کولار

یک پلیمر آروماتیک از خانواده پلی‌آمیدهای آروماتیک (Aramids) است که به دلیل استحکام کششی بسیار زیاد، وزن کم و مقاومت حرارتی بالا در ساخت جلیقه‌های ضدگلوله، کلاه ایمنی، کابل‌های مقاوم، تجهیزات هوافضا و صنایع نظامی استفاده می‌شود.نام تجاری کولار (Kevlar ) متعلق به DuPont است.

کولار (Kevlar) یکی از مشهورترین پلیمرهای مهندسی جهان است که در خانواده پلی‌آمیدهای آروماتیک (آرامیدها) قرار می‌گیرد. این ماده به دلیل استحکام کششی بسیار بالا، وزن کم، مقاومت حرارتی و مقاومت شیمیایی، در صنایع نظامی، هوافضا، خودروسازی، مخابرات و تجهیزات ایمنی کاربرد فراوان دارد. چرا کولار خیلی مقاوم است ؟  سه عامل را می توان در این مورد دخیل دانست ، وجود حلقه های آروماتیک باعث افزایش سختی زنجیره می شود . بین گروه های آمیدی (​\( -CONH- \)​) پیوند هیدروژنی قوی(​\( N-H\cdots O=C \)​) برقرار است . زنجیره ها تقریباً موازی هستند و به خوبی در کنار هم قرار می گیرند و به همین دلیل بلورینه شدن بسیار زیاد است . جرم واقعی پلیمر ممکن است تا میلیون‌ها دالتون برسد. حلال مورد استفاده در سنتز کولار ، ( ان- متیل -2- پیرولیدین ) با فرمول ​\( C_5H_9NO \)​و هگزا متیل فسفرآمید با فرمول مولکولی ​\( C_6H_{18}N_3OP \)​و سولفوریک اسید غلیظ می باشد ، دمای سنتز در حدود ​\( 0-10^\circ C \)​می باشد ، زیرا این واکنش بسیار گرماده است .

مشخصات کلی کولار
با نام تجاری «کِولار» دارای نام شیمیایی پلی پارافنیلن ترفتال آمید است . ( Poly(paraphenylene terephthalamide)) که به اختصار (PPTA) گفته می شود . فرمول شیمیایی آن (​\( \left[-NH-C_6H_4-NH-CO-C_6H_4-CO-\right]_n \)​)از خانوادۀ پلی آمیدهای آروماتیک ( آرامید ) بوده و فرمول واحد تکرار شوند ( منومر ) آن ​\( (C_{14}H_{10}N_2O_2) \)​می باشد .
از دیدگاه شیمی پلیمر، از واکنش تراکمی دو مونومر آروماتیک تولید می‌شود ، پارا-فنیلن دی‌آمین (PPD) با فرمول شیمیایی(​\( \mathrm{H_2N-C_6H_4-NH_2} \)​) و ترفتالویل کلرید (TPC) با فرمول شیمیایی (​\( \mathrm{ClCO-C_6H_4-COCl} \)​) ، چگالی آن در حدود 1.44 گرم بر میلی لیتر ، در دمای 500 درجه سلسیوس تجزیه می شود . نقطه ذوب ندارد ، چون که قبل زا رسیدن به دمای ذوب تجزیه می شود .
همان طور که در تصویر بالا می بینید ، زنجیره های آن کاملاً خطی بوده و به دلیل وجود حلقه های بنزن ، بسیار سخت و صُلب هستند .

تاریخچه اختراع کولار

کولار در سال ۱۹۶۵ توسط Stephanie Kwolek، شیمیدان آمریکایی، در شرکت DuPont کشف شد. او هنگام تحقیق برای ساخت الیاف سبک و مقاوم جهت استفاده در تایر خودرو، به محلولی غیرعادی برخورد که پس از ریسندگی، الیافی با استحکام بی‌سابقه تولید کرد. این کشف یکی از مهم‌ترین دستاوردهای شیمی پلیمر در قرن بیستم به شمار می‌رود.

واکنش پلیمریزاسیون کولار

 ​\( nH_2N-C_6H_4-NH_2 + nClCO-C_6H_4-COCl \rightarrow [-NH-C_6H_4-NH-CO-C_6H_4-CO-]_n + 2nHCl \)​

خواص مکانیکی
(استحکام کششی بیشترین تنشی است که یک ماده می‌تواند قبل از پاره شدن تحمل کند.): 3000 تا 3800 مگاپاسکال
مدول یانگ که نشان‌دهنده سختی ماده در برابر تغییر شکل کشسانی است. یعنی مشخص می‌کند ماده در برابر کشیده شدن چقدر مقاومت دارد.
70 تا 130 گیگاپاسکال ،کرنش شکست ( حدود 25 درصد )نشان می‌دهد که ماده قبل از پارگی چقدر می‌تواند کشیده شود.
 مقایسه کولار با فولاد
وزن کولار بسیار کم و لی فولاد زیاد است . مقاومت کششی کولار بسیار زیاد ولی فولاد زیاد است . زنگ زدگی کولار ندارد ، اما فولاد زنگ می زند . هدایت الکتریکی ، کولار ندارد اما فولاد هادی است .

مقاومت شیمیایی
در برابر روغن ها ، بنزین ، حلال های آلی ، سایش و شعله مقاوم است اما در برابر اسید های قوی ، بازهای قوی و نورفرابنفش (UV) از مقاومت کمتری برخوردار است .

کولار ذوب نمی شود ، زیرا پیوند های هیدروژنی و حلقه های آروماتیک انرژی بسیار زیادی برای شکستن نیاز دارند و پیش از ذوب پلیمر تجزیه می شوند .

کاربردهای کولار

جلیقه ضد گلوله ، کلاه ایمنی نظامی ، دستکش ضد برش ، لباس آتش نشانی ، تایر خودرو ، کابل فیبر نوری ، طناب های فوق مقاوم ، قایق های مسابقه ای ، هواپیما ، ماهواره ، صنایع هوافضا ، کامبپوزیت های مهندسی
مزایا : استحکام کششی بسیاربالا ، وزن کم ، مقاومت عالی در برابر ضربه ، مقاومت حرارتی زیاد ، مقاومت سایشی خوب ، نارسنای الکتریسیته
معایب: حساسیت به نور UV ، قیمت نسبتاً بالا ، دشواری ماشین کاری ، جذب مقدار کمی رطوبت و مقاومت کمتر در برابر فشار نسبت به کشش
کولار ، عضوی از خانواده آرامید ها می باشد .« پلی آمید آروماتیک » که پلی آمیدها دارای دو دسته بندی هستند . پلی آمید آلیفاتیک ( مانند نایلون ها که دارای زنجیره انعطاف پذیر هستند . ) و پلی آمید آروماتیک مانند کولار که
دارای حلقه بنزنی بوده و بسیار سخت تر می باشند .  زنجیره کولار تقریباً خطی است ، در حالی که نایلون به صورت زنجیره های جدا جدا می باشد .

کولار تقریباً در هیچ حلال معمولی حل نمی شود ، تنها در سولفوریک اسید 98 درصد حل می شود . دارای گرید های مختلفی است مثلا گرید 29 از کولار در جلیقه ضد گلوله و طناب ، گرید 49 در کامپوزیت های هوافضا به کار می رود .

چرا کولار زرد است ؟ رنگ زرد طلایی کولار ناشی از وجود سیستم گسترده پیوندهای مزدوج (Conjugation) در زنجیره‌های آروماتیک و گروه‌های آمیدی است. این ساختار بخشی از نور مرئی، به‌ویژه ناحیه آبی–بنفش را جذب می‌کند و در نتیجه الیاف به رنگ زرد دیده می‌شوند.

کولار چگونه گلوله را متوقّف می کند ؟  جلیقه کولاری گلوله را با «سخت بودن» متوقف نمی‌کند، بلکه انرژی جنبشی را در سطح بزرگی از پارچه پخش می‌کند. در برخورد ، الیاف کشیده می‌شوند. موج تنش در پارچه منتشر می‌شود.انرژی میان هزاران رشته تقسیم می‌شود.سرعت گلوله کاهش یافته و در نهایت متوقف می‌شود یا توان نفوذ آن به شدت کم می‌شود.

بدانیم که : اگر یک نخ کولار و یک نخ نایلون را با قطر یکسان مقایسه کنیم، نخ کولار معمولاً چندین برابر بار بیشتری را پیش از پارگی تحمل می‌کند. با این حال، کولار در برابر فشار (Compression) به اندازه کشش (Tension) مقاوم نیست؛ به همین دلیل در طراحی کامپوزیت‌های پیشرفته، اغلب آن را با موادی مانند الیاف کربن یا رزین‌های مناسب ترکیب می‌کنند تا عملکرد بهتری در بارگذاری‌های مختلف به دست آید.

کولار و کاربرد های آن