Kevlar a jeho využitie

Moderný svet so sebou prináša výzvy, aké príroda nikdy nepredvídala. Neustály vývoj prirodzene zvýšil dopyt po výrobe silných a odolných syntetických materiálov. Jedným z takýchto materiálov je aj kevlar – revolučné syntetické vlákno, ktoré posúva hranice možného už od roku 1968. Čo je to kevlar, aké má vlastnosti, kde sa používa a prečo má v živote človeka také významné miesto, sa dozviete v článku.

Čo je kevlar a aké má vlastnosti?

Kevlar je mimoriadne všestranný a pevný druh syntetického materiálu s množstvom zaujímavých vlastností a širokým využitím v praxi. Patrí medzi para-aramidové vlákna a vyznačuje sa vysokou pevnosťou v ťahu pri nízkej špecifickej hmotnosti, porovnateľnej už len s uhlíkovými vláknami. Je charakteristický vynikajúcou tepelnou odolnosťou a výbornou tuhosťou, čo ho samé o sebe predurčuje k širokej škále uplatnenia v praxi.

Vďaka veľmi pevným väzbám a paralelným zarovnaním svojich molekúl, ktoré sú navzájom zosieťované vodíkovými väzbami, je kevlar nepriestrelný a poskytuje silnú ochrannú bariéru proti oderu, prepichnutiu a prerezaniu. Vlákna kevlaru sú ohňovzdorné a chránia pred tepelnými rizikami. Kevlar je odolný voči korózii, nevodivý a odolný voči väčšine chemikálií okrem veľmi silných kyselín a zásad. Je tiež ultra ľahký a päť krát pevnejší ako oceľ. Zle však odoláva ultrafialovému žiareniu a vlhkosti.

Jeho molekulárny vzorec je [-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n. 

Relatívna hustota je 1,44 g/cm3, ťažná pevnosť vlákien dosahuje 20-21 cN/dtex (modul pevnosti 3,6-4,1 GPa), pri 160 °C sa znižuje pevnosť o 10 %, pri 450 °C sublimuje.

Vynález, ktorý zmenil svet

Dalo by sa povedať, že tento revolučný materiál vznikol tak trochu aj vďaka náhode. Vynálezkyňou tohto unikátneho vlákna je americká vedkyňa Stephanie Kwolek.  Pôsobila ako chemička vo firme DuPont - v jednej z najväčších firiem v oblasti spracovania polymérov, ktorá sa tesne pred druhou svetovou vojnou preslávila patentom na nylon.

V roku 1964 začala Stephanie pracovať na zlepšení výroby polymérnych látok s tyčovou štruktúrou s cieľom nahradenia relatívne ťažkých oceľových výstuží v pneumatikách áut vhodnejším a ľahším polymérom. Po dlhom skúmaní vytvorila na tú dobu neobvykle vyzerajúce riešenie v podobe prvých aramidových vlákien, ktoré si v roku 1968 nechala patentovať. Samotné vlákno pod obchodnou značkou kevlar uviedla na trh firma DuPont v roku 1971. 

Od svojho objavu prešiel kevlar vývojom a od roku 1988 je k dispozícii už jeho druhá generácia. Pôvodná skupina produktov nesie označenia K29 a K49. Kevlar je v súčasnosti dostupný v niekoľkých verziách:

• K29 – viacúčelová priadza
• K49 – vysoko modulový typ priadze
• K100 – výrobcom farbený kevlar 
• K119 – kevlarové priadze s vyššou ťažnosťou a flexibilitou
• K129 – ľahký, vysokovýkonný typ priadzí 
• Kevlar AP - vlákno novej generácie, ktoré ponúka pokročilý výkon, hodnotu a zvýšenú flexibilitu dizajnu v mnohých aplikáciách
• Kevlar KM2 - tkanina, ktorá spĺňa výkonnostné požiadavky na prilby a vesty pre vojenské zložky

Svoje vlastnosti si kevlar zachováva aj po opakovanom namáhaní. Čiastočne to možno pripísať na vrub jeho vnútornej štruktúre (ako sú jeho molekuly prirodzene usporiadané v pravidelných a rovnobežných líniách) a čiastočne spôsobu, akým sa z neho vyrábajú vlákna.

Spôsob výroby

Kevlarové vlákno sa vyrába zvlákňovaním taveniny parafenylendiaminu a tereftalyol chlorid (PPD-T), ktorá konštantnou rýchlosťou a pod vysokým tlakom prechádza cez zvlákňovaciu trysku, kde potom tuhne do tvaru vlákna v prúde chladného vzduchu. Spriadacia zostava následne spradie jednotlivé vlákna na kontinuálne spradenú priadzu. Tá sa navije na cievky a ďalej potom upravuje na ďalšie použitie v praxi.

Kevlar sa vyrába v niekoľkých modifikáciách a dodáva sa vo forme vlákna, striže, vločiek alebo tkaniny.

Najčastejšie využitie kevlaru

Jedinečné vlastnosti kevlaru umožňujú jeho uplatnenie v nespočetnom množstve oblastí a dalo by sa tiež povedať, že nové aplikácie jeho použitia prichádzajú takmer denne.

Extrémna pevnosť a odolnosť voči teplu ho napríklad predurčujú na použitie v automobilovom, námornom či leteckom priemysle, predovšetkým pri výrobe karosérií áut, leteckých komponentov, brzdového obloženia, trupov lodí alebo pretekárskych pneumatík.

Uplatnenie kevlar nachádza aj v ťažobnom priemysle, používa sa na výrobu dopravníkových pásov na vynášanie rudy, čím výrazne zlepšuje výkon a efektívnosť nákladov.

Tento materiál poznajú aj športovci, nakoľko je súčasťou početného športového vybavenia (tenisové rakety, chrániče, hokejky, lyže, siete, trekingové plášte a podobne).

Pri debate o kevlare nemožno v žiadnom prípade opomenúť ani motocyklistov, aj ich totižto na cestách sprevádza kevlar, tentokrát v podobe kevlarovej tkaniny. Ich najobľúbenejším prvkom sú kevlarové rifle, kevlarové kombinézy, rukavice či helmy. Výhoda kevlarových nohavíc sa prejaví predovšetkým pri páde a následnom kĺzaní, kde sa kontaktné plochy zohrievajú aj na viac ako 200 stupňov. V takejto situácii je odolný a pevný kevlar čistým požehnaním.

Kevlarová tkanina sa vo veľkom aplikuje tiež pri výrobe ochranných pomôcok a odevov. Typickým príkladom sú pracovné a hasičské uniformy, policajné uniformy či kompletný armádny výstroj. Z tohto materiálu so schopnosťou odolať aj náročnejším podmienkam sa dnes už bežne zhotovujú ohňovzdorné topánky, kevlarové rukavice, ochranné tvárové masky, vesty, helmy, chrániče či celé kombinézy. Zaujímavosťou tiež je, že rukavice z kevlaru majú v porovnaní s tými koženými až 5x vyššiu odolnosť voči prerezaniu.

Nepriestrelná vesta z kevlaru

Jednoznačne najvýraznejšie a najužitočnejšie využitie kevlaru nastalo pri výrobe kevlarovej vesty. Kevlar je totižto jeden z mála materiálov, ktorý doslova zachraňuje ľudské životy a nejeden príslušník armády, bezpečnostného personálu či policajného zboru sa už o tom mohol presvedčiť na vlastnej koži. 

Súčasná generácia moderných nepriestrelných kevlarových viest už vie poskytnúť svojim nositeľom okrem ochrany pred vysokorýchlostnými strelami aj relatívne vysoký komfort nosenia.  

Princíp nepriestrelnosti vesty funguje zjednodušene asi takto: 

Vesta je ušitá z niekoľkých vrstiev kevlaru, ktoré sú medzi sebou pevne spojené. Kevlarové vlákna absorbujú kinetickú energiu striel, čo znižuje schopnosť strely preniknúť do tela. Bez dostatočnej penetračnej sily sa následne guľky stanú neškodnými.

V okamihu, keď guľka alebo akýkoľvek iný vysokorýchlostný projektil zasiahne kevlar, vlákna doslova projektil zadržia, pričom rozptýlia jeho kinetickú energiu, ktorú potom absorbujú do seba. Guľka sa tak ocitá v pavučine pevných vlákien, ktorých úlohou je pohltiť a rozptýliť energiu nárazu. Dodatočnú energiu absorbuje každá nasledujúca vrstva materiálu vo veste, až kým sa guľka celkom nezastaví. Tento proces uľahčuje aj pomerne veľká plocha odevu, čo sa osvedčilo pri eliminácii takzvanej tupej traumy (poranenia vnútorných orgánov silou nárazu, nie preniknutou guľkou).

A čo dodať na záver? Spôsoby využitia tohto priam zázračného vynálezu sú zdá sa nekonečné a my sa už nevieme dočkať, čo ďalšie nám tento objav prinesie.