Kevlar

Kevlar on tehislik kiudmaterjal, keemiliselt koostiselt aramiidpolümeer (aramiid - aromaatne polüamiid), mille töötasid välja Stephanie L. Kwolek ja Herbert Blades DuPonti laborites 1965. aastal. See tugevusomadustelt silmapaistev materjal leidis esmast kommertsiaalset kasutust 1970. aastal terastraatide asendamisel võidusõiduautode rehvides. Levinuim kasutusvorm on niitideks või tekstiiliks põimitud kiud, mis on rakendatav nii iseseisvalt kui ka osana komposiitmaterjalist.

Kevlari ruumiline molekulaarstruktuur

Tänaseks on kevlaril materjalina mitmeid rakendusalasid, alates rehvidest või purjedest kuni turvisteni, mis on tingitud selle suurest tõmbetugevuse ja kaalu suhtest, mis on hinnanguliselt viis korda suurem kui terasel.

Aramiidpolümeerkiud

Ajalugu

Polüparapüleeni, mida hakati nimetama kevlariks, leiutasid Poola-Ameerika keemik Stephanie L. Kwolek ja Herbert Blades DuPonti laborites. 1964. aastal hakkas nende teadusrühm otsima uut kergekaalulist, kuid tugevat materjali, et kasutada seda rehvides. Nende uuritud polümeerid moodustasid lahustes vedelaid kristalle, mis oli tol ajal unikaalne. Lahused olid ähmased, ebaselge värvusega ja väikse viskoossusega ning neid peeti enamasti kasutuks. Siiski testiti lahusest polümeerkiudude spinnimist, et saadu omadusi testida, ning ootamatult avastati, et tekkinud kiud ei purune, sarnaselt nailoniga, vaid on üle ootuste heade tugevusomadustega. Juhusliku avastuse tähtsusest saadi kohe aru ning kiiresti arenes välja uus polümeeride keemia valdkond. Juba 1971. aastal tutvustati maailmale uut materjali kevlarit.

Tootmine

Kevlarit sünteesitakse monomeeride 1,4-diamiinfenüüli ja 1,4-dikarbonüülkloriidbenseeni lahusest kondensatsioonireaktsioonil, mille kõrvalsaadusena eraldub vesinikkloriidhape. Saadusel on vedelkristalli omadused ning mehaanilise töötlemise ja spinnimise abil saab polümeerahelad orienteerida ühesuunaliseks – tekitada kiud. Polümerisatsiooniks kasutati esmalt solvendina heksametüülfosforamiidi, mis asendati ohutuse suurendamiseks N-metüül-pürolidooni ja kaltsiumkloriidi seguga.

Kevlari sünteesireaktsioon

Kevlari tootmine on kulukas ning seda mitmel põhjusel. Kulukad on lähteained ning lisaks tekitab täiendavat keerukust vajadus vees lahustumatu polümeer reaktsiooni ja spinnimise ajal täielikult lahustada, kasutades selleks kontsentreeritud väävelhapet. See toob kaasa täiendava kulu ja tarvilikud keskkonnatingimused.

Kevlarit toodetakse ning seda on saadaval mitmes versioonis:

• Kevlar K29 – leiab mitmekülgset tööstuslikku kasutamist, näiteks nöörid, kehaturvised, hõõrdumist peatavad katted
• Kevlar K49 – suurema tõmbetugevusega versioon nööride ja kangastoodete jaoks
• Kevlar K100 – erivärvilised kevlarid
• Kevlar K119 – kõrgema elastsusmooduliga, painduvam ja kulumiskindlam
• Kevlar AP – suurima tõmbetugevusega kommertskevlar
• Kevlar KM2 – suurendatud kõvadus turvise loomiseks, sobivaim ballistilisteks rakendusteks
• Kevlar XP – komposiitversioon kergest kevlarist ja Kevlar KM2 kiududest

Struktuur ja omadused

Kevlari molekulaarstruktuur, rõhutatud struktuuriga osa väljendab ühte monomeeri ahelat, punktjooned tähistavad vesiniksidemeid

Kevlar on struktuurilt sünteetiline aramiidpolümeer, seega koosneb see mitmetest identsetest omavahel kokku põimitud monomeeridest. Tuntuimad polümeerid on plastikud, millega kevlar ehituselt ka mõneti sarnaneb. Kevlar sisaldab keemiliselt aromaatseid benseeni tuumasid, amiidi ja hapniku rühmasid.

Kevlari spinnimise järel saadud kiud on värvuselt kollane, tihedusega 1440 kilogrammi kuupmeetri kohta, tõmbetugevusega suurusjärgus 3 GPa, elastsusmooduliga 110 GPa, vaid spetsiaalsete kääridega lõigatav. Mehaanilised omadused ongi kevlari kasutamisel peamiseks argumendiks. Näiteks võib ühe millimeetrise läbimõõduga kevlarniit kanda kuni 220 kilogrammist raskust, või teise näitena on kevlarkiud tavalise noaga peaaegu läbistamatu. Polümeeri head tugevusomadused on osaliselt tingitud mitmetest molekulisisestest vesiniksidemetest, mis moodustuvad karbonüülrühma ja lämmastik-vesinik sidemete vahel. Tugevusomadusi mõjutab rohkem külgnevate ahelate tihe sidusus. Soolade ja muude lisandite juuresolek tootmisel võib mõjutada ahelate vastastikust sidusust, seega ka tugevusomadusi, ning seda välditakse. Kevlari struktuur koosneb hinnanguliselt jäikadest molekulidest, mis moodustavad enamasti planaarseid struktuure. Kevlar on sobiv kasutamiseks vesikeskkonnas ja ei ole ilmastikutundlik. Küll on kevlar tundlik UV-kiirguse (praktikas päevavalguse) suhtes, mis seda ajapikku lagundab, seega kasutatakse materjali enamasti varjatult otsese kiirguse/valguse eest. Sellest puudusest on vaba uuem, kevlarist 30 - 45% tugevam kiudmaterjal düneema (kõrgmolekulaarne polüetüleen HPPE).

Kevlari soojusomadused on mõneti mittelineaarsed. See hoiab oma tugevusomadusi väga madalate temperatuurideni ning on madalamal temperatuuril isegi paremate tugevusomadustega. Temperatuuri kasvades ja materjali vastavas keskkonnas hoides väheneb tõmbetugevus 10–20% võrra ning aja möödudes ka rohkem. Näiteks hoides kevlarit 160 °C juures, väheneb tõmbetugevus 10% võrra 500 tunniga, 260 °C juures väheneb see aga 70 tunniga koguni 50% võrra. Seega ei ole kevlari heaks kasutuskeskkonnaks kõrgtemperatuursed paigad, samuti tekitab see probleemi näiteks kehakaitsmete kasutuses, kus materjal peab vastu pidama hõõrdumisele, mille käigus temperatuur oluliselt kasvab.

Omadus
Värvus	Kollane
Keemiline struktuur	[-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n
Tihedus	1440 kg/m3
Tõmbetugevus	3 GPa
Elastsusmoodul	110 GPa

Kasutusalad

Militaartehnoloogiad ja turvis

Kevlarkattega kiiver tabamuse järel

Kevlar on suuresti kasutatav militaartehnoloogiates kaitsematerjalina kiivrites, näokaitsmetes, killu- ja kuulivestides. Näiteks on see põhiline kaitsekomponent Ameerika Ühendriikide kaitsevarustuses alates 1980. aastast, kui võeti kasutusele PASGT kiivrid ja kuulivestid. Samuti on kevlarit kasutatud järgnevates edasiarendustes. Kevlarit kasutatakse ka soomustatud sõidukites meeskonna kaitseks ning ka näiteks Nimitz-klassi lennukikandjates, kaitsmaks elutähtsaid komponente. Materjal on laiatarbeline ka politseinike ja turvateenistuse kaitsevarustuses.

Üldkaitse

Lõikekindlad kevlarkindad

Kevlarit kasutatakse kinnaste, käiste, jakkide, pükste ja muude riideesemete tootmiseks, mis on disainitud kaitsmaks kandjat sisselõigete, marrastuste ning kuumuse eest. Sellest loodud kaitseriietus on reeglina kergem ja õhem kui tavalistest materjalidest rõivastus, samuti põimitakse seda teiste tekstiilidega.

Spordivarustus

Kevlari tugevus- ja elastsusomadusi kasutatakse ära ka mitme spordiala varustuse loomisel.

Kevlarist valmistatakse näiteks mootorratta turvariietust nii kogu keha kui ka spetsiifiliste alade, nagu küünarnukid, põlved, reied kaitsmiseks. Kevlari ainsaks miinuseks sellel kasutusalal on vastupidamatus temperatuurile: kui õnnetuse tagajärjel peaks esinema pikka libisemist, kus hõõrdumise tõttu temperatuur oluliselt tõuseb. Ka vehklejate kaitsekostüümid ja -maskid on tihtipeale valmistatud kevlarist, vältimaks sportlaste vigastusi torgete läbi. Sobiv kasutusala on ka ekstreemsportlaste kehakaitsed, kus õnnetuste korral võtab kevlar koormuse ning vigastused sportlase asemel enda kanda. Järjest enam asendavad kevlarnöörid vibuspordis vibunööride traditsioonilisi materjale, kuna on antud alal võrdlemisi odavad ning elastsusomaduste tõttu hästi sobivad. Nöörina on kevlar kasutusel ka langevarjuspordis, kus on oluline kandvat varju kinnihoidvate nööride tugevus. Läbitorgete ja kulumise kaitseks kasutatakse kevlarit ka ralli- ja rattaspordis lisandina rehvides. Materjal on kasutusel ka laua- ja klassikalises tennises. Esimeses aitab see suurendada elastsust, saavutamaks tugevamad põrked ning samal ajal vähendades kaalu materjali kerguse tõttu; teises aitab see suurendada reketi võrgu keskosa vastupidavust ning parandada ka elastsusomadusi; mida elastsema põrke mõlemal spordialal reket tekitab, seda vähem peab sportlane kasutama jõudu tugeva löögi sooritamiseks. Firma Nike on kasutanud kevlarit spordijalatsite tootmisel, põimides seda nii paeltesse kui ka jalatsi ninasse. Võrreldes nailoni kasutusega suurenes jalatsi tugevus oluliselt: kevlari kasutus vähendas suuresti jalatsi läbivenivust. Kevlarist jalatsid on vastupidavamad ja spordis kasulikumad, kuid ka oluliselt kallimad võrreldes jalanõude keskmise hinnaga.

Muusika

On leitud, et kevlaril on kasulikud akustilised omadused valjuhääldite kõlaelementide valmistamiseks, lisaks kasutatakse seda optilistes kaablites tugevuse tagamiseks, näiteks ka neis, mida kasutatakse heliinformatsiooni edastamiseks.

Kevlarit kasutatakse ka trummikatete materjalina, kuna võrreldes klassikaliste materjalidega võimaldab see rakendada oluliselt tugevamaid mehaanilisi lööke, seega ka pingeid, mille tagajärjel levib edasi puhtam heli. Sarnastel põhjustel on see kasutusel ka keelpillides, mõlemal juhul luuakse kevlarist komposiit, milles iga komponent annab lõpptulemusele mingi endale iseloomuliku tähtsa omaduse, milleks kevlari puhul on tugevus ja elastsus.

Muud kasutused

Kevlariga tugevdatud köis

Lisaks laialt levinud kasutustele võib kevlari omadusi ära kasutada veel väga eriilmelistes rakendustes. Kevlarit võib näiteks kasutada tefloni asendajana pannide ja kööginõude tootmisel. Põimitud kevlarkiud on kasutusel rippsildades, merendusega seotud köites ja nöörides. Pragunevate tsementelementide ajutiseks purunemise aeglustamiseks on kevlarvõrgud ja -köied tõhusad abivahendid. Materjali on kasutatud ka mobiiltelefonide kestade konstruktsioonis, näiteks mudelitel Motorola Droid Maxx ja OnePlus 2.

Kevlar on üldiselt väga sobiv mitmeteks rakendusteks, kuid tihtipeale piirab kasutamist selle kõrge hind võrreldes tavaliste materjalidega, millel aga ei ole kevlariga võrdseid kasulikke omadusi.