Прочнее стали
В 1964 году американская ученая (химик) и сотрудница фирмы DuPont Стефани Кволек открыла новый полимер, который отличался необычайными физико-химическими свойствами – при плотности 1,44 г/см3 его прочность была необычайно высокой. Также новый полимер оказался негорючим, самозатухающим, стойким к порезам, устойчив к практически всем видам органических растворителей, сохраняющим свойства при низких температурах длительное время, устойчивым к длительному растяжению, неэлектропроводный и даже нетоксичный! В общем чудо, а не полимер. Назвали его кевларом.
Наименование ИЮПАК: поли-(пара-фенилен)-терефталамид
Кевлар является жесткоцепным ароматическим полиамидом, что и обуславливает его экстремальные физические свойства.
Он сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (−196°C), более того, при низких температурах он даже становится чуть прочнее.
При нагреве не плавится, а разлагается при сравнительно высоких температурах (430—480°C). Температура разложения зависит от скорости нагрева и продолжительности воздействия температуры. При повышенных температурах (более 150°C) прочность кевлара уменьшается с течением времени. Например, при температуре 160°C прочность на разрыв уменьшается на 10—20 % после 500 часов. При 250 °C кевлар теряет 50 % своей прочности за 70 часов.
Получают кевлар низкотемпературной поликонденсацией в среде неполярных апротонных растворителей, таких как N-метилпирролидон, диметилсульфоксид или N,N-диметилацетамид с добавками неорганических солей по реакции:
Однако, получить кевлар как полимер это полдела, очень важно его правильно сформовать.
Для этого полимер осаждают, отмывают от растворителя, нейтрализуют, сушат и растворяют в концентрированной серной кислоте в концентрации необходимой для получения жидкокристаллического раствора. Такой раствор можно формовать в волокна или нити только при температуре около (70-80)°С. Формование полимера находящемся в жидкокристаллическом состоянии и есть тайна его невиданной прочности. Макромолекулы полимера находятся в упорядоченном состоянии уже в растворе и при экстудировании через фильеру занимают строго упорядоченную ориентацию вдоль оси нити.
Кевлар нашел множество применений, такие как корд для шин, защитная одежда металлургов, пожарных и электриков, из него изготавливают высокопрочные канаты для судоходства, он используется в производстве оптико-волоконных кабелей. Отдельно хочется отметить применение кевлара в изготовлении бронежилетов и бронешлемов – в настоящее время большинство современных бронежилетов не обходится без ткани из пара-арамида.
Кевлар стало нарицательным именем для нитей и волокон семейства пара-арамидов. В настоящее время существует множество компаний, производящих пара-арамидные нити из полипарафенилентерефталамида под торговыми марками тварон, херакрон, нью-стар и другие.
В СССР работы по синтезу высокопрочных и высокомодульных полимеров пригодных для переработки в нити проводились тоже. В 70-х годах прошлого столетия группой ученых из ВНИИВ (Всесоюзный научно-исследовательский институт искусственных волокон, г. Мытищи) разработали нить СВМ (СверхВысокоМодульная). Разработчики пошли другим путем и на выходе получили нить по характеристикам превосходящую кевлар. Но это уже другая история..