Kevlar - Kevlar
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| Nomes | |
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Nome IUPAC
Poli (azanediil-1,4-fenileneazanodiiltereftaloil)
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| Identificadores | |
| ChemSpider | |
| Propriedades | |
| [-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n | |
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Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). |
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 verificar (o que é ?)
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| Referências da Infobox | |
Kevlar (para-aramida) é uma fibra sintética forte e resistente ao calor , relacionada a outras aramidas como Nomex e Technora . Desenvolvido por Stephanie Kwolek na DuPont em 1965, o material de alta resistência foi usado pela primeira vez comercialmente no início dos anos 1970 como substituto do aço em pneus de corrida. É tipicamente fiado em cordas ou folhas de tecido que podem ser usadas como tal, ou como um ingrediente em componentes de material composto.
O Kevlar tem muitas aplicações, desde pneus de bicicleta e velas de corrida até coletes à prova de balas , tudo devido à sua alta relação resistência à tração / peso ; por essa medida, é cinco vezes mais forte do que o aço. Ele também é usado para fazer peles de marcha modernas que resistem a alto impacto. Ele também é usado para cabos de amarração e outras aplicações subaquáticas.
Uma fibra semelhante chamada Twaron com a mesma estrutura química foi desenvolvida pela Akzo na década de 1970; a produção comercial começou em 1986 e o Twaron agora é fabricado pela Teijin .
História
A poli-parafenileno tereftalamida (K29) - com a marca Kevlar - foi inventada pela química americana Stephanie Kwolek enquanto trabalhava para a DuPont, em antecipação a uma escassez de gasolina. Em 1964, seu grupo começou a pesquisar uma nova fibra leve e forte para usar em pneus leves, mas fortes. Os polímeros com os quais ela trabalhava na época, poli-p-fenileno-tereftalato e polibenzamida, formavam cristais líquidos em solução, algo único para aqueles polímeros da época.
A solução era "turva, opalescente ao ser agitada e de baixa viscosidade " e geralmente era jogada fora. No entanto, Kwolek convenceu o técnico, Charles Smullen, que dirigia a fieira , a testar sua solução e ficou surpreso ao descobrir que a fibra não quebrou, ao contrário do náilon . Seu supervisor e diretor de laboratório compreenderam a importância de sua descoberta e um novo campo da química de polímeros surgiu rapidamente. Em 1971, o Kevlar moderno foi introduzido. No entanto, Kwolek não estava muito envolvido no desenvolvimento das aplicações do Kevlar. O Kevlar 149 foi inventado pelo Dr. Jacob Lahijani da Dupont na década de 1980.
Produção
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Kevlar é sintetizado em solução a partir dos monómeros 1,4- fenileno -di amina ( para -fenilenodiamina ) e cloreto de tereftaloílo em uma reacção de condensação dando origem a ácido clorídrico como subproduto. O resultado tem comportamento líquido-cristalino , e o desenho mecânico orienta as cadeias poliméricas na direção da fibra. Hexametilfosforamida (HMPA) foi o solvente inicialmente utilizado para a polimerização , mas por razões de segurança, a DuPont o substituiu por uma solução de N -metil-pirrolidona e cloreto de cálcio. Como esse processo foi patenteado pela Akzo (veja acima) na produção de Twaron , uma guerra de patentes se seguiu.
A produção de Kevlar é cara devido às dificuldades decorrentes do uso de ácido sulfúrico concentrado , necessário para manter o polímero insolúvel em água em solução durante sua síntese e fiação .
Vários graus de Kevlar estão disponíveis:
- Kevlar K-29 - em aplicações industriais, como cabos, reposição de amianto , pneus e lonas de freio.
- Kevlar K49 - módulo alto usado em produtos de cabo e corda.
- Kevlar K100 - versão colorida de Kevlar
- Kevlar K119 - maior alongamento, flexível e mais resistente à fadiga
- Kevlar K129 - maior tenacidade para aplicações balísticas
- Kevlar K149 - maior tenacidade para aplicações balísticas, blindadas e aeroespaciais
- Kevlar AP - resistência à tração 15% maior do que K-29
- Kevlar XP - combinação de resina mais leve e KM2 mais fibra
- Kevlar KM2 - resistência balística aprimorada para aplicações de armadura
O componente ultravioleta da luz solar degrada e decompõe o Kevlar, um problema conhecido como degradação dos raios ultravioleta , e por isso raramente é usado ao ar livre sem proteção contra a luz solar.
Estrutura e propriedades
Quando o Kevlar é girado , a fibra resultante tem uma resistência à tração de cerca de 3.620 MPa (525.000 psi) e uma densidade relativa de 1,44 (0,052 lb / in 3 ). O polímero deve sua alta resistência às muitas ligações entre cadeias. Essas ligações de hidrogênio inter-moleculares se formam entre os grupos carbonila e os centros NH . Força adicional é derivada de interações de empilhamento aromático entre fios adjacentes. Essas interações têm uma influência maior no Kevlar do que as interações de van der Waals e o comprimento da cadeia que normalmente influenciam as propriedades de outros polímeros e fibras sintéticas, como o polietileno de ultra-alto peso molecular . A presença de sais e algumas outras impurezas, especialmente cálcio , podem interferir nas interações dos filamentos e deve-se tomar cuidado para evitar a inclusão em sua produção. A estrutura do Kevlar consiste em moléculas relativamente rígidas que tendem a formar estruturas semelhantes a folhas planas, como a proteína da seda .
Propriedades térmicas
Kevlar mantém sua força e resiliência até temperaturas criogênicas (−196 ° C (−320,8 ° F)); na verdade, é um pouco mais forte em baixas temperaturas. Em temperaturas mais altas, a resistência à tração é imediatamente reduzida em cerca de 10–20% e, após algumas horas, a resistência reduz progressivamente ainda mais. Por exemplo: suportando 160 ° C (320 ° F) por 500 horas, sua resistência é reduzida em cerca de 10%; e suportando 260 ° C (500 ° F) por 70 horas, sua resistência é reduzida em cerca de 50%.
Formulários
Ciência
Kevlar é frequentemente usado no campo da criogenia por sua baixa condutividade térmica e alta resistência em relação a outros materiais para fins de suspensão . É mais frequentemente usado para suspender um invólucro de sal paramagnético de um mandril de ímã supercondutor , a fim de minimizar qualquer vazamento de calor para o material paramagnético. Ele também é usado como um afastamento térmico ou suporte estrutural onde vazamentos de calor baixos são desejados.
Uma janela fina de Kevlar foi usada pelo experimento NA48 no CERN para separar um recipiente a vácuo de um recipiente quase à pressão atmosférica, ambos com 192 cm (76 pol.) De diâmetro. A janela forneceu estanqueidade a vácuo combinada com uma quantidade razoavelmente pequena de material (apenas 0,3% a 0,4% do comprimento de radiação ).
Proteção
Kevlar é um componente bem conhecido da armadura pessoal , como capacetes de combate , máscaras faciais e coletes balísticos . O capacete e colete PASGT usados pelas forças militares dos Estados Unidos usam o Kevlar como um componente-chave em sua construção. Outros usos militares incluem máscaras faciais à prova de balas e protetores contra estilhaços usados para proteger as tripulações de veículos blindados de combate . Os porta- aviões da classe Nimitz usam reforço de Kevlar em áreas vitais. As aplicações civis incluem: uniformes de alta resistência ao calor usados pelos bombeiros, armaduras corporais usadas pelos policiais, segurança e equipes táticas da polícia, como a SWAT .
Kevlar é usado para fabricar luvas, mangas, jaquetas, polainas e outros artigos de vestuário projetados para proteger os usuários de cortes, abrasões e calor. Os equipamentos de proteção à base de Kevlar costumam ser consideravelmente mais leves e finos do que os equipamentos equivalentes feitos de materiais mais tradicionais.
É utilizado em roupas de segurança para motociclistas , principalmente nas áreas com acolchoamento, como ombros e cotovelos. Na esgrima é utilizado nas jaquetas de proteção, calças, plastrões e no babador das máscaras. É cada vez mais utilizado no peto , forro acolchoado que protege os cavalos dos picadores na praça de touros. Os patinadores de velocidade também costumam usar uma camada inferior de tecido Kevlar para evitar possíveis ferimentos causados pelos patins em caso de queda ou colisão.
Esporte
No kyudo , ou tiro com arco japonês , pode ser usado como uma alternativa ao cânhamo mais caro para as cordas do arco . É um dos principais materiais utilizados nas linhas de suspensão de parapente . É usado como revestimento interno de alguns pneus de bicicleta para evitar furos. No tênis de mesa , lonas de Kevlar são adicionadas às lâminas personalizadas, ou remos, para aumentar o salto e reduzir o peso. Às vezes, as raquetes de tênis são amarradas com Kevlar. É usado em velas para barcos de corrida de alto desempenho.
Em 2013, com os avanços da tecnologia, a Nike usou o Kevlar em calçados pela primeira vez. Ela lançou a série Elite II, com melhorias em sua versão anterior de tênis de basquete , usando Kevlar na parte anterior e também nos cadarços . Isso foi feito para diminuir a elasticidade da ponta do sapato em contraste com o náilon usado convencionalmente, pois o Kevlar se expandiu em cerca de 1% contra o náilon que se expandiu em cerca de 30%. Os sapatos nesta gama incluíam LeBron, HyperDunk e Zoom Kobe VII. No entanto, esses tênis foram lançados com uma faixa de preço muito superior ao custo médio dos tênis de basquete. Também foi usado nos atacadores da chuteira Adidas F50 adiZero Prime.
Várias empresas, incluindo a Continental AG , fabricam pneus para bicicletas com Kevlar para proteção contra furos.
Pneus de bicicleta com talão dobrável, introduzidos no ciclismo por Tom Ritchey em 1984, usam o Kevlar como talão no lugar do aço para redução de peso e resistência. Um efeito colateral do talão dobrável é a redução na prateleira e no espaço necessário para exibir pneus de bicicleta em um ambiente de varejo, já que são dobrados e colocados em pequenas caixas.
Música
Descobriu-se também que o Kevlar tem propriedades acústicas úteis para cones de alto-falantes , especificamente para unidades de acionamento de graves e médios. Além disso, o Kevlar tem sido usado como um membro forte em cabos de fibra óptica, como os usados para transmissões de dados de áudio.
Kevlar pode ser usado como um núcleo acústico em arcos para instrumentos de cordas . As propriedades físicas do Kevlar fornecem força, flexibilidade e estabilidade para o usuário do arco. Até o momento, o único fabricante desse tipo de arco é a CodaBow .
Kevlar também é usado atualmente como um material para cordões de cauda (também conhecidos como ajustadores de arremate), que conectam o arremate ao pino final de instrumentos de cordas arqueadas .
Kevlar às vezes é usado como material em tambores de caixa em marcha. Isso permite uma quantidade extremamente alta de tensão, resultando em um som mais limpo. Geralmente, uma resina é derramada sobre o Kevlar para tornar a cabeça hermética e uma camada superior de náilon para fornecer uma superfície plana de impacto. Este é um dos principais tipos de cabeçotes de caixa em marcha. O patch Falam Slam do Remo é feito com Kevlar e é usado para reforçar as cabeças do bumbo onde o batedor bate.
Kevlar é usado nas palhetas de sopro de Fibracell. O material desses juncos é um composto de materiais aeroespaciais projetados para duplicar a maneira como a natureza constrói o junco. Fibras de Kevlar muito rígidas, mas com absorção de som, são suspensas em uma formulação de resina leve.
Veículos motorizados
O Kevlar às vezes é usado em componentes estruturais de carros, especialmente carros de alto desempenho como o Ferrari F40 .
A fibra picada tem sido usada como substituto do amianto em pastilhas de freio . Na verdade, as aramidas liberam um nível mais baixo de fibras transportadas pelo ar do que os freios de amianto . As fibras de amianto são conhecidas por suas propriedades cancerígenas.
Outros usos
Os pavios para adereços de dança do fogo são feitos de materiais compostos com Kevlar neles. O Kevlar por si só não absorve muito bem o combustível, por isso é misturado com outros materiais, como fibra de vidro ou algodão . A alta resistência ao calor do Kevlar permite que as mechas sejam reutilizadas muitas vezes.
O Kevlar às vezes é usado como substituto do Teflon em algumas frigideiras antiaderentes.
A fibra de Kevlar é usada em cordas e cabos, onde as fibras são mantidas paralelas dentro de uma manga de polietileno . Os cabos foram usados em pontes suspensas , como a ponte de Aberfeldy, na Escócia . Eles também têm sido usados para estabilizar torres de resfriamento de concreto rachado por aplicação circunferencial seguida de tensionamento para fechar as rachaduras. O Kevlar é amplamente utilizado como uma capa externa de proteção para cabos de fibra óptica , pois sua resistência protege o cabo de danos e dobras. Quando usado nesta aplicação, é comumente conhecido pelo nome de marca registrada Parafil.
Kevlar foi usado por cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia como uma base têxtil para um experimento em roupas para produção de eletricidade. Isso foi feito entrelaçando nanofios de óxido de zinco no tecido. Se for bem-sucedido, o novo tecido gerará cerca de 80 miliwatts por metro quadrado.
Um teto retrátil de mais de 60.000 pés quadrados (5.600 m 2 ) de Kevlar foi uma parte importante do projeto do Estádio Olímpico de Montreal para os Jogos Olímpicos de Verão de 1976 . Foi espetacularmente malsucedido, pois foi concluído com 10 anos de atraso e substituído apenas 10 anos depois, em maio de 1998, após uma série de problemas.
O Kevlar pode ser encontrado como uma camada de reforço em juntas de expansão de fole de borracha e mangueiras de borracha , para uso em aplicações de alta temperatura e por sua alta resistência. Ele também é encontrado como uma camada trançada usada na parte externa dos conjuntos de mangueiras, para adicionar proteção contra objetos pontiagudos.
Alguns telefones celulares (incluindo a família Motorola RAZR , o Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 e Pocophone F1 ) possuem uma placa traseira em Kevlar, escolhida entre outros materiais, como fibra de carbono, devido à sua resiliência e falta de interferência na transmissão do sinal.
Os materiais compostos de fibra de Kevlar / matriz epóxi podem ser usados em turbinas de corrente marítima (MCT) ou turbinas eólicas devido à sua alta resistência específica e peso leve em comparação com outras fibras.
Materiais compostos
As fibras de aramida são amplamente utilizadas para reforçar materiais compostos, muitas vezes em combinação com fibra de carbono e fibra de vidro . A matriz para compósitos de alto desempenho geralmente é a resina epóxi . Aplicações típicas incluem monocoque corpos para F1 carros de corrida , helicóptero lâminas do rotor, ténis , ténis de mesa , badminton e de squash raquetes , caiaques , bastões de críquete e hóquei em campo , hóquei no gelo e lacrosse varas.
Kevlar 149, a fibra mais forte e mais cristalina na estrutura, é uma alternativa em certas partes da construção de aeronaves. O bordo de ataque da asa é uma aplicação, o Kevlar sendo menos propenso do que o carbono ou a fibra de vidro a quebrar em colisões de pássaros.