Il kevlar è una fibra sintetica famosa per avere un'ottima resistenza meccanica alla trazione, tanto da essere utilizzata per realizzare abbigliamento protettivo – come ad esempio nei giubbotti antiproiettile. Ma come è fatto? E quali sono le sue proprietà? In questo articolo vediamo come è stato scoperto, com'è fatto dal punto di vista chimico e quali sono le sue principali applicazioni.
Breve storia del kevlar
Nel 1964 la chimica statunitense Stephanie Louise Kwolek, insieme al suo team di ricerca dell'azienda chimica DuPont, lavorava alla sintesi di una fibra leggera ma resistente, da utilizzare come rinforzo negli pneumatici. Già all'epoca infatti si cercavano materiali resistenti ma leggeri da poter usare nelle automobili per abbassarne il consumo (veicoli più leggeri consumano meno benzina).
La scoperta è casuale, infatti durante gli esperimenti di laboratorio, vengono fatte reagire due molecole chiamare monomeri, la 1,4-fenilendiammina e il cloruro di tereftaloile. Possiamo paragonare i monomeri a due anelli di colori diversi: nel momento in cui questi anelli si legano tra di loro, formano una catena bicolore che in chimica prende il nome di polimero.
Nello specifico Stephanie ottiene da questa reazione un polimero aromatico detta poliammide di colore giallo oro: il Kevlar.
L'insieme di tanti polimeri intrecciati tra loro formano una fibra: questa nuova fibra scoperta dimostrò fin da subito di avere ottime proprietà tecniche – che a breve vedremo – e per questo motivo venne brevettata nel 1973.
Struttura e proprietà
Vediamo più approfonditamente com'è composto il kevlar. Abbiamo visto che il punto di partenza per ottenerlo è la reazione fra due monomeri chiamati fenilendiammina e cloruro di tereftaloile. La caratteristica chimica dei monomeri è che si combinano fra di loro creando delle molecole molto grandi chiamate polimeri. Nel caso del Kevlar, i due monomeri di partenza fanno parte della famiglia dei monomeri aromatici, ovvero se osserviamo la struttura della molecola, notiamo che ci sono degli anelli esagonali.
Questi due monomeri aromatici, combinandosi fra loro tramite una reazione chiamata polimerizzazione per condensazione, danno vita al nostra macromolecola di Kevlar.
Immaginiamoci la macromolecola di Kevlar come un filo molto lungo: tra una catena e l'altra (tra un filo e l'altro) ci sono dei legami molto forti detti a ponte idrogeno. Questo particolare tipo di legami tiene insieme queste catene e fa in modo che questa impalcatura sia molto difficile da smontare; questo si traduce in una elevatissima resistenza.
La resistenza del kevlar riguarda non solo la capacità di resistere agli urti (una proprietà nota come tenacità), ma anche la capacità di resistere ad elevate temperature fino ai 350°C.
Altre proprietà interessanti del Kevlar sono la sua resistenza alle fiamme, l'elevata capacità di assorbimento delle vibrazioni, un coefficiente di espansione termica negativo (si restringe all'aumentare della temperatura) e infine la sua leggerezza.
Tutte queste caratteristiche rendono il kevlar il candidato perfetto per importanti applicazioni.
Applicazioni del kevlar
Principalmente il kevlar viene utilizzato come fibra di rinforzo all'interno dei materiali compositi (creati da una matrice generalmente polimerica e da fibre di rinforzo) per incrementarne le prestazioni ed è proprio per questo che i compositi sono materiali dall'enorme versatilità.
Inizialmente, essendo molto prestante ma anche molto leggero, è stato un ottimo candidato per sostituire l'uso del metallo nella costruzione di aeromobili, permettendo di ottenere un enorme risparmio a parità di prestazioni.
Ad oggi invece è utilizzato in svariati settori con destinazioni d'uso più varie, andando dal settore aerospaziale (tute per astronauti per esempio) al settore automobilistico (telaio, cinghia di distribuzione ecc.) a quello dello sport (pagaie, canoe, attrezzi per sport agonistico).
Fra le applicazioni più note ricordiamo sicuramente quella dei giubbotti antiproiettile dove il Kevlar gioca un ruolo essenziale nella realizzazione di una struttura che sia al contempo morbida, leggera ma molto resistente.
Curiosità: Indovinate com'è fatto il costume di Batman? Esatto, proprio in kevlar!
Ma quanto costa il Kevlar?
Il Kevlar viene di solito commercializzato in tre tipologie: Kevlar 29 (alta tenacità), Kevlar 49 (alto modulo di elasticità) e Kevlar 129 (altissimo modulo di elasticità); ed in diversi formati (nastro, tessuto, tubolare).
Confrontando il prezzo con altri compositi, come ad esempio la fibra di vetro che costa circa 7-8€/mq, notiamo che il Kevlar non è un materiale particolarmente economico, il suo costo si aggira intorno ai 30-50€/mq;
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