Материал «Кевлар»
Совсем недавно, 18 июня 2014 года на 90 году жизни в США скончалась Стефани Кволек. Известна она тем, что во время работы в химической компании DuPont, группа, которой она руководила изобрела материал, известный как кевлар.
Автор статьи — Саид Лутфуллин
Кевлар – торговая марка полимера, который называется «пара-арамид».
Арамид – это английская аббревиатура, которая при расшифровке переводится: «ароматический полиамид». Разберем название: амид – органические соединения, в строении которых есть группа:
Ароматический – значит в строении есть бензольное кольцо. Приставка «поли-» говорит нам о том, что соединение относится к полимерам. Выглядит этот полимер вот так:
Пунктиром обозначены слабые водородные связи между цепями полимера. Как мы видим заместители у бензольного кольца находятся в пара-положении (что отражено в названии: пара-арамид).
Кевлар – это очень интересное вещество.
- оно в несколько раз прочнее стали,
- сохраняет прочность при очень низких температурах, а при высоких (при том очень высоких: около 400˚) разлагается, не плавится,
- и при том, он относительно легкий.
Эти качества и позволяют использовать кевлар для производства непрокалываемых шин, бронежилетов, сверхпрочных тросов и прочих изделий, для которых такое качества как прочность является ключевым.
Что обеспечивает прочность этого материала?
Чтобы объяснить свойства органического вещества, нужно обращаться к его химическому строению.
Полимеры, как и низкомолекулярные вещества могут быть аморфными и кристаллическими. В амфотерных полимерах – цепи лежат, как бог на душу положит. В кристаллических есть порядок. Кристаллические полимеры, как и вообще все кристаллические вещества, отличаются от полимеров как раз прочностью и высокими температурами плавления. Кевлар – кристаллический полимер. Более компактной упаковке нитей полимера способствует транс-строение арамида:
Сравните:
При цис- строении радикалы расположены по одну сторону от связи (C–N) и между радикалами образуется угол. При транс- строении радикалы расположены по разным сторонам от связи (C–N). Радикалы параллельны друг другу, цепь не загибается, а ложится прямой линией, поэтому и упаковываются такие нити более компактно.
Поэтому другие полиамиды и не отличаются прочностью: в цепях структурные звенья встречаются как цис- так и транс- строения. Но вот с арамидами дела обстоят иначе: почти вся цепь имеет транс- строение. Чтобы понять почему, достаточно представить, что произойдет с цепью, если транс- строение перейдет в цис-:
Тогда между двумя бензольными кольцами возникают электростатические силы отталкивания. Поэтому такое строение не выгодно и молекула арамида почти целиком транс- строения.
Материал Кевлар – это пара-арамид.
Компания DuPont так же выпускает мета-арамид:
Его торговое название Номекс. Он используется как огнеупорный компонент, тоже прочный. Из смеси номекса и кевлара изготавливают огнеупорную одежду.
