ケブラー

ケブラー

名前
IUPAC名 ポリ（アザンジイル-1,4-フェニレンアザンジイルテレフタロイル）[1]
識別子
CAS番号	24938-64-5 はい
ケムスパイダー	なし
プロパティ
化学式	[-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 いいえ 確認する （何ですか  ？） はいいいえ インフォボックス参照

ケブラー（パラアラミド）^[2]は、ノーメックスやテクノーラなどの他のアラミドと関連のある、強力で耐熱性のある合成繊維です。1965年にデュポン社のステファニー・クオレック氏によって開発され、 ^{[3] [2] [4]}この高強度素材は、1970年代初頭にレーシングタイヤの鋼鉄の代替品として初めて商業的に使用されました。通常はロープや織物シートに紡がれ、そのまま使用することも、複合材料部品の材料として使用することもできます。

ケブラーは、その高い引張強度対重量比により、自転車のタイヤやレースの帆から防弾チョッキまで、さまざまな用途に使用されています。この数値によると、ケブラーは鋼鉄の5倍の強度があります。^[2]また、高い衝撃に耐える現代のマーチングドラムのヘッドの製造にも使用され、係留索やその他の水中用途にも使用されています。

同様の化学構造を持つトワロンと呼ばれる類似の繊維は、1970年代にアクゾ社によって開発され、1986年に商業生産が開始され、トワロンは帝人社によって製造されている。^{[5] [6]}

ポリパラフェニレンテレフタルアミド（K29）は、ケブラーというブランド名で知られ、ガソリン不足を予想して、デュポン社で働いていたアメリカ人化学者ステファニー・クオレックによって発明されました。1964年、彼女のグループは、軽くて丈夫なタイヤに使用するための新しい軽量で強い繊維の探索を始めました。 ^[7]彼女が研究していたポリマー、ポリパラフェニレンテレフタレートとポリベンズアミドは、^{[8]溶液中で}液晶を形成しましたが、これは当時のポリマーに特有のものでした。^[7]

この溶液は「濁っていて、かき混ぜると乳白色になり、粘度が低い」ため、通常は捨てられていました。しかし、クオレクは紡糸口金を操作する技術者のチャールズ・スミュレンを説得して溶液のテストをさせ、ナイロンとは異なり繊維が破断しないことに驚きました。彼女の上司と研究室長は彼女の発見の重要性を理解し、すぐに高分子化学の新しい分野が生まれました。1971年までに、現代のケブラー繊維が導入されました。^[7]しかし、クオレクはケブラー繊維の用途開発にはあまり関与していませんでした。^[9]

1971年、当時国立法執行刑事司法研究所の科学技術部長だったレスター・シュビン^[10]は、防弾チョッキのナイロンの代わりにケブラーを使用することを提案した。^[11] ケブラーが導入される前は、ナイロン製の防弾チョッキは、使用者にはるかに限定的な保護を提供していました。シュビンは後に、このアイデアがどのように発展したかを次のように回想しています。「私たちはそれを数回折り返して撃ちました。弾丸は貫通しませんでした。」テストでは、麻酔をかけたヤギにケブラーを巻き付け、心臓、脊髄、肝臓、肺を撃ちました。ヤギの心拍数と血中ガスレベルを監視し、肺の損傷を調べた。24時間後、1頭のヤギが死亡し、他のヤギは命に別状のない傷を負いました。^{[12] [13] [検証が必要]} シュビンは、防弾チョッキでのこの布地の使用を研究するために500万ドルの助成金を受け取りました。

ケブラー149は1980年代にデュポン社のジェイコブ・ラヒジャニによって発明されました。^[14]

ケブラーは、 1,4-フェニレンジアミン（パラフェニレンジアミン）とテレフタロイルクロリドのモノマーから溶液中で合成され、縮合反応により副産物として塩酸が生じる。その結果、液晶挙動を示し、機械的な延伸によりポリマー鎖が繊維の方向に配向する。当初、重合にはヘキサメチルホスホラミド（HMPA）が溶媒として使用されていたが、安全上の理由から、デュポンはN-メチルピロリドンと塩化カルシウムの溶液に置き換えた。このプロセスは、トワロンの製造においてアクゾ（上記参照）によって特許取得されていたため、特許戦争が起こった。^[15]

ケブラーの生産は、合成と紡糸中に水に不溶性のポリマーを溶解状態に保つために必要な濃硫酸の使用から生じる困難さのために高価である。^[16]

ケブラーにはいくつかのグレードがあります:

• ケブラー K-29 – ケーブル、アスベスト代替品、タイヤ、ブレーキライニングなどの産業用途に使用されます。
• ケブラー K49 – ケーブルやロープ製品に使用される高弾性率。
• ケブラーK100 – ケブラーのカラーバージョン
• ケブラーK119 – 伸び率が高く、柔軟性があり、疲労耐性が高い
• ケブラーK129 – 弾道アプリケーション向けの高い強度
• ケブラーK149 – 弾道、装甲、航空宇宙用途における最高の強度^{[17] [18]}
• ケブラーAP – K-29よりも15%高い引張強度^[19]
• ケブラーXP – 軽量樹脂とKM2プラス繊維の組み合わせ^[20]
• ケブラーKM2 – 防弾用途向けの強化された弾道抵抗^[21]

太陽光の紫外線成分はケブラー繊維を劣化・分解させるため、紫外線劣化と呼ばれる問題が生じ、そのためケブラー繊維は太陽光から保護することなく屋外で使用されることはほとんどありません。^[22]

ケブラーを紡糸すると、得られる繊維の引張強度は約3,620 MPa (525,000 psi) ^[23]、相対密度は1.44 (0.052 lb/in ³ ) になります。このポリマーの高強度は、多数の鎖間結合によるものです。これらの分子間水素結合は、カルボニル基と N H中心の間に形成されます。追加の強度は、隣接するストランド間の芳香族スタッキング相互作用によって得られます。これらの相互作用は、超高分子量ポリエチレンなどの他の合成ポリマーや繊維の特性に通常影響を与えるファンデルワールス相互作用や鎖長よりも、ケブラーに大きな影響を与えます。塩やその他の特定の不純物、特にカルシウムが存在すると、ストランド相互作用が妨げられる可能性があるため、製造時に混入しないように注意が払われます。ケブラーの構造は、比較的硬い分子で構成されており、シルクタンパク質のように、主に平面のシート状構造を形成する傾向があります。^[24]

ケブラーは極低温（−196 °C（−320.8 °F））まで強度と弾力性を維持します。実際、低温ではわずかに強度が増します。高温になると、引張強度はすぐに約10～20％低下し、数時間後にはさらに強度が低下します。たとえば、160 °C（320 °F）に500時間耐えると、強度は約10％低下します。また、260 °C（500 °F）に70時間耐えると、強度は約50％低下します。^[25]

ケブラーは、他の懸架用素材に比べて熱伝導率が低く強度が高いため、極低温工学の分野でよく使用されます。常磁性塩容器を超伝導磁石のマンドレルから吊り下げて、常磁性材料への熱漏れを最小限に抑えるために最もよく使用されます。また、熱漏れを低く抑えたい場合に、熱スタンドオフや構造サポートとしても使用されます。

CERNのNA48 実験では、直径 192 cm (76 インチ) の真空容器とほぼ大気圧の容器を分離するために薄いケブラー製の窓が使用されました。この窓は、真空気密性と、比較的少量の材料 (放射長のわずか 0.3% から 0.4% ) を組み合わせて実現しました。^[要出典]

ケブラーは、戦闘用ヘルメット、防弾フェイスマスク、防弾ベストなどの個人防具のよく知られた材料です。アメリカ軍が使用するPASGTヘルメットとベストは、その構造において主要な材料としてケブラーを使用しています。その他の軍事用途には、装甲戦闘車両の乗組員を保護するために使用される防弾フェイスマスクとスポールライナーがあります。ニミッツ級航空母艦は、重要な部分にケブラー補強材を使用しています。民間用途には、消防士が着用する高耐熱ユニフォーム、警察官、警備員、 SWATなどの警察戦術チームが着用するボディアーマーなどがあります。^[26]

ケブラー繊維は、手袋、袖、ジャケット、チャップス、^その他の衣類の製造に使用され、切り傷、擦り傷、熱からユーザーを保護するように設計されています。ケブラー繊維をベースにした防護服は、従来の素材で作られた同等の防護服よりもかなり軽くて薄いことがよくあります。^[26]

オートバイの安全服、特に肩や肘などのパッド入りの部分に使用されています。フェンシング競技では、防護ジャケット、ズボン、プラストロン、マスクの胸当てに使用されています。闘牛場でピカドールの馬を保護するパッド入りのカバーであるペトにも、ますます多く使用されています。スピードスケート選手は、転倒や衝突の際にスケート靴による傷を防ぐために、ケブラー生地の下層を着用することもよくあります。

弓道では、より高価な^[28]麻の代わりとして、弓の弦に使われることがあります。パラグライダーのサスペンションラインに使用される主な素材の1つです。 ^{[29]一部の}自転車のタイヤでは、パンクを防ぐためにケブラー繊維のプライが使用されています。卓球では、跳ね返りを増やして重量を減らすために、カスタムプライブレードまたはパドルにケブラー繊維のプライが追加されます。テニスラケットにケブラー繊維が張られることもあります。高性能レーシングボートの帆にもケブラー繊維が使用されています。

2013年、技術の進歩により、ナイキは初めてケブラー繊維を靴に使用しました。ナイキは、エリートIIシリーズ^{[30]を発売し、}前部と靴ひもにケブラー繊維を使用することで、以前のバージョンのバスケットボールシューズを改良しました。これは、従来使用されていたナイロンとは対照的に、靴の先端の弾力性を下げるために行われました。ケブラー繊維は約1％膨張するのに対し、ナイロンは約30％膨張したためです。この価格帯の靴には、レブロン、ハイパーダンク、ズーム コービー VIIなどがありました。ただし、これらの靴は、バスケットボールシューズの平均コストよりもはるかに高い価格帯で発売されました 。

コンチネンタルAGを含むいくつかの企業は、パンク防止のためにケブラーを使用した自転車用タイヤを製造している。^[31]

折りたたみビード自転車タイヤは、1984年にトム・リッチーによって自転車に導入されました。 ^{[32] [円形参照]}軽量化と強度向上のため、スチールの代わりにケブラーをビードとして使用しています。折りたたみビードの副作用として、自転車タイヤは折りたたまれて小さな箱に入れられるため、小売店で自転車タイヤを陳列するために必要な棚や床のスペースが削減されます。

ケブラーは、特に低音域と中音域のドライブユニットのスピーカーコーンに有用な音響特性を持つこともわかっています。 ^[33]さらに、ケブラーは、オーディオデータ伝送に使用される光ファイバーケーブルの強度部材としても使用されています。^[34]

ケブラーは弦楽器の弓の音響コアとして使用できます。^[35]ケブラーの物理的特性により、弓のユーザーに強度、柔軟性、安定性がもたらされます。現在、このタイプの弓を製造しているのはCodaBowのみです。^[36]

ケブラーは現在、擦弦楽器のテールピースをエンドピンに接続するテールコード（テールピースアジャスターとも呼ばれる）の素材としても使用されている。 ^[37]

ケブラーはマーチングスネアドラムの素材として使われることがある。非常に高い張力が得られるため、よりきれいな音が出る。通常、ケブラーにはヘッドを気密にするために樹脂が注がれ、打面を平らにするためにナイロンのトップ層がある。これはマーチングスネアドラムのヘッドの主要タイプの一つである。レモのファラムスラムパッチはケブラーで作られており、ビーターが打つバスドラムヘッドを補強するために使用される。^[38]

フィブラセルの木管楽器のリードにはケブラーが使用されています。このリードの素材は、自然界の葦の作り方を再現するように設計された航空宇宙材料の複合材です。非常に硬いが音を吸収するケブラー繊維が軽量の樹脂配合物に懸濁されています。^[39]

ケブラーは自動車の構造部品、特にフェラーリF40のような高性能車に使用されることがあります。^[40]

チョップドファイバーはブレーキパッドのアスベストの代替品として使われてきました。^[41]ケブラーなどのアラミドはアスベストブレーキよりも空気中の繊維放出が少なく、アスベストに関連する発がん性もありません。^{[42] [43]}

ファイヤーダンスの小道具の芯は、ケブラーを含む複合材料で作られています。ケブラー自体は燃料をあまり吸収しないため、グラスファイバーや綿などの他の材料と混合されます。ケブラーは耐熱性が高いため、芯を何度も再利用できます。

ケブラーは、一部のノンスティックフライパンでテフロンの代替品として使用されることがあります。 ^[44]

ケブラー繊維はロープやケーブルに使用され、ポリエチレンスリーブ内で繊維が平行に保たれます。このケーブルは、スコットランドのアバフェルディの橋などの吊り橋で使用されています。また、ひび割れたコンクリートの冷却塔を安定させるために、円周状に塗布し、その後に張力を加えてひび割れを閉じるという方法で使用されています。ケブラーは、その強度によりケーブルを損傷やねじれから保護するため、光ファイバーケーブルの保護用外装として広く使用されています。この用途で使用される場合、一般に商標名パラフィルで知られています。^[45]

ジョージア工科大学の科学者は、ケブラー繊維を電気を生み出す衣服の実験のベース繊維として使用しました。これは、酸化亜鉛 ナノワイヤーを生地に織り込むことによって実現しました。成功すれば、この新しい生地は1平方メートルあたり約80ミリワットの電力を生み出すことになります。^[46]

1976年夏季オリンピックのモントリオールオリンピックスタジアムの設計では、6万平方フィート（5,600平方メートル）を超えるケブラー製の開閉式屋根が^重要な部分を占めていた。しかし、この屋根は10年遅れで完成し、一連の問題が相次いだため、わずか10年後の1998年5月に交換されたため、大失敗に終わった。^{[47] [48]}

ケブラーは、高温用途での使用や高い強度のため、ゴム製 ベローズ 伸縮継手やゴム製ホースの補強層として使用されています。また、ホースアセンブリの外側に編組層として使用され、鋭利な物体に対する保護を強化しています。 ^{[49] [50] [51]}

一部の携帯電話（モトローラRAZRファミリー、モトローラDroid Maxx、OnePlus 2、Pocophone F1など）にはケブラーバックプレートが採用されており、これは弾力性と信号伝送の干渉が少ないことからカーボンファイバーなどの他の素材よりも選ばれている。^[52]

ケブラー繊維/エポキシマトリックス複合材料は、他の繊維に比べて比強度が高く軽量であるため、海洋流タービン（MCT）や風力タービンに使用することができます。^[53]

アラミド繊維は、炭素繊維やガラス繊維と組み合わせて複合材料を強化するために広く使用されています。高性能複合材料のマトリックスは通常エポキシ樹脂です。一般的な用途には、 F1カーのモノコックボディ、ヘリコプターのローターブレード、テニス、卓球、バドミントン、スカッシュのラケット、カヤック、クリケットのバット、フィールドホッケー、アイスホッケー、ラクロスのスティックなどがあります。^{[54] [55] [56] [57]}

ケブラー149は最も強度が高く、最も結晶性の高い繊維で、航空機製造の特定の部品の代替として使用されています。^[58]翼の前縁はその用途の1つで、ケブラーは炭素繊維やガラス繊維よりも鳥との衝突で破損しにくいです。

• イネグラS
• 超高分子量ポリエチレン
• トワロン
• ベクトラン

ウィキメディア・コモンズには、ケブラーに関連するメディアがあります。

• 公式サイト
• アラミド
• ケブラーのマットウェブ材料特性
• 米国特許 5,565,264
• ケブラー 2016-03-03 にWayback Machineでアーカイブ
• 防弾チョッキのケブラー
• ケブラーの合成
• テイ川にかかるアバフェルディ歩道橋 2011-10-02ウェイバックマシンにアーカイブ
• プラスチック Wiki のケブラー