Kevlar

På begynnelsen av 1960-tallet hadde det amerikanske firmaet DuPont en avdeling som jobbet med nye polymerer for bruk i blant annet slitesterke bildekk. Slike polymerløsninger er ofte seige og oppfører seg litt som gjennomsiktig sirup. En av forskerne der, Stephanie Kwolek, oppdaget i 1965 at en av polymerløsningen var mindre viskøs enn vanlig og oppførte seg mer som blakket vann, og kollegaen Herbert Blades fikk spunnet polymerfibrer av væsken. Etter hvert fant man ut at fibrene laget av denne polyaromatiske amid-polymeren var svært slitesterke og lette, og i 1971 ble varemerket Kevlar kommersielt lansert av DuPont. I ettertid har det kommet flere lignende produkter på markedet, blant annet Twaron produsert av det japanske firmaet Teijin.

Kevlar består av fibertråder laget av polyamider, der monomerene er bygd opp av fenylgrupper (C₆H₅) og amidgrupper (O=C-N) som bindes sammen på en slik måte at strukturen strekker seg godt ut. Man sier at amidgruppene er bundet til para-orienterte fenylgrupper, derav navnet poly-para-fenyl-tereftalamid. Dette i motsetning til poly-meta-fenyl-tereftalamid, der amidgruppene er bundet til meta-orienterte fenylgrupper. Selv om begge er aramider, og derfor tåler høye temperaturer og er slitesterke, vil strukturen i para-aramider som Kevlar tillate dannelse av væskelignende krystaller i mye større grad enn i meta-aramider, noe som bidrar til Kevlar sine ekstra sterke mekaniske egenskaper. Når Kevlar lages, oppstår en opplinjering av polymerkjedene på grunn av hydrogenbindinger, som fører til en lagvis inndeling som tillater videre oppstabling i en tett og sterk struktur.

Kevlar har en massetetthet på omtrent 1440 kg/m³, og er derfor en relativt tett polymer. Kevlar kommer i en rekke ulike varianter, der elastisitet og bruddfasthet varierer avhengig av bruk. For eksempel vil Kevlar 49, som brukes i kabler og sportsutstyr, gjerne ha en lavere strekkfasthet enn Kevlar 129, som brukes i beskyttelsesutstyr. En typisk strekkfasthet for Kevlar i beskyttelsesutstyr er på rundt 3.4-3.6 GPa, noe som gjør at forholdet mellom strekkfasthet og massetetthet er flere ganger større enn det hos stål.

Typisk kan ikke et prosjektil trenge mer enn noen få centimeter inn i menneskelig vev før uopprettelig skade forårsakes, og dermed er det ofte krav til at man må bruke opp mot 20-50 lag med tekstil for å oppnå den nødvendige tykkelsen som kreves for tilstrekkelig beskyttelse mot høyhastighets-prosjektiler. Forskning har vist at dersom man impregnerer Kevlar med skjærtykkende ikke-newtonske væsker, så vil materialet kunne absorbere opptil flere ganger mer energi når et prosjektil treffer. Dette betyr igjen at man kan bruke færre lag og tynnere vester for å oppnå nødvendig tykkelse på beskyttelsesvesten.

I noen tilfeller er masse en viktig komponent i beskyttelsesutstyr, og da kan andre typer polymerfibre med lavere massetetthet være mer hensiktsmessige enn Kevlar. Fibre laget av polyetylen med ultrahøy molekylmasse (opptil mange millioner) har en massetetthet rundt 970 kg/m³ men omtrent samme bruddfasthet som Kevlar, og har vist seg å fungere i beskyttelsesutstyr.

Som de fleste andre polymerer, har Kevlar noen begrensende egenskaper. For det første begynner Kevlar-fibre å dekomponere rundt 500 ^◦C, noe som betyr at man ikke kan utsette det for alt for høye temperaturer. Kevlar mister også styrke dersom det utsettes for UV-stråling over tid.

• polymerer
• aramider
• polyetylen

• Y.S. Lee, E.D. Wetzel, N.J. Wagner (2003). «The ballistic impact characteristics of Kevlar woven fabrics impregnated with a colloidal shear thickening fluid». Journal of Materials Science, Vol. 38, 2825-2833 (2003)
• U. Mawkhlieng, A. Majumdar and A. Laha (2020). «A review of fibrous materials for soft body armour applications». RSC Advances, Vol. 10, 1066-1086 (2020).