Fast täglich werden wir mit dem Kriegsgeschehen in der Ukraine und in anderen Teilen dieser Welt konfrontiert, sehen bewegende Bilder von Polizisten und Rettungsleuten bei lebensgefährlichen Einsätzen und erleben Journalistinnen und Journalisten, die in Bild und Ton über all dies berichten.
Um sich in solchen heiklen Situationen so gut wie möglich zu schützen, tragen die betreffenden Personen Schutzkleidung. Ein wichtiger Teil der persönlichen Schutzausrüstung sind beschusshemmende Westen, die umgangssprachlich – nicht ganz korrekt – als kugelsichere Westen oder nach dem chemischen Material, aus denen sie angefertigt wurden, als „Kevlarwesten“ bezeichnet werden (Abb. 1, oben).
Lebensrettende Schutzkleidung, entwickelt von einer Chemikerin
Abb. 2: Stephanie Kwolek (Foto: Science History Institute,Stephanie Kwolek 1986, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons)
Die Entdeckung der polymeren Aramid-Fasern, die viele durch die Handelsnamen Kevlar® und Nomex® kennen, ist eng verbunden mit dem Lebenswerk der im Juli 1923 in Kensington (Pennsylvania, USA) geborenen Chemikerin Stephanie Kwolek.
Stephanie Kwolek stammte aus einer polnischen Einwandererfamilie und absolvierte ein Bachelorstudium in Chemie am Margaret Morrison College an der nahegelegenen Carnegie Mellon University, einer privaten Forschungsuniversität in Pittsburgh (Pennsylvania, USA). Danach arbeitete sie beim US-Chemieunternehmen DuPont de Nemours (kurz: DuPont genannt). Eigentlich wollte sie durch diese Tätigkeit Geld verdienen, um anschließend Medizin zu studieren und Ärztin zu werden. Aber ihre Pläne änderten sich. Sie erhielt eine dauerhafte Anstellung bei DuPont und blieb dort bis zu ihrer Pensionierung 1986.
Im Jahr 1995 wurde Stephanie Kwolek in die US-amerikanische „National Inventors Hall of Fame“ aufgenommen. Mit der Aufnahme in diese „Ruhmeshalle“ wurden bis 2020 603 Erfinder geehrt, die mindestens ein US-Patent für eine bedeutsame Technologie besitzen. Stephanie Kwolek verstarb im Juni 2014 in Wilmington/Delaware im Alter von 90 Jahren. Gelegentlich wird die Chemikerin Kwolek auch als „Mutter der Aramide“ bezeichnet.
Aromatische Polyamide (Aramide)
Stephanie Kwolek arbeitete in einem Forschungslabor für Textilfasern bei der Firma DuPont und wurde 1964 mit der Aufgabe betraut, nach einer synthetischen Faser zur Verstärkung von Radialreifen für die Reifenindustrie zu suchen. Ihre Arbeiten führten sie zur Entdeckung der Aramide, einer Gruppe von Polyamiden, die aromatische Reste (Ar) in ihrem Molekülbau besitzen.
Als Polyamide bezeichnet man ganz allgemein Makromoleküle, die eine Amidbindung (-CO-NH) enthalten, wie sie auch in der Natur in Peptiden/Proteinen (Eiweißstoffen) vorkommt. Aramide entstehen durch Kondensation von aromatischen Dicarbonsäuren (HOOC-Ar-COOH) mit aromatischen Diaminen (H2N-Ar-NH2) (Abb. 3). Je nach dem Ort der Substitution am aromatischen Ringgerüst unterscheidet man para-Aramide und meta-Aramide (Abb. 4.).
Abb. 3: Einheiten von Polyamiden, die aus einem Diamin und einer Dicarbonsäure hergestellt werden. R1 steht für den Rest der eingesetzten Dicarbonsäure, R2 für den Rest der eingesetzten Diaminverbindung. (Grafik: Roland.chem, Polyamide-WH-2, CC0 1.0, Wikimedia Commons)
Abb. 4: Aromatische Substitutionsmuster (Grafik: Holger87, Substitutionsmuster, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons)
In den 70er Jahren auf den Markt gebracht
Die deutsche Anmeldung von Kevlar® ging unter der Nummer DE 1810426 im November 1968 beim Deutschen Patentamt ein und trägt den Titel „Masse und aus ihr hergestellte Fasern und Fäden“. Die Deutsche Offenlegungsschrift umfasst 144 Seiten und beschreibt eine Kunstfaser, die fünfmal so stark wie Stahl ist. Sie wird heute in der Raumfahrt, im Flugzeugbau und in schusssicheren Westen eingesetzt und hat zahlreichen Menschen das Leben gerettet. Im Jahr 1972 wurde das Produkt unter dem Markennamen Kevlar® von der Firma DuPont auf den Markt gebracht.
Kevlar® – ein Erfolgsprodukt durch starke Wasserstoffbrückenbindung
Abb.5. Terephthalsäure Terephthalsäure (links), und para-Phenylendiamin P-Phenylendiamin (rechts), beide Grafiken: NEUROtiker, Wikimedia Commons, gemeinfrei.
Kevlar® besteht aus Poly(p-phenylen-terephthalamid), das durch Kondensation von Terephthalsäure (aromatische Dicarbonsäure) mit para-Phenylendiamin (aromatisches Diamin) entsteht (Abb.5). Die Stabilität des Kevlar-Gewebes rührt daher, dass die Polyamid-Ketten nahezu parallel angeordnet sind und sich Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten perfekt ausbilden können (Abb. 6). Durch diese Wasserstoffbrücken ist das Material in vielen Lösungsmitteln nahezu unlöslich.
Aramide sind sehr zäh und ihre Zugfestigkeit entspricht der von Stahl; ihre Reißlänge ist etwa zehnmal höher als die von Stahl. Die Fasern haben einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Faserrichtung, werden also bei Erwärmung kürzer und dicker. p-Aramid-Gewebe besitzen eine charakteristische goldgelbe Farbe.
Die durchschusshemmende Wirkung der „Kevlarweste“ kommt dadurch zustande, dass die Aramidfasern es schaffen, das auftreffende Geschoss auf einer Strecke von 5 bis 10 Zentimetern zu stoppen, wobei die Bewegungsenergie des Projektils in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Aramid-Fasern reißen dabei nicht, sondern werden nur gedehnt und das Gewebe wird in der Regel nicht durchdrungen. Es bleibt jedoch auf der Haut der getroffenen Person oft ein großer blauer und schmerzhafter Fleck zurück.
Abb. 6: Para-Aramidpolymere mit Wasserstoffbrückenbindungen (Grafik: Hbf878, Kevlar chemical structure H-bonds, CC0 1.0=
Abb.7: p-Aramid-Gewebe mit charakteristischer goldgelber Farbe (Foto: No-w-ay, TwaronSRM, CC BY-SA 4.0)
Aramide auch als Feuerschutzmaterial
Kondensiert man Isophthalsäure mit meta-Phenylendiamin, so gelangt man zu den m-Aramiden, die zunächst unter dem Handelsnamen Nomex® (DuPont) in den Markt eingeführt wurden. Heute sind unter verschiedenen anderen Namen zahlreiche Analogprodukte im Handel.
Die Aramidfaser Nomex® ist überaus hitzebeständig und hält problemlos Temperaturen um 370 °C aus. Bei noch höheren Temperaturen zersetzen sich allerdings auch diese Fasern. Zudem verliert die Faser bei UV-Einstrahlung (Sonnenlicht) ihre Festigkeit, die auch unter Feuchtigkeitsaufnahme leidet. Die Fasern nehmen bei Lagerung bis zu 7% Wasser auf, können aber danach wieder getrocknet werden.
meta-Aramide sind wichtige Materialien zur Herstellung von Feuerschutzanzügen, für die Innenausstattung von Flugzeugen und den Bau von Segelflugzeugen. Darüber hinaus werden immer häufiger m-Aramide in den Filteranlagen von Industrieabgasen eingesetzt. Der Run auf die Aramidfasern wurde vor allem auch durch den großen Bedarf dieser Kunstfaser für die Weltraumfahrt ausgelöst. Ein nicht ganz unwichtiges Einsatzgebiet der m-Aramidfaser ist der Sportbereich wie zum Beispiel Rennfahrerkombinationen.
Abb. 8: Teilstruktur meta-Aramide (Grafik: Roland.chem, M-Aramid, CC0 1.0)
Quellen
Dupont.de: Was ist Kevlar?
Deutsches Patent- und Markenamt: 50 Jahre Kevlar
Wikipedia: Aramide
Der Beitrag wurde vom Arbeitskreis Öffentlichkeitsarbeit der Seniorexperten Chemie, einer Fachgruppe der Gesellschaft Deutscher Chemiker, erstellt.
Autor: Prof. Dr. Eberhard Ehlers (bearbeitet durch kjs, Redaktion FaszinationChemie)
In unserer Rubrik „Chemie überall“ geht es um chemische Verbindungen oder chemische Verfahren, die wir im Alltag nutzen oder um Substanzen, die immer mal wieder in den Schlagzeilen sind. Die Beiträge in leicht verständlicher Form sind von Chemikerinnen und Chemikern geschrieben. Alle Beiträge der Reihe: https://faszinationchemie.de/chemie-ueberall
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