Die moderne Welt bringt Herausforderungen mit sich, die die Natur nie vorhergesehen hat. Die stetige Entwicklung hat naturgemäß die Nachfrage nach der Herstellung starker und widerstandsfähiger synthetischer Materialien erhöht. Eines dieser Materialien ist auch Kevlar – eine revolutionäre synthetische Faser, die die Grenzen des Möglichen bereits seit 1968 verschiebt. Was Kevlar ist, welche Eigenschaften es hat, wo es eingesetzt wird und warum es im Leben des Menschen einen so wichtigen Platz einnimmt, erfahren Sie in diesem Artikel.
Was ist Kevlar und welche Eigenschaften hat es?
Kevlar ist eine äußerst vielseitige und feste Art von synthetischem Material mit zahlreichen interessanten Eigenschaften und einem breiten Einsatzspektrum in der Praxis. Es gehört zu den Para-Aramidfasern und zeichnet sich durch hohe Zugfestigkeit bei geringem spezifischem Gewicht aus, vergleichbar nur noch mit Kohlefasern. Es ist durch ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und hervorragende Steifheit gekennzeichnet, was es allein schon für ein breites Anwendungsspektrum in der Praxis prädestiniert.
Dank sehr fester Bindungen und der parallelen Ausrichtung seiner Moleküle, die untereinander durch Wasserstoffbrücken vernetzt sind, ist Kevlar schusssicher und bietet eine starke Schutzbarriere gegen Abrieb, Durchstich und Schnitt. Die Kevlarfasern sind feuerfest und schützen vor thermischen Risiken. Kevlar ist korrosionsbeständig, nicht leitend und beständig gegenüber den meisten Chemikalien, mit Ausnahme sehr starker Säuren und Laugen. Es ist außerdem ultra-leicht und fünfmal fester als Stahl. Es widersteht jedoch schlecht ultravioletter Strahlung und Feuchtigkeit.
Seine Molekülformel lautet [-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n.
Die relative Dichte beträgt 1,44 g/cm3, die Zugfestigkeit der Fasern erreicht 20-21 cN/dtex (Festigkeitsmodul 3,6-4,1 GPa), bei 160 °C sinkt die Festigkeit um 10 %, bei 450 °C sublimiert es.
Eine Erfindung, die die Welt veränderte
Man könnte sagen, dass dieses revolutionäre Material auch ein wenig dem Zufall zu verdanken ist. Die Erfinderin dieser einzigartigen Faser ist die amerikanische Wissenschaftlerin Stephanie Kwolek. Sie arbeitete als Chemikerin bei der Firma DuPont – einer der größten Firmen im Bereich der Polymerverarbeitung, die kurz vor dem Zweiten Weltkrieg durch das Patent für Nylon berühmt wurde.
Im Jahr 1964 begann Stephanie an der Verbesserung der Herstellung von Polymerstoffen mit stabförmiger Struktur zu arbeiten, mit dem Ziel, die relativ schweren Stahlverstärkungen in Autoreifen durch ein geeigneteres und leichteres Polymer zu ersetzen. Nach langer Forschung entwickelte sie eine für die damalige Zeit ungewöhnlich aussehende Lösung in Form der ersten Aramidfasern, die sie sich im Jahr 1968 patentieren ließ. Die Faser selbst brachte die Firma DuPont im Jahr 1971 unter der Handelsmarke Kevlar auf den Markt.
Seit seiner Entdeckung hat Kevlar eine Entwicklung durchlaufen, und seit dem Jahr 1988 ist bereits seine zweite Generation verfügbar. Die ursprüngliche Produktgruppe trägt die Bezeichnungen K29 und K49. Kevlar ist derzeit in mehreren Versionen erhältlich:
- K29 – Mehrzweckgarn
- K49 – hochmodulare Garnart
- K100 – werkseitig gefärbtes Kevlar
- K119 – Kevlargarne mit höherer Dehnbarkeit und Flexibilität
- K129 – leichter, hochleistungsfähiger Garntyp
- Kevlar AP - Faser der neuen Generation, die fortschrittliche Leistung, Wert und erhöhte Design-Flexibilität in vielen Anwendungen bietet
- Kevlar KM2 - Gewebe, das die Leistungsanforderungen für Helme und Westen für militärische Einheiten erfüllt
Kevlar behält seine Eigenschaften auch nach wiederholter Belastung. Teilweise ist dies auf seine innere Struktur zurückzuführen (wie seine Moleküle natürlich in regelmäßigen und parallelen Linien angeordnet sind) und teilweise auf die Art und Weise, wie daraus Fasern hergestellt werden.
Herstellungsweise
Die Kevlarfaser wird durch Verspinnen der Schmelze aus Paraphenylendiamin und Terephthaloylchlorid (PPD-T) hergestellt, die mit konstanter Geschwindigkeit und unter hohem Druck durch eine Spinndüse gepresst wird, wo sie dann im Kaltluftstrom zur Faser erstarrt. Die Spinnanlage verspinnt anschließend die einzelnen Fasern zu einem kontinuierlich gesponnenen Garn. Dieses wird auf Spulen aufgewickelt und danach für die weitere praktische Verwendung aufbereitet.
Kevlar wird in mehreren Modifikationen hergestellt und in Form von Faser, Stapelfaser, Flocken oder Gewebe geliefert.
Häufigste Verwendung von Kevlar
Die einzigartigen Eigenschaften von Kevlar ermöglichen seinen Einsatz in unzähligen Bereichen, und man könnte auch sagen, dass fast täglich neue Anwendungen hinzukommen.
Extreme Festigkeit und Hitzebeständigkeit prädestinieren ihn beispielsweise für den Einsatz in der Automobil-, Schiffs- oder Luftfahrtindustrie, vor allem bei der Herstellung von Autokarosserien, Luftfahrtkomponenten, Bremsbelägen, Schiffsrümpfen oder Rennreifen.
Kevlar findet auch in der Bergbauindustrie Anwendung, er wird zur Herstellung von Förderbändern für den Erztransport verwendet, wodurch die Leistung und Kosteneffizienz deutlich verbessert wird.
Dieses Material kennen auch Sportler, da es Bestandteil zahlreicher Sportausrüstung ist (Tennisschläger, Schoner, Hockeyschläger, Skier, Netze, Trekkingjacken und Ähnliches).
Bei der Diskussion über Kevlar dürfen auch Motorradfahrer keinesfalls unerwähnt bleiben, denn auch sie werden auf ihren Fahrten von Kevlar begleitet, in diesem Fall in Form von Kevlargewebe. Ihre beliebtesten Elemente sind Kevlar-Jeans, Kevlar-Kombinationen, Handschuhe oder Helme. Der Vorteil von Kevlarhosen zeigt sich vor allem bei einem Sturz und dem anschließenden Rutschen, bei dem sich die Kontaktflächen auf mehr als 200 Grad erhitzen. In einer solchen Situation ist das widerstandsfähige und feste Kevlar ein wahrer Segen.
Kevlargewebe wird auch in großem Umfang bei der Herstellung von Schutzausrüstung und Bekleidung eingesetzt. Ein typisches Beispiel sind Arbeits- und Feuerwehruniformen, Polizeiuniformen oder die komplette Militärausrüstung. Aus diesem Material mit der Fähigkeit, auch anspruchsvolleren Bedingungen zu widerstehen, werden heute bereits ganz selbstverständlich feuerfeste Schuhe, Kevlar-Handschuhe, Schutzgesichtsmasken, Westen, Helme, Schoner oder komplette Kombinationen hergestellt. Interessant ist auch, dass Handschuhe aus Kevlar im Vergleich zu Lederhandschuhen eine bis zu 5-mal höhere Schnittfestigkeit aufweisen.
Kugelsichere Weste aus Kevlar
Eindeutig die bedeutendste und nützlichste Verwendung von Kevlar erfolgte bei der Herstellung der Kevlarweste. Kevlar ist nämlich eines der wenigen Materialien, das buchstäblich Menschenleben rettet, und so mancher Angehörige der Armee, des Sicherheitspersonals oder der Polizei konnte sich davon bereits am eigenen Leib überzeugen.
Die aktuelle Generation moderner kugelsicherer Kevlarwesten kann ihren Trägern neben dem Schutz vor Hochgeschwindigkeitsgeschossen bereits einen relativ hohen Tragekomfort bieten.
Das Prinzip der Schusssicherheit der Weste funktioniert vereinfacht ungefähr so:
Die Weste ist aus mehreren Schichten Kevlar genäht, die fest miteinander verbunden sind. Die Kevlarfasern absorbieren die kinetische Energie der Geschosse, was die Fähigkeit des Geschosses, in den Körper einzudringen, verringert. Ohne ausreichende Durchschlagskraft werden die Kugeln dadurch unschädlich.
In dem Moment, in dem eine Kugel oder ein anderes Hochgeschwindigkeitsprojektil auf den Kevlar trifft, halten die Fasern das Projektil buchstäblich zurück, wobei sie dessen kinetische Energie streuen und diese anschließend in sich absorbieren. Die Kugel befindet sich somit in einem Netz aus festen Fasern, deren Aufgabe es ist, die Aufprallenergie aufzunehmen und zu streuen. Die zusätzliche Energie wird von jeder weiteren Schicht des Materials in der Weste absorbiert, bis die Kugel vollständig zum Stillstand kommt. Diesen Prozess erleichtert auch die relativ große Fläche des Kleidungsstücks, was sich bei der Vermeidung des sogenannten stumpfen Traumas (Verletzungen der inneren Organe durch die Aufprallkraft, nicht durch die eindringende Kugel) bewährt hat.
Und was bleibt abschließend zu sagen? Die Einsatzmöglichkeiten dieser geradezu wundersamen Erfindung scheinen schier endlos zu sein, und wir können es kaum erwarten, was uns diese Entdeckung noch bringen wird.
