technika
Autor: Edgar Bortel | dodano: 2012-10-18
Dlaczego kevlar jest taki mocny?

Odpowiada prof. dr hab. Edgar Bortel z Wydziału Chemii Uni­wersytetu Jagiellońskiego:

Kevlar nie koroduje, nie pali się, w przeliczeniu na jednostkę masy ma pięć-sześć razy większą odporność na zerwanie niż stal i jest mocniejszy niż włókna szklane i węglowe. Jak to możliwe? Materiał ten należy do gatunku polimerów aromatycznych, poliamidów, i chemicy nadali mu nazwę poli (p-fenylotereftalanoamid). Jego pre­kursor był wynaleziony w latach trzydziestych nylon, a różnica między tymi dwoma materiałami polega na tym, że w kevlarze grupy amidowe tworzą łańcuch, w którym ogniwami są pierścienie fenolowe, a nie ugrupowa­nia alifatyczne.

Wytrzymałość kevlaru jest spowodowana specyficznym ułożeniem cząsteczek – powstaje z nich symetryczny łańcuch z ogniwami leżącymi na linii prostej. Ale jed­nocześnie ta niezwykle cenna cecha sprawia ogromne trudności i na początku uniemożliwiała komercjalizację nowego materiału. Kevlar bowiem topi się w tempera­turze powyżej 400°C i nie rozpuszcza w rozpuszczalni­kach organicznych, przez co nie daje się formować z nie-go włókien klasyczną metodą przędzenia ze stopu.

Problem ten rozwiązał kierowany przez Stephanie Kwo­lek nieduży zespół badaczy z amerykańskiego koncernu DuPont w drugiej połowie lat sześćdziesiątych: naukow­cy odkryli, że kevlar rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym. Makrocząsteczki rozpuszczonego kevlaru przyjmują charakterystyczną strukturę pałeczek, pod­czas gdy inne roztopione poliamidy formują się w kłęb­ki. W stojącym naczyniu pałeczki układają się chaotycz­nie, jednak kiedy uformować z nich strumień, wszystkie ustawiają się z nurtem jak bale drewna spławiane rze­ką i przylegając do siebie, tworzą wiązki. Po usunięciu kwasu siarkowego wiązki te nie rozpadają się.

Dlaczego właściwie kevlar występuje w roztworze w postaci pałeczek? Wynika to ze struktury jego łańcuchów, które są silnie skonjugowane wewnętrznie: wiązanie podwójne w łańcuchu oddzielone jest od drugiego wiązania podwójnego lub od wolnej pary elektronów (np. na atomie azotu) wiąza­niem pojedynczym. Dochodzi wówczas do rozłożenia, „rozsmarowania” elektro­nów i powstania wiązań, które zapobiega-ją rotacji fragmentów łańcucha względem siebie. W efekcie zamiast kłębków formują się sztywne, ściśle do siebie przylegające (dzięki siłom van der Waalsa) pałeczki.

Ten supermocny polimer ma wiele za­stosowań – z przędzonego kevlaru robi się m.in. hełmy, kamizelki kuloodporne i liny, a nieprzędzony materiał coraz częściej jest wykorzystywany w przemyśle moto­ryzacyjnym i lotniczym.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 04/2006 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
23
W 2003 r. miało miejsce całkowite zaćmienie Słońca widoczne w Australii, Nowej Zelandii, Antarktyce i Ameryce Południowej.
Warto przeczytać
Historia Polski pełna jest mitów, półprawd, przemilczeń i niedomówień. Różne jej wątki bywały w ciągu wieków retuszowane, poprawiane i wygładzane, by w końcu przybrać postać miłej dla ucha opowieści – stawały się narodowymi mitami.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Edgar Bortel | dodano: 2012-10-18
Dlaczego kevlar jest taki mocny?

Odpowiada prof. dr hab. Edgar Bortel z Wydziału Chemii Uni­wersytetu Jagiellońskiego:

Kevlar nie koroduje, nie pali się, w przeliczeniu na jednostkę masy ma pięć-sześć razy większą odporność na zerwanie niż stal i jest mocniejszy niż włókna szklane i węglowe. Jak to możliwe? Materiał ten należy do gatunku polimerów aromatycznych, poliamidów, i chemicy nadali mu nazwę poli (p-fenylotereftalanoamid). Jego pre­kursor był wynaleziony w latach trzydziestych nylon, a różnica między tymi dwoma materiałami polega na tym, że w kevlarze grupy amidowe tworzą łańcuch, w którym ogniwami są pierścienie fenolowe, a nie ugrupowa­nia alifatyczne.

Wytrzymałość kevlaru jest spowodowana specyficznym ułożeniem cząsteczek – powstaje z nich symetryczny łańcuch z ogniwami leżącymi na linii prostej. Ale jed­nocześnie ta niezwykle cenna cecha sprawia ogromne trudności i na początku uniemożliwiała komercjalizację nowego materiału. Kevlar bowiem topi się w tempera­turze powyżej 400°C i nie rozpuszcza w rozpuszczalni­kach organicznych, przez co nie daje się formować z nie-go włókien klasyczną metodą przędzenia ze stopu.

Problem ten rozwiązał kierowany przez Stephanie Kwo­lek nieduży zespół badaczy z amerykańskiego koncernu DuPont w drugiej połowie lat sześćdziesiątych: naukow­cy odkryli, że kevlar rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym. Makrocząsteczki rozpuszczonego kevlaru przyjmują charakterystyczną strukturę pałeczek, pod­czas gdy inne roztopione poliamidy formują się w kłęb­ki. W stojącym naczyniu pałeczki układają się chaotycz­nie, jednak kiedy uformować z nich strumień, wszystkie ustawiają się z nurtem jak bale drewna spławiane rze­ką i przylegając do siebie, tworzą wiązki. Po usunięciu kwasu siarkowego wiązki te nie rozpadają się.

Dlaczego właściwie kevlar występuje w roztworze w postaci pałeczek? Wynika to ze struktury jego łańcuchów, które są silnie skonjugowane wewnętrznie: wiązanie podwójne w łańcuchu oddzielone jest od drugiego wiązania podwójnego lub od wolnej pary elektronów (np. na atomie azotu) wiąza­niem pojedynczym. Dochodzi wówczas do rozłożenia, „rozsmarowania” elektro­nów i powstania wiązań, które zapobiega-ją rotacji fragmentów łańcucha względem siebie. W efekcie zamiast kłębków formują się sztywne, ściśle do siebie przylegające (dzięki siłom van der Waalsa) pałeczki.

Ten supermocny polimer ma wiele za­stosowań – z przędzonego kevlaru robi się m.in. hełmy, kamizelki kuloodporne i liny, a nieprzędzony materiał coraz częściej jest wykorzystywany w przemyśle moto­ryzacyjnym i lotniczym.