Çelikten Daha Güçlü Sentetik Lifler

Kimya bölümünden mezun olan Stephanie Kwolek, çocukluğundan beri hayalini kurduğu tıp alanında okuyabilmek için para biriktirmek istiyordu. Bu parayı toplamak için Dupont firmasında geçici olarak işe başladı. Ancak yaptığı işi çok sevince tıp hedefinden vazgeçti ve kariyerine Dupont’ta devam etmeye karar verdi.

Polimer alanında araştırmalar yapan Kwolek, 1965 yılında otomobil lastiklerinde kullanılabilecek yeni malzemeler üzerinde çalışmaya başladı. Amacı dayanıklı ve hafif lifler üretmekti. Bu nedenle poliamit bazlı polimerler sentezliyordu. Sentezlediği polimerlerden elyaf üretilebilmesi için de polimerlerin çözeltisini hazırlıyordu. Hazırladığı çözeltiler arasında akışkanlığı suya benzeyen bulanık sıvı, diğer polimerlerle hazırladıklarından farklıydı. Aslında bu düşük viskositeli (sıvının akmaya karşı gösterdiği direnç), bulanık çözelti daha sonraki işlemler için pek de uygun görünmüyordu. Hatta bu nedenle çözeltiyi elyafa çevirme işlemini gerçekleştirecek teknisyen, cihaza zarar verir çekincesiyle bu örneği denemek istemese de Kwolek çalışmalarına bu polimerle devam etme konusunda kararlıydı. Kwolek teknisyeni ikna etti ve lifler hazırlandı. Sonuç ikisi için de şaşırtıcıydı. Bu bulanık çözeltiden elde edilen lifler o zamana kadar üretilenlerden çok daha dayanıklıydı. Emin olmak için deneyler defalarca tekrarlandı ve sonuç değişmedi. Kwolek’in sentezlediği bu polimer Kevlar ticari adıyla şirketin en önemli ürünleri arasına girdi. Ardından farklı şirketlerin patentlediği benzer yapıda polimerler üretilmeye başlandı.

Sentetik olan, yani doğada bulunmayan, ancak laboratuvar ortamında sentezlenebilen bu polimerler, amin ve asit klorür tepkimesinden oluşur. Yapılarında amit bağları ve benzen halkaları vardır. Bu nedenle aromatik poliamit ya da diğer bir ifadeyle aramid grubunda yer alırlar. Aramid aslında bir naylon türevidir, ancak yapısı nedeniyle naylonun diğer türevlerinden sertlik, darbeye ve ısıya karşı dayanıklılık gibi özellikler açısından farklılıklar gösterir.

Aramid polimerler, amit gruplarının benzen halkalarına bağlandıkları konuma göre sınıflara ayrılır. Amit gruplarının para pozisyonunda yani birbirine en uzak konumda bulundukları aramidlerde, bir diğer ifadeyle para aramid bileşiklerde amit gruplarının bu yerleşimi polimer zincirleri arasında hidrojen bağları oluşmasını sağlar, böylece kristal yapıya sahip olan bu polimerler aynı ağırlıktaki çelikten yaklaşık beş kat daha güçlü hale gelir. Elektrik iletkenliği de düşük olan bu lifler yüksek sıcaklığa ve kimyasal maddelere karşı çok dayanıklıdır.

Bu polimerler, kurşun geçirmez yelekler başta olmak üzere balistik koruma ürünlerinde yaygın olarak kullanılır. Kurşun geçirmez yelekler polimer liflerinin birbirine sıkıca geçtiği birkaç katmandan üretilir. Mermi yüzeye çarptığında darbenin olduğu noktadan başlayan ve merminin hızına bağlı olarak değişen bir şok dalgası meydana gelir. Mermi, enerjisinin büyük bölümünü temas ettiği liflere aktarır. Bu etkiyle liflerin yapısında gerilme, çekme gibi değişimler olur ve bu sayede enerjinin büyük miktarı emilir. Hızı kesilen mermi zemine takılır. Yeleğin alt tabakasında kalan lifler ise mermi ile doğrudan temas etmez. Böylece merminin darbe enerjisi geniş bir alana yayılarak noktasal etkisini kaybeder ve vücuda girmesi engellenir.

Şimdiye kadar pek çok kişinin hayatını kurtaran bu polimerlerden sadece balistik koruma ürünleri değil yanmayan giysilerden paraşütlere, fiber optik kablolardan spor malzemelerine kadar farklı ürünler üretilebiliyor.

Ancak aramid lifleri morötesi ışın altında bozulabiliyor, nemden etkilenebiliyor, kolay  kesilemiyor ve işlenemiyor. Bütün bu dezavantajlarına rağmen diğer sentetik polimerlere göre üstün özellikler taşıyan bu polimerler güvenlik, otomobil, spor ve benzeri pek çok sektörde yaygın olarak kullanılıyor.

Kaynaklar:

• Kilbiy, J. ve ark., “Inventors and Inventions”, Marshall Cavendish Corporation, New York, 2008.
• http://www.rsc.org/chemistryworld/podcast/CIIEcompounds/transcripts/kevlar.asp
• http://www.dupont.com/products-and-services/fabrics-fibers-nonwovens/fibers/brands/kevlar.html
• http://www.scientificamerican.com/article/what-makes-kevlar-so-stro/