Il mondo moderno porta con sé sfide che la natura non aveva mai previsto. Il continuo sviluppo ha naturalmente aumentato la domanda di produzione di materiali sintetici resistenti e durevoli. Uno di questi materiali è anche il kevlar – una fibra sintetica rivoluzionaria che spinge i confini del possibile già dal 1968. Cosa sia il kevlar, quali proprietà abbia, dove venga utilizzato e perché occupi un posto così importante nella vita dell'uomo, lo scoprirà in questo articolo.
Cos'è il kevlar e quali proprietà ha?
Il kevlar è un tipo di materiale sintetico estremamente versatile e resistente, con numerose proprietà interessanti e un'ampia applicazione pratica. Appartiene alle fibre para-aramidiche e si distingue per un'elevata resistenza alla trazione, a fronte di un basso peso specifico, paragonabile solo alle fibre di carbonio. È caratterizzato da un'eccellente resistenza termica e un'ottima rigidità, il che di per sé lo predestina a un'ampia gamma di applicazioni pratiche.
Grazie ai legami molto forti e all'allineamento parallelo delle sue molecole, che sono reticolate tra loro tramite legami a idrogeno, il kevlar è antiproiettile e offre una solida barriera protettiva contro l'abrasione, la perforazione e il taglio. Le fibre di kevlar sono ignifughe e proteggono dai rischi termici. Il kevlar è resistente alla corrosione, non conduttivo e resistente alla maggior parte delle sostanze chimiche, eccetto agli acidi e alle basi molto forti. È inoltre ultraleggero e cinque volte più resistente dell'acciaio. Resiste tuttavia male alle radiazioni ultraviolette e all'umidità.
La sua formula molecolare è [-CO-C6H4-CO-NH-C6H4-NH-]n.
La densità relativa è 1,44 g/cm3, la resistenza a trazione delle fibre raggiunge 20-21 cN/dtex (modulo di resistenza 3,6-4,1 GPa), a 160 °C la resistenza si riduce del 10 %, a 450 °C sublima.
Un'invenzione che ha cambiato il mondo
Si potrebbe dire che questo materiale rivoluzionario sia nato anche un po' per caso. L'inventrice di questa fibra unica è la scienziata americana Stephanie Kwolek. Ha lavorato come chimica presso l'azienda DuPont - una delle più grandi aziende nel settore della lavorazione dei polimeri, che poco prima della seconda guerra mondiale si è resa famosa per il brevetto del nylon.
Nel 1964 Stephanie ha iniziato a lavorare al miglioramento della produzione di sostanze polimeriche con struttura a bastoncino, con l'obiettivo di sostituire i rinforzi in acciaio relativamente pesanti nei pneumatici delle auto con un polimero più adatto e più leggero. Dopo una lunga ricerca ha creato una soluzione che per l'epoca aveva un aspetto inusuale, sotto forma delle prime fibre aramidiche, che nel 1968 ha fatto brevettare. La fibra stessa, sotto il marchio commerciale kevlar, è stata lanciata sul mercato dall'azienda DuPont nel 1971.
Dalla sua scoperta il kevlar ha subito un'evoluzione e dal 1988 è disponibile già la sua seconda generazione. Il gruppo originale di prodotti porta le denominazioni K29 e K49. Il kevlar è attualmente disponibile in diverse versioni:
- K29 – filato multiuso
- K49 – tipo di filato ad alto modulo
- K100 – kevlar colorato dal produttore
- K119 – filati di kevlar con maggiore allungamento e flessibilità
- K129 – tipo di filati leggero e ad alte prestazioni
- Kevlar AP - fibra di nuova generazione, che offre prestazioni avanzate, valore e flessibilità di design migliorata in molte applicazioni
- Kevlar KM2 - tessuto che soddisfa i requisiti prestazionali per caschi e giubbotti destinati alle forze militari
Il kevlar mantiene le proprie caratteristiche anche dopo sollecitazioni ripetute. Ciò è in parte attribuibile alla sua struttura interna (le sue molecole sono disposte naturalmente in linee regolari e parallele) e in parte al modo in cui vengono prodotte le fibre.
Metodo di produzione
La fibra di kevlar viene prodotta tramite filatura della soluzione fusa di parafenilendiammina e cloruro di tereftaloile (PPD-T), che a velocità costante e sotto alta pressione passa attraverso un ugello di filatura, dove poi solidifica sotto forma di fibra in un flusso di aria fredda. L'unità di filatura riunisce quindi le singole fibre in un filato continuo. Questo viene avvolto su bobine e successivamente lavorato per l'utilizzo pratico.
Il kevlar viene prodotto in diverse modifiche e viene fornito sotto forma di fibra, fiocco, scaglie o tessuto.
L'utilizzo più comune del kevlar
Le proprietà uniche del kevlar ne consentono l'impiego in innumerevoli ambiti e si potrebbe anche dire che nuove applicazioni del suo utilizzo emergono quasi quotidianamente.
La resistenza estrema e la resistenza al calore lo predestinano ad esempio all'utilizzo nell'industria automobilistica, navale o aeronautica, soprattutto nella produzione di carrozzerie di automobili, componenti aeronautici, pastiglie dei freni, scafi di navi o pneumatici da corsa.
Il kevlar trova impiego anche nell'industria mineraria, viene utilizzato per la produzione di nastri trasportatori per il trasporto di minerale, migliorando significativamente le prestazioni e l'efficienza dei costi.
Questo materiale è noto anche agli sportivi, poiché è parte di numerose attrezzature sportive (racchette da tennis, protezioni, bastoni da hockey, sci, reti, mantelle da trekking e simili).
Nel discorso sul kevlar non si può in alcun caso tralasciare i motociclisti, poiché anche loro sono accompagnati dal kevlar sulle strade, questa volta sotto forma di tessuto in kevlar. Il loro elemento preferito sono i jeans in kevlar, le tute in kevlar, i guanti o i caschi. Il vantaggio dei pantaloni in kevlar si manifesta soprattutto in caso di caduta e successivo scivolamento, dove le superfici di contatto si riscaldano anche oltre i 200 gradi. In una simile situazione, il kevlar resistente e robusto è una vera benedizione.
Il tessuto in kevlar viene ampiamente applicato anche nella produzione di dispositivi di protezione e indumenti. Un esempio tipico sono le uniformi da lavoro e antincendio, le uniformi della polizia o l'intera dotazione militare. Da questo materiale, capace di resistere anche a condizioni più impegnative, oggi si realizzano comunemente scarpe ignifughe, guanti in kevlar, maschere protettive per il viso, giubbotti, caschi, protezioni o tute intere. Un fatto interessante è anche che i guanti in kevlar hanno, rispetto a quelli in pelle, una resistenza al taglio fino a 5 volte superiore.
Giubbotto antiproiettile in kevlar
Chiaramente l'utilizzo più significativo e più utile del kevlar si è verificato nella produzione del giubbotto in kevlar. Il kevlar è infatti uno dei pochi materiali che salva letteralmente vite umane, e non pochi membri dell'esercito, del personale di sicurezza o delle forze di polizia hanno già potuto constatarlo sulla propria pelle.
L'attuale generazione di moderni giubbotti antiproiettile in kevlar è già in grado di offrire ai propri utilizzatori, oltre alla protezione dai proiettili ad alta velocità, anche un comfort di utilizzo relativamente elevato.
Il principio dell'antiproiettilità del giubbotto funziona semplificando all'incirca così:
Il giubbotto è cucito con diversi strati di kevlar, saldamente uniti tra loro. Le fibre di kevlar assorbono l'energia cinetica dei proiettili, il che riduce la capacità del proiettile di penetrare nel corpo. Senza una forza di penetrazione sufficiente, i proiettili diventano quindi innocui.
Nel momento in cui un proiettile o qualsiasi altro proiettile ad alta velocità colpisce il kevlar, le fibre trattengono letteralmente il proiettile, disperdendo la sua energia cinetica, che poi assorbono al loro interno. Il proiettile si ritrova così in una ragnatela di fibre resistenti, il cui compito è assorbire e disperdere l'energia dell'impatto. L'energia aggiuntiva viene assorbita da ogni strato successivo di materiale nel giubbotto, finché il proiettile non si arresta completamente. Questo processo è facilitato anche dalla superficie relativamente ampia dell'indumento, che si è dimostrata efficace nell'eliminazione del cosiddetto trauma contusivo (lesioni agli organi interni causate dalla forza dell'impatto, non dalla penetrazione del proiettile).
E cosa aggiungere in conclusione? I modi di utilizzo di questa invenzione quasi miracolosa sembrano infiniti e non vediamo l'ora di scoprire cos'altro ci porterà questa scoperta.
