Universitatea din Piteti Facultatea de tiine MTN Anul I

Kevlarul-The KevlarElena-Ionela BRLEANU

-2011-

RezumatKevlar" este denumirea unui material extraordinar, inventat in anul 1965 de o chimista din S.U.A., pe nume Stephanie Kwoleck (nascuta in 1923). Fibrele sale sunt de 5 ori mai rezistente dect srma de otel, dar mult mai usoare. Kevlarul este marca inregistrata a companiei DuPont, fiind lansat pe piata in anii 70. Kevlarul are o combinaie unic de nalt rezisten, modul ridicat, tenacitate i stabilitate termic. Acesta a fost dezvoltat pentru aplicaii pretenioase, industriale i de tehnologie avansat. n prezent, multe tipuri de Kevlar sunt produse pentru a satisface o gam larg de utilizri finale. Aceasta lucrare conine o descriere amanuntita a Kevlar-ului, cuprinzand informaii tehnice, structura, caracteristi, proprietati, tipuri, avantaje si deasemenea utilizari ale acestuia in diverse domenii.

Summary"Kevlar" is the name of a great material, invented in 1965 by a U.S. chemist named Kwoleck Stephanie (born 1923). Fibers are 5 times stronger than steel wire, but much lighter. Kevlar is the brand registered trademark of DuPont, and it was released in '70. Kevlar is a unique combination of high strength, high modulus, toughness and thermal stability. It was developed for demanding applications, industrial and advanced technology. Currently, many types of Kevlar are produced to meet a wide range of uses. This paper contains a detailed description of the Kevlar, including technical information, structure, characteristics, properties, types, advantages and also its use in various fields.

2

Cuprins:

1. Introducere..4

2. Generalitati despre Kevlar................................................................................5 3. Structura Kevlar-ului........................................................................................6 4. Caracteristici.....................................................................................................7 5. Proprietati ale Kevlar-ului................................................................................7 5.1. Proprietati elastice....................................................................................7 5.2. Proprietati termice....................................................................................8 5.3. Efectul ultravioletelor asupra Kevlar-ului..............................................10 5.4. Efectul apei si pH-ului asupra Kevlar-ului ............................................12 6. Tipuri..............................................................................................................13 7. Avantajele Kevlar-ului...................................................................................14 8. Utilizari ale Kevlar-ului..................................................................................16 9. Bibliografie.....................................................................................................20

3

1. Introducere

Kevlar" este denumirea unui material extraordinar, inventat in anul 1965 de o chimista din S.U.A., pe nume Stephanie Kwoleck (nascuta in 1923). Fibrele sale sunt de 5 ori mai rezistente dect srma de otel, dar mult mai usoare. Pentru aceste considerente, Kevlar-ul a fost prima fibr polimeric organic adecvat utilizrii n compozite avansate, fiind totodat una dintre cele mai importante fibre sintetice dezvoltate pn n prezent. Kevlar-ul este un polimer nalt cristalin care, datorit formei de baghet a moleculelor de para-aramid i a procesului de obinere prin filarea precursorului, produc anizotropia fibrelor, asemntor fibrelor de carbon. Kevlarul este marca inregistrata a companiei DuPont, fiind lansat pe piata in anii 70. A fost prima fibra organica cu o rezistenta tensila si un modul tensil suficient de mari pentru a fi folosita in compozitele avansate. O fibr similara, numita Twaron, cu aproximativ aceeai structur chimic a fost dezvoltata de Akzo n anii 1970, producia comercial a nceput n 1986, i Twaron acum este fabricat de Teijin. Din kevlar se realizeaza subansamble pentru navele aeriene si spatiale si se confectioneaza vestele antiglont. Nu se topeste la caldura, si este rezistent la taiere si rupere. Se foloseste la manusi si imbracaminte de protectie mai ales in zonele cu grad sporit de risc de deteriorare la cazaturi.

4

2. Generalitati despre Kevlar

Kevlarul este un material compozit frecvent utilizat pentru realizarea protectiei individuale. Kevlarul este un polimer anorganic cu fibre de anamide (poliamide aromatice) avand o rezistenta ridicata. Fibrele de Kevlar reprezinta catene moleculare lungi obtinute din poli-parafenilen tereftalamida. Lanturile moleculare sunt puternic orientate, cu legaturi intercatenare puternice, ceea ce conduce la o combinatie unica de proprietati. In ultimul timp, s-a ajuns la concluzia ca fibrele sintetice sunt o speranta pentru domeniile de varf ale tehnicii, dintre care Kevlarul devine din ce in ce mai omniprezent, ca fiind exponentul generatiei a doua de materiale compozite. Kevlarul este o fibra care poate ajunge la o finete de cateva sutimi de milimetru, care apoi sunt filate si tesute pe masini textile conventionale, usor modificate, conform particularitatilor Kevlarului. Producerea kevlarului este scumpa datorita dificultatilor aparute din cauza utilizarii de acid sulfuric concentrat, necesar pentru a mentine apapolimer insolubil in solutie in timpul sintezei. In aplicatii structurale, fibrele de kevlar pot fi lipite una de alta sau de alte materiale pentru a forma un compozit. Principala deficienta a Kevlar-ului consta in descompunerea in conditii alcaline sau atunci cand este expus la clor. Kevlarul poate sa aiba o rezistenta mare la tractiune, uneori in exces de 4,0 GPa.

5

3. Structura kevlarului

Fig. 1 Structura chimica a Kevlarului

6

4. CaracteristiciKevlarul a fost prima fibra polimerica organica adecvata utilizarii in composite avanzate, fiind totodata una din cele mai importante fibre sintetice dezvoltate pana in prezent. Kevlarul este un polimer inalt cristalin care datorita formei de baghetta a moleculelor de para-amid si a procesului de obtinere prin filarea precursorului produc anisotropia fibrelor, asemanator fibrelor de carbon. Principalele caracteristici ale kevlarului sunt:o o

rezistenta ridicata la soc si la abraziune; rezistenta sporita la tractiune, de doua ori mai mare ca a sticlei, apropiindu-se de cea a fibrelor de carbon;

o

rezistenta ridicata la temperaturi inalte si stabile excelenta intr-un domeniu larg de temperaturi, atat in ceea ce privesc calitatile mecanice, cat si dimensiunile pana la 500 C;

o o

capacitatea ridicata de amortizare a vibratiilor; densitate redusa (1700 Kg/m3 fata de 2500 kg/m3 a sticlei si 2700 kg/m3 a aluminiului);

o

este putin sensibil la agenti chimici si microorganisme.

5. Proprietati ale kevlarului 5.1. Proprietati elasticeKevlarul prezinta urmatoarele caracteristici elastice: E1 = 7,6 * 104 M Pa;

7

E2 = 5,5 * 104 M Pa; n1 = 0,34; n2 = 0,35. Revenire elastic la alungire 2% (5%) 95-100 95-100 96 Modul iniial raportat la mas N/tex 41-53 85-90 < 100 Modul iniial raportat la aria seciunii fibrei GPa 59-76 124-130 < 150

Fibra Kevlar 29

Forma fibrei

F Kevlar 49 htF Kevlar 149 hmF

5.2. Proprietati termiceKevlarul isi mentine rezistenta si capacitatea de adaptare pana la temperaturi criogenice de pana la -196 grade celsius; intr-adevar, aceasta este mai ptin puternica la temperaturi scazute. La temperaturi mari rezistenta de rupere este imediat redusa cu aproximativ 10-20% si dupa cateva ore puterea se reduce progresiv in continuare. De exemplu, la 160 grade, reducerea de aproximativ 10% apare dupa 500 de ore. La 260 grade, reducerea de 50% are loc dupa 70 de ore. KEVLARUL nu se topete, el se descompune la temperaturi relativ ridicate (800 F la 900 F [427 C la 482 C] n aer i aproximativ 1.000 F [538 C] n nitrogen), atunci cnd sunt testate cu o cretere de temperatur de 10 C / minut. Descompunerea la temperatura variaz n funcie de rata de cretere a temperaturii i durata expunerii. Figurile de mai jos arat analize tipice termo-gravimetrice (TGAs) din KEVLAR 49 n aer i respectiv azot. TGAs sunt generate de un instrument care msoar pierderea n greutate n

8

funcie de creterea temperaturii n timp. Analizele pot fi efectuate n aer sau ntr-o varietate de alte atmosfere.

Analiza termogravimetrica tipica a Kevlarului 49 in aer, la o crestere de temperatura de 10 C / min.

9

Analiza termogravimetrica tipica a Kevlarului 49 in azot, la o crestere de temperatura de 10 C / min. Pentru KEVLAR, odat cu creterea temperaturii, exist o reducere n greutate imediat, care corespunde cu pierderea de ap. Curba apoi rmne relativ plata pn la descompunere, n cazul n care o pierdere semnificativ n greutate este de observata.

5.3. Efectul ultravioletelor asupra kevlar-ului

Ca i alte materiale polimerice, Kevlar-ul este sensibil la razele UV (ultraviolete). Firele neprotejate tind a se decolora de la maro la galben dup o expunere prelungit. Expunerea prelungit la raze UV poate provoca, de asemenea, pierderea proprietatilor mecanice, n funcie de lungimea de und, timpul de expunere, intensitatea radiatiei si geometria produsului. Decolorarea firelor proaspete dup expunerea la lumina dintr-o camer obinuit este normala i nu este un indicator al degradrii. Degradarea are loc numai n prezena oxigenului, i nu este sporit de umiditate sau de contaminani atmosferici, cum ar fi dioxidul de sulf. Dou condiii trebuie ndeplinite nainte ca lumina cu o lungime de unda speciala sa poata provoca degradarea fibrelor: absorbie de polimer i energie suficienta pentru a rupe legturile chimice. Figura de mai jos arat spectrul de absorbie al Kevlar-ului alaturi de cel al luminii solare. Regiunea de suprapunere a acestor dou curbe - mai ales ntre 300 nm la 450 nm - ar trebui s fie luata n considerare atunci cnd este specificata utilizarea in aer liber a Kevlar-ului neprotejat. Aceasta gama include aa-numita apropiere de UV i o parte a regiunii vizibile; pentru o protecie eficient a Kevlar-ului de la degradarea cu UV, acest tip de lumin trebuie s fie exclus.

10

Suprapunere a spectrului de absorbie al Kevlar-ului cu spectrul solar. Numai cantiti mici din aceast lumin apar n surse de lumin artificial, cum ar fi incandescente obinuite i becuri fluorescente, sau n lumina soarelui filtrat prin geam. Cu toate acestea, pentru a evita posibila deteriorare, firele nu ar trebui s fie depozitate la distante prea mici de lmpi fluorescente sau in apropierea ferestrelor. O protecie UV suplimentara poate fi furnizata de ncapsulare: Prin overbraiding cu alte fibre sau Prin aplicarea unui strat extrudat peste corzi i cabluri. Ori de cte ori este utilizat un strat, extrudate sau film, acesta nu ar trebui s fie UVtransparent. Mai degrab, ar trebui s aib pigmentare corespunztoare pentru a absorbi n gama de la 300 nm la 450 nm.

11

Figura de mai jos arat stabilitatea UV a Kevlar-ului obinuta cu un "Fade-Ometer" echipat cu un arc cu xenon.

Stabilitatea UV a firelor de Kevlar

5.4. Efectul apei si pH-ului asupra KEVLARULUIStabilitatea pH-ului Degradarea poate avea loc atunci cnd kevlarul este expus acizilor i bazelor puternice. La pH neutru (pH 7), tenacitatea filamentului rmne practic neschimbata dup expunerea la 149 F (65 C) pentru mai mult de 200 de zile. Condiiile acide provoca degradari mai severe dect condiiile de baz la nivelul pH echidistant de neutru.

12

Comportament similar este vzut n aburul saturat generat de ap la niveluri de pH-ului diferite. Rezultatele de expunere de 16 ore la 309 F (154 C) arat puterea maxim de pstrare n pH 6 la pH 7, cu o mai clar drop-off de pe partea acide. Rezistena KEVLARULUI la hidroliz n abur saturat este msurat ntr-un tub de test sigilat ("bomba"). Firele de kevlar, ntr-o form jurubi sunt pastrate la 280 F (138 C) pentru diferite lungimi de timp, n prezena suficient a apei (pH 7) pentru a forma abur saturat. Rezultatele rezisten la pierdere sunt determinate prin compararea datelor de putere msurat la temperatura camerei-turii pentru control i fire expuse.

6. TipuriProducia kevlarului este costisitoare datorita dificultilor ce decurg din utilizarea de acidului sulfuric concentrat, necesar pentru a menine polimerul insolubil n ap, n soluie n timpul sintezei sale i filare. Mai multe tipuri de Kevlar sunt disponibile: 1. Kevlar K-29 - n aplicaii industriale, cum ar fi cabluri, nlocuirea azbestului, garniturile de frn, i corpul / armura vehiculului. 2. Kevlar K49 - module ridicate utilizate n produsele cu cablu i frnghie. 3. Kevlar K100 - versiunea colorata a Kevlarului. 4. Kevlar K119 alungire crescuta, flexibil i mai rezistent. 5. Kevlar K129 - tenacitate mai mare pentru aplicatii balistice. 6. Kevlar AP are o tenacitate cu 15% mai mare dect K-29. 7. Kevlar XP - greutatea mai mica a rasinii si combinaia KM2 plus fibre. 8. Kevlar KM2 - rezisten balistica sporit pentru aplicaii armura. Astazi se produc trei tipuri de fibre Kevlar cu propietati diferite. Productia mondiala de Kevlar era in 1999 de aproximativ 2.5 ori mai mare decat cea de fibre de carbon, la o capacitate mondiala de productie de doar 1,5 mai mare. Astzi se produc trei tipuri de fibre Kevlar cu propieti diferite:

13

Kevlar 29 (balistic) Kevlar 49 (structural) Kevlar 149 (modul de elasticitate mare)

Rezistenta si modulul de elasticitate ale Kevlar-ului 29 sunt comparabile cu cele ale sticlei, in timp de densitatea este de aproape jumatate din cea a sticlei.

7. Avantajele kevlaruluiPotrivit statisticilor, utilizarea Kevlarului asigura urmatoarele avantaje:o o o

reducerea greutatii structurilor cu aproximativ 30%; reducerea costurilor cu aproximativ 50%; cresterea durabilitatii de 2-5 ori.

Aramidele sunt o familie de nylonuri, care include Nomex-ul si Kevlar-ul. Termenul "aramida" este, de fapt, prescurtarea de la "aromatic polyamide" (poliamida aromatica). Datorita compozitiei chimice a Kevlar-ului (poly para-phenyleneterephtalamide), acesta e cunoscut drept para-aramid.

14

Aramidele apartin familiei nylonului si aduc un mare avantaj fata de tipurile obisnuite de nylon, cum este nylonul 6,6 care nu are proprietati structurale foarte bune; astfel, inelul aramid confera Kevlar-ului proprietati precum stabilitatea termica, in timp ce para structura sa ii da rezistenta si high-modulus. Deoarece Kevlar-ul este foarte stabil chimic si termic, fiind un polimer cristalin, nu se poate topi sau dizolva pentru a putea fi "amestecat" cu alte materiale. Insa cercetatoare americana Stephanie Kwolek, angajata a firmei DuPont, a gasit procedeele prin care acest polimer sa poata fi folosit sub forma de fibre. Producatorul american Fenwick a lansat acum cativa ani o noua serie de lansete, numita Techna AV. AV vine de la Aramid Veil (blank-ul fiind acoperit cu un strat de material protector, confectionat din Aramid). Designerii si inginerii de la Fenwick au gasit modul optim de combinare a fibrele de Aramid cu grafitul high-modulus, obtinand un blank usor, de 4 ori mai rezistent la impact decat alte blank-uri. De asemenea, unul din beneficiile neasteptate ale mariajului dintre fibrele de aramid si cele de grafit sunt actiunile mult mai line ale blank-urilor, eliminand din oscilatiile de dupa lansare si imbunatatind rata de revenire. De asemenea, toate blank-urile Techna AV au actiuni mult mai rapide, putand fi caracterizate ca avand o rigiditate destul de mare. De fapt, diferenta dintre Kevlar (nume comercial dat fibrelor de aramid) si aramid veil-ul "redescoperit" de specialistii de la Fenwick nu este una foarte mare. Se pare ca aceste noi fibre de aramid folosite de Fenwick sunt mai rezistente la aceeasi greutate fata de aramida Kevlar, permitand astfel producerea unor blank-uri mai usoare si de diametre mai mici, fata de lansetele ranforsate cu Kevlar, care erau mai grele si cu diametre mai mari. Aramidul este fratele mai tanar al Kevlarului si datorita dimensiunilor mai mici (fibrele de Aramid sunt mai subtiri), este un produs mult mai bun pentru ranforsarea lansetelor. Fenwick a folosit fibre de grafit unidirectionale, peste care a rulat in mai multe straturi folia de aramid, fara a obtine un blank de grosimea celor ranforsate cu Kevlar (unde Kevlarul este aplicat intr-un singur strat si chiar si asa, tot se vede diferenta - exemplu: modelul din 1987 de lansete Daiwa Procaster Tournament, cu ranforsaj de Kevlar in X).

15

Ca mai toate lucrurile bune, Kevlar-ul are si punctele sale slabe: fibrele absorb umezeala si se degradeaza rapid cand sunt expuse la radiatiile UV, deci sunt mult mai sensibile la mediu decat sticla sau compozitele. Desi rezistenta tensila si modulul tensil sunt mari, proprietatile de comprimare lasa de dorit.

8. Utilizare:Fiind initial conceput spre a inlocui ranforsarea otelita din pneurile radiale, Kevlar-ul cunoaste azi intrebuintari din cele mai diverse

La armura Kevlarul este o component bine-cunoscuta a armuii personale, cum ar fi cti de protecie, mti balistice si vesta, forele pentru fa, i veste balistice. Casca PASGT utilizate de ctre

militare ale Statelor Unite intre anii 1980 2005, ambele au Kevlar pe post de component cheie, la fel ca i nlocuitorii acestora. Alte utilizri militare includ mti antiglont, folosite pentru a proteja echipajele de vehicule blindate de lupt. Legate de aplicaii civile include unelte ale Serviciului de urgenta de protecie n cazul n care este vorba de caldura mare (de exemplu, abordarea un incendiu), armura din Kevlar, cum ar fi veste de ofieri de poliie, ofiteri de securitate, i SWAT La anvelope

16

Kevlarul este un material foarte usor si rezistent, compus din foarte multe fibre. Rezista la solicitari repetate, in multe conditii si este folosit ca material de compozitie al anvelopelor folding. Acesta este materialul care permite creare de anvelope pliabile (fara sarme), datorita rezistentei sale. De aceea, acest tip de anvelope poarta si denumirea de anvelopa pe kevlar.

La schiuri: Kevlar-ul este un polimer cu structura moleculara rigida, ceea ce duce la formarea unor fibre cu proprietati deosebite, care depind de directie. Fibrele kevlar-ului sunt perfect intinse si aliniate intre ele, formand o structura tare, rigida si dura. Avantajele sunt: reducerea greutatii schiului fara afectarea tariei lui, imbunatatirea aderentei marginilor si absorbtia vibratiilor. La blindajul masinilor: Cel mai scump SUV de pe piata, care va fi lansat in aprilie 2010 (cu un pret de 1.450.000 dolari) are blindajul facut cu kevlar. Caroseria autoturismului Ferrari este realizata integral din fibre de kevlar si carbon. Astazi exista trei tipuri de Kevlar: Kevlar 29, Kevlar 49 si Kevlar 149. Hainele continand fibre de Kevlar au, in general, Kevlar 49. Spre deosebire de grafit, Kevlarul este foarte rezistent la impact si la abraziune. De aceea, este si folosit ca strat protector in constructia blank-urilor din grafit. De asemenea, Kevlar-ul poate fi amestecat cu grafitul in foliile preimpregnate hibride, pentru a creste rezistenta la impact si rezistenta la rupere/incovoiere. Kevlarul este foarte rezistent la taiere, fiind folosit cu succes in fabricarea strunelor pentru pestii rapitori (stiuca).

17

Mai este folosit la: echipamente sportive, produse rezistente la coroziune, cabluri din fibre optice, echipamente de protectie performante, veste anti-glont, manusi de protectie cu rezistenta exceptionala la taiere, izolatoare de fire, fringhii de diferite dimensiuni, cabluri, in aplicatii de frictiune( este un inlocuitor de inalta performanta pentru materiale de ranforsare cum ar fi : azbest, fibre de sticla, metalice si materiale similare), vele de yacht, conuri de difuzor, si recent chiar lame de elicopter.

Manusi de lucru din kevlar Sunt de obicei folosite in mediu industrial sa de fabricatie. Acestea sunt utilizzate de catre professionisti, cu mar scafandri, macelasi, pescari, bucatari si orice industrie care are nevose de echipamente de securitate excelente. Fibra de kevlar va opri cutite si suprafete fierbinti inainte de a forma un prejudiciu utilizatorului. Aceste mansi nu se vor topi, prende pe foc si nu vor conduce electricitatea. Un alt sector care utilizeaza mansi folosind kevlar este domeniul mecanicii. Purtatea manusilor salveaza accidentale la atingerea motoarelor extrem de fierbinti. fi in

Generarea de electricitate 18

Kevlarul a fost folosit de cercetatorii de la Institutul Tehnoligic din Georgia, ca textil de baz pentru un experiment n haine producatoare de energie electric. Acest lucru a fost realizat prin eserea nanofirelor de oxid de zinc n material. Daca va avea succes, noul material va genera aproximativ 80 de miliwati pe metru ptrat.

19

9. Bibliografie:

Contributii privind realizarea din materiale compozite cu matrice polimerica a unor elemente de structura, Bogdan Comaneci, edit. Printech, 2006 Fibre de Armare pentru Materialele Compozite, LUPESCU, Mihai Bogdan Technical guide-Kevlar (Kevlar aramid fiber), DuPont http://inventors.about.com www.utgjiu.ro http://en.wikipedia.org/wiki/kevlar www.armyacademy.ro/reviste www.aectra.ro/fise_pdf/kevlar www.descopera.ro www.pescuitul.ro

20