstruiert. Sehr steife, aber schallabsorbierende Kevlar-Fasern sind in einer leichten Harzformulierung suspendiert.
Kraftfahrzeuge
Kevlar wird manchmal in Strukturkomponenten von Autos verwendet, insbesondere in hochwertigen Leistungsfahrzeugen wie dem Ferrari F40 .
Die Schnittfaser wurde als Ersatz für Asbest in Bremsbelägen verwendet . Tatsächlich setzen Aramide weniger Fasern in der Luft frei als Asbestbremsen . Asbestfasern sind für ihre krebserregenden Eigenschaften bekannt.
Andere Verwendungen
Dochte für Feuertanz- Requisiten bestehen aus Verbundmaterialien mit Kevlar darin. Kevlar allein nimmt Kraftstoff nicht sehr gut auf, daher wird es mit anderen Materialien wie Glasfaser oder Baumwolle gemischt . Durch die hohe Hitzebeständigkeit von Kevlar können die Dochte viele Male wiederverwendet werden.
Kevlar wird manchmal als Ersatz für Teflon in einigen antihaftbeschichteten Pfannen verwendet.
Kevlarfasern werden in Seilen und Kabeln verwendet, wobei die Fasern in einer Polyethylenhülle parallel gehalten werden . Die Kabel wurden in Hängebrücken wie der Brücke in Aberfeldy, Schottland, verwendet . Sie wurden auch verwendet, um rissige Betonkühltürme durch Umfangsanwendung zu stabilisieren, gefolgt von Spannen, um die Risse zu schließen. Kevlar wird häufig als schützender Außenmantel für Glasfaserkabel verwendet , da seine Stärke das Kabel vor Beschädigungen und Knicken schützt. Wenn es in dieser Anwendung verwendet wird, ist es allgemein unter dem Markennamen Parafil bekannt.
Kevlar wurde von Wissenschaftlern des Georgia Institute of Technology als Basistextil für ein Experiment zur Stromerzeugung von Kleidung verwendet. Dies geschah durch das Einweben von Zinkoxid- Nanodrähten in das Gewebe. Im Erfolgsfall erzeugt der neue Stoff etwa 80 Milliwatt pro Quadratmeter.
Ein einziehbares Dach von über 60.000 sq ft (5.600 m 2 ) Kevlar war ein wichtiger Bestandteil des Entwurfs des Olympiastadions in Montreal für die Olympischen Sommerspiele 1976 . Es war spektakulär erfolglos, da es 10 Jahre zu spät fertiggestellt und nur 10 Jahre später im Mai 1998 nach einer Reihe von Problemen ersetzt wurde.
Kevlar kann als Verstärkungsschicht gefunden wird in Gummibalgen Dehnfugen und Gummischläuche , für die Verwendung in Hochtemperaturanwendungen, und für seine hohe Festigkeit. Es wird auch als Geflechtschicht auf der Außenseite von Schlauchleitungen verwendet, um den Schutz vor scharfen Gegenständen zu erhöhen.
Einige Mobiltelefone (einschließlich der Motorola RAZR-Familie , des Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 und Pocophone F1 ) haben eine Kevlar-Rückplatte, die aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit und der fehlenden Interferenz bei der Signalübertragung anderen Materialien wie Kohlefaser vorgezogen wird.
Die Verbundwerkstoffe aus Kevlar-Faser/Epoxid-Matrix können aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und ihres geringen Gewichts im Vergleich zu anderen Fasern in Meeresströmungsturbinen (MCT) oder Windturbinen verwendet werden.
Kompositmaterialien
Aramidfasern werden häufig zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen verwendet, oft in Kombination mit Kohlefasern und Glasfasern . Die Matrix für Hochleistungsverbundwerkstoffe ist in der Regel Epoxidharz . Zu den typischen Anwendungen gehören Monocoque- Karosserien für F1 -Rennwagen , Hubschrauber- Rotorblätter, Tennis- , Tischtennis- , Badminton- und Squash- Schläger , Kajaks , Cricket-Schläger sowie Feldhockey- , Eishockey- und Lacrosse- Schläger .
Kevlar 149, die stärkste Faser und kristallinste Struktur, ist in bestimmten Bereichen des Flugzeugbaus eine Alternative. Die Flügelvorderkante ist eine Anwendung, da Kevlar bei Vogelkollisionen weniger anfällig für Bruch als Kohle- oder Glasfaser ist.