Kevlar
Lepoly(p-phénylènetéréphtalamide)(PPD-T) est unpolymèrethermoplastiqueconstitué denoyaux aromatiquesséparés par des groupesamide.Il appartient à la famille desfibresd'aramides.
Le PPD-T est commercialisé sous lenom déposéKevlar.Ce dernier, comme les autresfibres textiles,ne fait pas partie desmatières plastiques.
Histoire[modifier|modifier le code]
En 1964,Stephanie Kwolekest chargée par la sociétéDu Pont de Nemoursde développer un matériau qui pourrait remplacer le cordon en acier noyé dans le caoutchouc des pneus de voiture. En compagnie de Herbert Blades, elle finit par créer accidentellement le Kevlar, une fibre synthétique qui est, finalement, cinq fois plus résistante que l’acier et beaucoup plus légère. De nos jours, le Kevlar est utilisé dans tous les domaines, des instruments de cuisine aux vaisseaux spatiaux.
La société choisit d'appeler ce polymère « Kevlar ». Il fut commercialisé en 1971. Depuis, lebreveta expiré et sont apparus des produits concurrents comme le Twaron deTeijin.
Structure et propriétés[modifier|modifier le code]
Le Kevlar est unefibre synthétiquequi possède de très bonnes propriétés mécaniques en traction (résistance à la rupturede3 100MPaetmoduleentre 70 et125GPa) et fatigue. Il n'est toutefois pas aussi performant que lafibre de carbonequi peut atteindre unerésistance à la tractionde7 000MPa(fibres très haute résistance) et un module de520GPa(fibres très haut module).
Le Kevlar possède un réseau deliaisons hydrogèneentre les chaînes polymères qui lui confère une grande rigidité.
La résistance à la tractionspécifique(rapportée à la densité) est supérieure à celle de l'acier,mais inférieure à celle des fibres de carbone ou duDyneema[1].
Du fait de la présence du groupe phényle dans lamoléculede PPD-T, il n'y a pas libre rotation autour de laliaison carbone-azote,la conformation s-cis est impossible (encombrement stérique). La conformation s-trans est donc la plus généralement observée. Les chaînes sont bien alignées, régulières et orientées. De ce fait, le Kevlar est trèscristallin,ce qui explique sa rigidité (E) et sa résistance à la rupture (σ).
Il existe plusieursgradesde Kevlar: Kevlar, Kevlar 52, Kevlar 49,etc.
- Le Kevlar de base est surtout utilisé pour le renforcement despneumatiqueset d'autres caoutchoucs.
- Le Kevlar 29 est principalement utilisé dans des applications industrielles telles que des câbles, ou bien pour remplacer l'amiante,la doublure de freins, pour le renforcement de la coque d'un bateau, ou encore pour la fabrication desgilets pare-balles.
- Le Kevlar 49 est le grade ayant le plus grand module en traction de tous les aramides. Il est utilisé dans certains plastiques et composites, pour le renforcement de coques et pour la fabrication de certaines pièces d'avions et de cadres de vélos.
Qualités:
- bonne résistance spécifique à la traction[2];
- faible densité (1,45)[2];
- dilatation thermiquenulle[2];
- absorption des vibrations, amortissement[2];
- excellente résistance aux chocs et à la fatigue[2];
- bon comportement chimique vis-à-vis des carburants[2].
Défauts:
- mauvaise résistance aux rayonsUV[2];
- faible tenue en compression[2];
- reprise d'humidité importante (4 %): étuvage avant imprégnation[2];
- perte de sa résistance balistique lorsqu'il est humide;
- faible adhérence avec lesrésinesd'imprégnation[2];
- usinagedifficile[2];
- mauvaise tenue au feu (décomposition à400°C)[2].
Utilisation[modifier|modifier le code]
Le PPD-T possède différentes propriétés intéressantes, telles la résistance à la chaleur (résiste à des températures pouvant aller jusqu'à400°C,il se décompose au-delà)[précision nécessaire],à l'élongation ou aucisaillement.Il est donc utilisé dans de nombreux domaines où ces caractéristiques sont recherchées:
- gilets pare-balles, casques (associé à une ou plusieurs autres fibres telles que lafibre de verreou de carbone) (tissage + résistance);
- montures de lunettes;
- renforts de vêtements plus ou moins importants en fonction de la personne;
- voiles et coques de bateaux (résistance à l'élongation et aux solutions alcalines);
- domaine aéronautique, aérospatial (ailes d'avions…);
- matériel sportif (patinage de vitesse,snowboard,monoski,ski,canoë-kayak,escrime,raquettesou cordage,pelote basque,aviron,etc.);
- pneumatiques (résistance au cisaillement);
- jonglage: lesjongleursde feu utilisent le PPD-T sur leur matériel, par exemple les torches, bâtons du diable, bolas,etc.Ce matériau, trempé dans dupétroledésaromatisé est résistant et peut être enflammé un grand nombre de fois avant d'être remplacé. Certains jongleurs utilisent des gants en PPD-T pour jongler aux balles (pratique peu répandue). Il est également utilisé pour fabriquer des vêtements protecteurs (pull-overs, T-shirts, robes, pantalons), pour lescracheurs de feu(également appelés dragons), autres artistes et cascadeurs. Vendu au mètre, on l'enroule autour du matériel réservé à cet usage et on le fixe avec desvis;
- bâtiment: le PPD-T est utilisé pour les bâtiments de haute sécurité (par exemple lePentagoneauxÉtats-Unis);
- Hi-Fi: pour la membrane de certains haut-parleurs;
- téléphonie: le Motorola RAZR et leOnePlus 2sont habillés de fibre Kevlar;
- musique: certaines courroies de pédales degrosse caissesont en fibre Kevlar ainsi que des membranes detambourstels que lesdjembes;
- sapeurs-pompiers: certaines bouteilles d'air ont un revêtement en Kevlar;
- prothèses: on utilise le PPD-T pour réaliser certaines emboîtures de hanche.
- Travaux forestiers: les pantalons de bucheronnage ont une doublure intérieure faite de plusieurs couches de Kevlar tissé qui arrêtent la chaîne d'une tronçonneuse en mouvement.
Gilet pare-balles[modifier|modifier le code]
Avant lesannées 1970,la plupart desgilets pare-ballesétaient enacierce qui les rendait lourds et encombrants. L'apparition du Kevlar de la sociétéDu Ponta permis le développement d'un nouveau type de gilet pare-balles flexible et beaucoup plus léger, ce matériau étant aussi plus résistant que l'acier[3].Ce matériau était cependant prévu à l'origine pour le renforcement de pneus, et ses réelles capacités antibalistiques étaient inconnues. Le grand potentiel de ce nouveau polymère poussa le National Institute of Justice américain à effectuer des recherches divisées en quatre phases. La première consista à tester la fibre de Kevlar afin de découvrir si elle pouvait arrêter uneballe.La seconde consistait à trouver quelle épaisseur de Kevlar était nécessaire selon la vitesse et le type de projectile. Cette phase permit ainsi la création du premier prototype pouvant protéger contre les principales menaces des policiers de l'époque, soit les calibres.38 Specialet.22 Long Rifle.
En 1973, des chercheurs de l'Arsenal Edgewood de l'armée américaine développèrent un gilet pare-balles fait de sept couches de Kevlar pour essai sur le terrain. Ces essais permirent de mettre en évidence la grande perte de résistance du Kevlar lorsque celui-ci était mouillé ou exposé aux ultraviolets, y compris via la simple exposition au Soleil. De plus, les agents de nettoyage à sec ainsi que lesagents de blanchimentdiminuaient également les propriétés antibalistiques du Kevlar après plusieurs utilisations. Afin de régler ces problèmes, les gilets pare-balles sont maintenant recouverts d'un matériau étanche à l'eau, résistant aux UV et aux agents de nettoyage.
Synthèse[modifier|modifier le code]
La synthèse du poly(p-phénylènetéréphtalamide) consiste en lapolycondensationdup-phénylènediamine(PPD) (ou sonchlorhydrate) et du chlorure detéréphtaloyle,en milieusolvantéet à très basse température.
Notes et références[modifier|modifier le code]
- La fibre du Dyneema (polyéthylène) est moins dense (d~0,97) que la fibre en Kevlar (d~1,45).
- Maurice Reyne,Technologie des composites,2eéd.,Éd. Hermes, 1998.
- Tomic, Sacha. Plus solide que l'acier. InLa science des sixties.Paris: Belin, 2014. p. 85-86.
