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Kunststoffe zum Kennenlernen

Die technische und kommerzielle Entwicklung von Kevlar®


Die Entwicklung von Kevlar® ist ein gutes Beispiel dafür, wie eine Laborentdeckung zu kommerzieller Reife gebracht wird. Ein solcher Entwicklungsprozess ist mit vielen unterschiedlichen Schwierigkeiten verbunden, und es dauert lange Zeit, bis ein fertiges Produkt zum Kauf angeboten werden kann.
 

Die Entdeckung

1965 machte die Forscherin Stephanie Kwolek (Informationen über diese Frau bekommt Ihr hier - auf Englisch!) in der Forschungsabteilung der Firma Du Pont eine interessante Entdeckung: para-Aminobenzoesäure ließ sich unter bestimmten Bedingungen polymerisieren, was zu einem kettensteifen Polymer führt.

erste Kevlarsynthese

Dieses Polymer ließ sich zu einer Faser spinnen, die stabiler war, als alle synthetischen Fasern die man bislang kannte. Die Ursachen liegen in der molekularen Struktur der Substanz. In Lösung bilden sich flüssigkristalline Bereiche und beim Spinnen der Substanz ordnen sich diese so an, dass die Polymerketten alle parallel zueinander angeordnet sind. Doch hier zeigte sich schon das erste Problem bei der Weiterentwicklung: Das Ausgangsprodukt para-Aminobenzoesäure ist zu teuer, die neue Faser wäre nicht zu bezahlen.
 

Forschung und Entwicklung

Durch intensives Forschen stieß man auf eine Möglichkeit, mit billigeren Ausgangsprodukten eine ähnliche Faser herzustellen. Die Copolymerisation von para-Phenylendiamin und Terephthalsäure führt zu einem Produkt mit ähnlichen Eigenschaften.
 

Synthese von Kevlar

Allerdings erhält man die besten Eigenschaften nur beim Einsatz von konzentrierter Schwefelsäure als Lösungsmittel zum Spinnen. Als die Forscher zum ersten Mal mit den Ingenieuren sprachen, die für den Bau der Produktionsfabrik zuständig waren, schüttelten diese nur die Köpfe.
 

Produktion im großtechnischen Maßstab

Die Menge an benötigter Schwefelsäure konnte zwar reduziert werden, aber sie wird noch immer für den Spinnprozess benötigt. Sie wird danach zu Gips (Caciumsulfat) weiterverarbeitet und verkauft. Ein zweites Problem ergab sich durch das Lösungsmittel, in welchem die Polymerisation stattfindet. Die Substanz HMPA (Hexamethylphosphorsäretriamid) stellte sich nach eingehenden Untersuchungen als krebserregend heraus, was viele teure Sicherheitsvorkehrungen in der zu errichtenden Fabrik zur Folge gehabt hätte. Nach weiterer Forschungsarbeit fand man in einer Kombination aus Calciumchlorid und N-Methyl-Pyrrolidon ein Ersatz-Lösungsmittel. Jedoch muss die Polymerisation jetzt in einem speziell konstruierten Reaktor ablaufen.
 

Lösungsmittel

Der Prozess von der Entdeckung der Substanz zur Entwicklung einer kommerziellen Produktionsstätte dauerte mehrere Jahrzehnte. Viele Forscherinnen und Forscher aus unterschiedlichen Wissenschaftsdisziplinen waren daran beteiligt. Dies verdeutlicht, dass es mit der Entdeckung eines Phänomens im Labor nicht getan ist. Die Entwicklung der wissenschaftlichen Entdeckung zu einem Produkt, aus welchem sich dann Anwendungen herstellen lassen ist ebenso schwierig und umfangreich.

(nach: D. Tanner, J.A. Fitzgerald, B. R. Phillips, Progress in rubber technology 5: 229-251, 1989)

Im Internet sind viele Seiten von Firmen vertreten, die Produkte aus Kevlar herstellen.

Die Firmen Wenonah und Swift stellen beispielsweise Kanus her. Vielleicht kennt ihr auch Snowboards der Firma Built, oder die Firma ACE die eine elektrische Gitarre aus Kevlar anbietet.
Die außerordentliche Stabilität des Materials macht man sich auch beim Bau von Motorrad-Schutzbekleidung und Eishockey-Schutzhelmen zu Nutze.
Da sich das Material zu Fasern spinnen lässt, hat es auch optimale Eigenschaften zur Verwendung in kugelsicheren Westen.
Man kann das Material auch als Rohprodukt zur Weiterverarbeitung zu unterschiedlichsten Produkten erwerben. Die Firmen AMI-THERM und Fibreglast bieten solche Waren an. Natürlich kann man das Produkt auch bei der Firma Du Pont kaufen, die es nach einer langen Entwicklungsphase als erste auf den Markt brachte.

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