Кевлар

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Биография Кволек

История открытия

Области применения кевлара

Использованные ресурсы

Введение

За всю историю войн наиболее остро стоял вопрос защиты жизни солдата. Стальные доспехи, кожаные куртки - все это сразу стало архаизмом после изобретения стрелкового оружия. Мировые оружейные мастерские начали усиленно искать материалы способные отразить или хотя бы уменьшить смертоносное действие пуль и снарядов. Проблема состояла в том, что традиционные стальные пластины были слишком тяжелы и малоэффективны.

Появление новых пластических материалов стало едва ли не панацеей для, казалось бы, забуксовавшего процесса развития пассивной защиты. Но и тут разработчикам пришлось долго помучиться, прежде чем был подобран идеальный состав и технология получения сверхударопрочного пластика. Проблему решили параарамидные нити.

Биография Кволек

Стефани Луиза Кволек (31 июля 1923, Нью-Кенсингтон, Пенсильвания) - американский химик польского происхождения, которая изобрела полипарафенилен-терефталамид, более известный как кевлар. Кволек завоевала множество наград за свои работы в химии полимеров.

Ранние годы и образование

Кволек родилась в Нью-Кенсингтоне, Пенсильвания, в 1923 году. Её отец, Джон Кволек, умер, когда ей было десять лет. Кволек переняла от него интерес к науке, а от матери, Нелли Зайдел Кволек, интерес к моде. В 1946 году Кволек получила степень в области химии в колледже Маргарет Моррисон Карнеги. Кволек планировала стать врачом и надеялась, что сможет скопить денег на медицинское образование за счёт подработок в химической области.

Карьера в DuPont

В 1946 году Уильям Хейл Чарч, будущий наставник Кволек, едва познакомившись с ней, предложил ей должность в филиале DuPont, находившемся в Буффало, штат Нью-Йорк. Хотя Кволек думала только о временной подработке в DuPont, со временем она нашла эту работу достаточно интересной, и отказалась от медицинской карьеры. Кволек переехала в Уилмингтон, штат Делавэр в 1950 году и продолжила работу в DuPont. В 1959 году она получила награду от Американского химического общества (ACS).

Кевлар

Во время работы в компании DuPont Кволек изобрела кевлар. В 1964 году, в ожидании нефтяного дефицита, её группа начала искать лёгкое, но прочное волокно, которое бы использовалось в шинах. Получившееся волокно, в отличие от нейлона, не было ломким. Руководитель и директор лаборатории понимали значение этого открытия и внесли свой вклад в развитие новой области химии полимеров, которая стала затем быстро развиваться. К 1971 году был получен современный кевлар. Кволек, однако, не принимала активного участия в разработке способов применения кевлара и изделий из него.

Пенсия

В 1986 году Кволек ушла с поста научного сотрудника компании DuPont. Тем не менее, она до сих пор консультирует компанию DuPont, а также состоит в Национальном исследовательском совете и Национальной академии наук. За 40 лет работы ученым-исследователем она получила по разным данным от 17 до 28 патентов. В 1995 году она стала четвёртой женщиной, которые была принята в Национальный зал славы изобретателей. В 1996 году она получила Национальную медаль технологии, а в 2003 году она была принята в Национальный зал славы женщин. В 1997 году она получила медаль Перкина от Американского химического общества, а в 1980 году награду от него же за «Творческое изобретение».

История открытия

Мирное начало

Создание сверхлегких и прочных бронежилетов, как и многие переломные открытия, произошло «непреднамеренно». Наиболее активно исследованием сверхпрочных полимерных материалов занимался научный центр компании «ДюПон». Целью работы ученых была попытка создать альтернативу традиционным металлическим сплавам и материалам. В то время пластиковая индустрия развивалась очень интенсивно, в основном, за счет внедрения новых конструкционных, промышленных и бытовых решений.

Дальнейший рост отрасли представлялся возможным только за счет разработки полимерных аналогов «традиционных» материалов и вытеснением последних из монополизированных сырьевых рынков. В первую очередь, такие задачи ставились относительно изделий из металлов и стали.

Подобные исследования проводились и компанией «ДюПон». Целью было создание полимерных нитей, способных заменить стальной корд в автомобильных шинах. Сырьем для материала-заменителя был выбран полипарафенилентетрафталамин. Полученный материал был назван параарамидом, и компания приступила к физико-механическим исследованиям.

Переломным моментом стали исследования сетки из параарамидных нитей. Во время испытаний была отмечена его повышенная прочность, величина которой на несколько порядков возрастала при увеличении слоев материала. Новый материал получил название Кевлар, после чего компанией «ДюПон» была зарегистрирована одноименная торговая марка.

Это полимер, существующий только и исключительно в форме волокна, - результат почти случайного открытия, сделанного в одной из лабораторий фирмы DuPont. Ведущий исследователь Стефани Кволек почему-то решила вытянуть волокно из раствора, который по всем внешним признакам для этого не подходил.

Но женская интуиция победила 25-летний опыт исследователя, потому что выяснилось, что в процессе вытягивания полимер полностью реорганизовался, цепочки молекул вытянулись вдоль направления волокон и намертво сцепились между собой. Так родилось волокно, из которого теперь во всем мире делают пуленепробиваемые жилеты. 

В детстве Стефани Кволек хотела стать модельером: она самостоятельно придумывала выкройки, а когда матери не было дома, пробиралась к швейной машинке, чтобы сшить кукле очередное платье. Но в 1946 году, окончив Технологический институт Карнеги (ныне Университет Карнеги-Меллон) по специальности «химия», она мечтала о медицине.

Чтобы заработать денег на обучение, Стефани временно поступила на работу в один из ведущих химических концернов, Dupont, широко известный благодаря изобретению нейлона. Атмосфера в исследовательских лабораториях Dupont напоминала университет, да и химия была не менее интересна, чем медицина, и Стефани решила остаться.

В 1964 году в Dupont пытались разработать прочные, но легкие полимерные нити, которые могли бы заменить тяжелый стальной корд в автомобильных шинах (в целях экономии топлива). Группа Стефани Кволек работала с полиарамидами, молекулы которых имеют стержнеобразную форму.

Полимерные волокна обычно изготавливаются путем прядения при выдавливании расплава через тонкие отверстия - фильеры. Однако полиарамид плавится с трудом, и поэтому было решено использовать прядение из раствора. Наконец Стефани удалось подобрать растворитель, но раствор был мутно-опалесцирующим и по своему виду напоминал самогон (вместо того чтобы быть прозрачным и густым, как патока). 

Инженер-прядильщик категорически отказался заливать подобную гадость в машину из-за риска засорить тонкие фильеры. Стефани с большим трудом уговорила его попробовать вытянуть нить из такого раствора. К всеобщему удивлению, нить прекрасно вытягивалась и была исключительно прочной. Полученную пряжу отправили на тестирование.

Когда Стефани Кволек увидела полученные результаты, первой ее мыслью было, что прибор сломался - столь высокими были цифры. Однако повторные измерения подтвердили феноменальные свойства материала: он в несколько раз превосходил сталь по прочности на разрыв.

В 1975 году новый материал, Kevlar, был выпущен на рынок. Сейчас он применяется практически везде: из него делают тросы, кузова автомобилей и катеров, паруса, фюзеляжи самолетов и детали космических кораблей, лыжи и теннисные ракетки. Но тем, что из кевлара делают пуленепробиваемые жилеты для полиции и костюмы пожарных, Стефани Кволек гордится особенно: это (как и другие) применение кевлара помогло спасти миллионы жизней.

Области применения кевлара

Результатами испытаний Кевлара сразу же заинтересовались военные и правительство. Кевлар стали рассматривать как альтернативу дорогим титановым сплавам и недостаточно прочной стали, которые на то время активно применялись в производстве пассивной защиты, в первую очередь, касок и бронежилетов.

Совместно со специалистами оборонных предприятий исследователи из «ДюПон» начали разработку уже конечного продукта - сверхлегкого бронежилета. В 1973 году были произведены первая промышленная партия Кевлара и защитная амуниция на его основе, которая сразу отправилась в район боевых действий на Дальнем Востоке. Таким образом, отправной точкой истории «боевого» Кевлара стала вьетнамская война - американские солдаты первыми испытали «на практике» защитную амуницию из нового материала.

Дебют был блестящим. После первых подсчетов количества убитых солдат, ранений, выполненных боевых задач и сравнений этих показателей с «докевларовыми», департаментом обороны США было принято решение полностью заменить устаревшие титановые и стальные бронежилеты на защиту из Кевлара. Буквально через год примеру американцев последовали и европейские страны.

Причиной такого решения стало повышение эффективности выполнения боевых задач солдатами. Психологическое состояние бойцов, одетых в кевларовые бронежилеты значительно улучшалось. Солдаты стали чувствовать себя более защищенными и больше думать о выполнении боевой задачи, а не о преодолении страха за свою жизнь.

Основы

высокие прочность на растяжение и модуль упругости до предельного растяжения;

низкая термическая усадка и коэффициент теплового расширения, высокая устойчивость к ползучести (при производстве внешней обшивки кабелей это позволяет свести к минимуму изменения длины кабеля при изменениях температуры или перегрузки);

устойчивость к внешним повреждениям;

самогашение;

устойчивость к действию молний и магнитных полей;

легкая обработка на стандартном оборудовании, совместимость с другими композиционными материалами.

Первые бронежилеты из Кевлара изготавливались из 15-20 слоев параарамидной ткани. С тех пор полимерные средства защиты прошли короткий по времени, но очень глубокий по своим результатам путь развития. Было разработано множество новых модификаций параарамидной основы и способов ее получения.

Сейчас компания «ДюПон» уже запускает в производство четвертое поколение Кевлара. Химический состав материала остался прежним, но за счет изменения технологии производства и модификации параарамида с другими материалами удалось улучшить его характеристики, а также придать ему новые свойства.

Одна из последних разработок исследовательского центра «ДюПон» - покрытая слоем поливинилфторида параарамидная ткань, которая выдерживает удары колющего оружия практически любого вида и силы. Пару слоев такого материала невозможно проколоть даже иглой шприца. При этом модифицированный Кевлар сохраняет свою гибкость, и защитные пакеты с ним можно одевать даже под рубашку.

Но не существует ничего безупречного. Если с самим Кевларом у оружейников проблем не возникает, то в процессе изготовления бронежилетов приходится сталкиваться с рядом трудностей. Главная проблема - макроструктура материала. Несмотря на свои «боевые» свойства, Кевлар все же остается гибкой тканью. Через некоторое время из-за неправильного хранения или интенсивной носки бронежилета, кевларовые пакеты могут «оседать» на дно карманов, в которые они зашиты. Но это исключительно техническая проблема, которая решается более прочной фиксацией кевларовых пакетов.

Направления применения Кевлара:

- области, в которых требуется прочность при низком весе: работающие при растяжении элементы, армирование материалов различных матриц, подвергающихся экстремальным термическим воздействиям, или работающих в активной среде;

- области, в которых определяющим являются низкая структурная жесткость и низкий вес;

- области, в которых требуются износостойкость и термическая стабильность.

Такой же технической проблемой является и светочувствительность Кевлара. Под действием ультрафиолетового излучения начинается процесс деструкции параарамидной ткани: Кевлар темнеет на солнце, но это происходит очень медленно и существенно не влияет на общие защитные свойства материала. Из предосторожности кевларовые элементы принято зашивать в плотную ткань.

При правильном хранении свойства Кевлара полностью сохраняются на протяжении 20 лет, в то время как срок годности бронежилетов и касок в Украине и многих других странах не превышает 10 лет, а по стандартам НАТО средства пассивной защиты солдат и офицеров должны меняться каждые пять лет.

На данный момент большинство средств пассивной защиты выпускаются исключительно из Кевлара, кроме того этот материал выбран НАТО в качестве единственной основы для бронежилетов и касок. В Украине лишь миротворческие и международные подразделения оснащены защитной амуницией из Кевлара, остальные армейские подразделения обеспечиваются кевларовыми средствами защиты согласно планам Министерства обороны по переоснащению войск. Так, первая каска из Кевлара в украинской армии появилась в 1996 году.

Единственным сдерживающим фактором для полной «кевларизации» вооруженных сил остается высокая стоимость производства параарамида. Цена Кевлара составляет в среднем 40-50 евро/кг, что, для сравнения, в десять раз дороже стали. Но с другой стороны во многих специфических областях Кевлар остается вне конкуренции, поскольку он в пять раз прочнее стали и устойчив к действию агрессивных сред - щелочи, кислот, высоких и низких температур.

Из армии на спортплощадку

Начав свою «карьеру» в армии, теперь Кевлар стал и «гражданским» материалом. Сейчас параарамидное волокно широко применяют для создания сверхпрочных композиционных материалов в аэрокосмической технике, автомобилестроении и производстве спортивного инвентаря.

Историю Кевлара можно сравнить с историей стали, из которой сейчас ножей делают на порядок меньше, чем тракторов, кораблей и автомобилей, хотя начинала сталь свою «работу» тоже на войне.

Высокая удельная прочность Кевлара нашла свое применение в средствах бытовой и специальной защиты - производствах строительных перчаток, защитной одежды, автомобильных и мотоциклетных шлемов. Из некоторых сортов Кевлара также изготавливают пульпу, которая применяется вместо асбеста в строительстве.

На основе композитов Кевлара изготавливают корпуса и обивку повышенной прочности

Уровень потребления этой ткани в СНГ - около 500 тонн в год. Такой низкий объем вызван малым количеством производств, использующих подобные материалы. Для Украины характерно то, что Кевлар как готовый материал практически не импортируется. Ввозится лишь парарамидное сырье, из которого уже на украинских предприятиях изготавливают нити и волокна. Практически весь спрос на Кевлар обеспечивает завод по изготовлению параарамидных нитей в городе Ирпень (Киевская область).

Вытягивание нитей осуществляется традиционным продавливанием расплавленной полимерной массы через фильеры. Производство параарамидной ткани осуществляется на текстильном оборудовании, адаптированном к специфике материала (в первую очередь, здесь недопустимо сильное натяжение параарамидных нитей между валками, из-за чего нить может потерять свою прочность).

Уровень потребления Кевлара на украинском рынке растет в основном за счет увеличения спроса на специальные кабели, где параарамидные нити используют в качестве усиливающих элементов. Кроме того, в Украине уже налажено производство бронежилетов и касок.

Основным импортером параарамида и Кевлара в Украину является компания «ДюПон». Налаживать выпуск самого параарамида в Украине компания пока не планирует, т.к. украинский рынок, по мнению представителей «ДюПон», растет недостаточно быстрыми темпами, чтобы запуск внутреннего производства можно было считать перспективным.

В настоящее время «ДюПон» тратит больше миллиарда долларов в год на научные исследования, и часть этих денег идет на усовершенствование технологии производства Кевлара и разработки новых сортов сверхпрочного материала - в истории Кевлара еще очень рано ставить точку.

Использованные ресурсы

кволек кевлар бронежилет параарамидный

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Кевлар

2. http://www.cosmovisor.ru/index.php?categoryid=4&p2_articleid=11

3. http://museion.ru/1.5/kevlar.html

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Кволек,_Стефани

Размещено на Allbest.ru