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Kevlar

Représentation du poly-para-phénylène téréphtalamide

Autre représentation de la structure chimique du poly-para-phénylène téréphtalamide

Structure chimique du poly-para-phénylène téréphtalamide

Le poly-para-phénylène téréphtalamide est un polymère constitué de noyaux aromatiques (benzène) séparés par des groupements amides. Il appartient au groupe des fibres d'aramides. Le poly-para-phénylène téréphtalamide a été découvert et commercialisé sous le nom déposé de Kevlar.

Le poly-para-phénylène téréphtalamide fut découvert en 1965 par Stéphanie Kwolek et Herbert Blades, chercheurs de la société DuPont. La société choisit d'appeler ce polymère Kevlar. Il faut attendre 1971 pour que la première usine voit le jour et fabrique les premiers kilos de Kevlar. Aujourd'hui le brevet a expiré d'où l'apparition de produits concurrents comme Twaron produit par Teijin.

Structure et propriétés

Le Kevlar est une fibre synthétique qui possède d'exceptionnelles qualités de résistance à la traction et à l'élongation. Seule la toile d'araignée (trois fois plus résistante)^{[réf. nécessaire]}, et les nanotubes de carbone (100 fois plus résistants et 6 fois plus légers) le surpassent.

Le Kevlar possède un réseau de liaisons hydrogène entre les chaînes polymères qui lui confère une grande rigidité, supérieure à celle de l'acier.

Du fait de la présence du groupe phényle dans la molécule de poly-para-phénylène téréphtalamide, il n'y a pas libre rotation autour de la liaison C-N, la conformation s-cis est impossible, il y a encombrement stérique. C’est ainsi que la conformation s-trans est la plus généralement observée. Les chaînes sont bien droites, régulières et orientées. De ce fait, le Kevlar est très cristallin, ce qui explique sa solidité et sa résistance à la rupture.

Il existe plusieurs grades de Kevlar: Le Kevlar, le Kevlar 52 et le Kevlar 49. Le kevlar de base est surtout utilisé pour le renforcement des pneus et 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 des gilets pare-balle. Le kevlar 49 est le grade ayant la plus grande résistance à la traction de tous les aramides et est utilisé dans certains plastiques, pour le renforcement de coques, et pour la fabrication de certaines pièces d'avions et de cadres de vélos.

Ses qualités :

• Bonne résistance spécifique à la traction^[1]
• Faible densité (1,45)^[1]
• Dilatation thermique nulle^[1]
• Absorption des vibrations, amortissement^[1]
• Excellente résistance aux chocs et à la fatigue^[1]
• Bon comportement chimique vis-à-vis des carburants^[1]

Ses défauts :

• Mauvaise résistance aux rayons UV^[1]
• Faible tenue en pression^[1]
• Reprise d'humidité importante (4%), étuvage avant imprégnation^[1]
• Perte de sa résistance balistique lorsqu'il est humide
• Faible adhérence avec les résines d'imprégnation^[1]
• Usinage difficile^[1]
• Mauvaise tenue au feu (décomposition à 400 °C)^[1]

Utilisation

Le poly-para-phénylène téréphtalamide possède différentes propriétés intéressantes, telles la résistance à la chaleur, à l'élongation ou au cisaillement. Il est donc utilisé dans de nombreux domaines où ces caractéristiques sont recherchées :

• gilet pare-balles, casques (associé à une ou plusieurs autres fibres telle que la fibre de verre ou de carbone) (tissage + résistance)
• renfort de vêtements plus ou moins important en fonction de la personne
• voiles de bateau (résistance à l'élongation et aux solutions alcalines)
• domaine aéronautique, aérospatial (coques de navires, ailes d'avions...)
• matériel sportif (patinage de vitesse, snowboard, ski, canoë-kayak, escrime, raquettes ou cordage, pelote basque, aviron (sport)...)
• pneumatiques (résistance au cisaillement)
• jonglage : les jongleurs de feu utilisent le poly-para-phénylène téréphtalamide sur leur matériel, par exemple les massues, bâtons du diable, bolas, etc. Le poly-para-phénylène téréphtalamide, trempé dans du pétrole (désaromatisé s'il sert aussi à cracher) est résistant et peut être enflammé un grand nombre de fois avant d'être remplacé. Certains jongleurs utilisent des gants en poly-para-phénylène téréphtalamide pour jongler aux balles (pratique peu répandue). Vendu au mètre, on l'enroule autour du matériel réservé a cet usage et on le fixe avec des vis.
• Batiment : le Poly-para-phénylène est utilisé pour les batiments de haute sécurité (Pentagone aux USA)

Gilet pare-balles

Avant les années 1970, la plupart des gilets pare-balles n'étaient faits que d'acier ce qui les rendait lourds et encombrants. L'apparition du kevlar de la compagnie DuPont a permis le développement d'un nouveau type de gilet pare-balle flexible et beaucoup plus léger. 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 du kevlar afin de découvrir si elle pouvait arrêter une balle. 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 Special" et ".22 Long Rifle".

En 1973, des chercheurs de l'Arsenal Edgewood de l'armée américaine développèrent un gilet pare-balle fait de 7 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 les agents blanchissants diminuaient 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 ultraviolets et aux agents de nettoyage.

Synthèse

La synthèse du poly-para-phénylène téréphtalamide consiste en la polymérisation du 1,4-diamino benzène (aussi appelé para-Phénylènediamine ou PPD) et du chlorure d'acide téréphtalique.

Schéma de synthèse du Kevlar.

Références

1. ↑ ^{a , b , c , d , e , f , g , h , i , j , k  et l} Technologie des composites (2e édition), Maurice Reyne, éditions HERMES, 02-1998

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