เคฟล่า คืออะไร?

เคฟลาร์ (Kevlar)

บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์

ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

เมื่อพูดถึงเคฟลาร์ หลายคนคงรู้ว่าเป็นวัสดุที่ใช้ทำเสื้อเกราะกันกระสุน และผลิตภัณฑ์อื่นที่ต้องการความแข็งแรงสูงแต่น้ำหนักเบา เคฟลาร์ เป็นวัสดุที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่ามีความแข็งแรงสูง และมีน้ำหนักเบา โดยหากเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าที่หนักเท่ากันแล้ว เคฟลาร์จะมีความแข็งแรงดึง (tensile strength) มากกว่าเหล็กกล้าถึง 5 เท่า ทำให้วัสดุชนิดนี้มีความน่าสนใจมาก ซึ่งบทความนี้จะได้นำท่านมารู้จักกับวัสดุอย่างเคฟลาร์มากขึ้น

สเตฟานี กวอเลก (Stephanie Kwolek)

        เคฟลาร์เป็นชื่อเรียกทางการค้าของเส้นใยสังเคราะห์ของโพลิพารา ฟีนิลีนเทเรฟทาลาไมด์ (poly-p-phenylene terephthalamide, PPTA) ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของบริษัท ดูปองท์ สหรัฐอเมริกา เคฟลาร์ถูกสังเคราะห์ขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1965 โดยสเตฟานี กวอเลก (Stephanie Kwolek) และเฮอร์เบิร์ต เบลดส์ (Herbert Blades) นักวิทยาศาสตร์ของบริษัทดูปองท์ ประเทศสหรัฐอเมริกา

        แต่ ปัจจุบันนอกจากเคฟลาร์แล้ว ยังมีเส้นใยสังเคราะห์ที่ผลิตจาก PPTA ในชื่อการค้าอื่น เช่น Twaron (ทวารอน) ของบริษัท Akzo, Technora? (เทคโนรา) ของบริษัท Teijin, Armos? (อาร์มอส) ของบริษัท Kaiser VIAM เป็นต้น

โครงสร้างของเคฟลาร์

        เคฟลาร์เป็นเส้นใยโพลิเมอร์ประเภทพารา-อะรามีด (para-aramide) มีวงแหวนเบนซีนอยู่ในสายโซ่โมเลกุลหลัก ซึ่งเส้นใยอะรามีดสามารถแบ่งได้ 2 ประเภทตามลักษณะโครงสร้างคือ พารา-อะรามีดและเมตา-อะรามีด (meta-aramide) โดยสังเกตจากตำแหน่งของหมู่เอไมด์ (CONH) บนวงแหวนเบนซีนที่ต่างกัน

ลักษณะโมเลกุลของพารา-อะรามีด (ซ้าย) เมตา-อะรามีด (ขวา)

        ความแข็งแรงของเคฟลาร์เป็นผลสืบเนื่องจากการที่โพลิเมอร์มีความ เป็นผลึก (crystallinity) สูง ซึ่งความเป็นผลึกของโพลิเมอร์ เกี่ยวข้องกับลักษณะการจัดเรียงตัวของโมเลกุล ของโพลิเมอร์ โดยหากโมเลกุลส่วนใหญ่ของโพลิเมอร์ ที่มีลักษณะเป็นเส้นยาวสามารถยืดเป็น เส้นตรง ไม่พันกัน และจัดเรียงตัวได้เป็นระเบียบแล้ว ความเป็นผลึกของโพลิเมอร์ก็จะสูง แต่ขณะเดียวกันความเป็นผลึกของโพลิเมอร ที่มากก็มีผลให้โพลิเมอร์แสดง สมบัติแข็ง แต่เปราะ (brittle) ได้เช่นกัน

        ใน ทางตรงกันข้ามหากโมเลกุลของโพลิเมอร์ไม่สามารถยืดเป็นเส้นตรง และเกี่ยวพันกันยุ่งเหยิงเหมือนเส้นก๋วยเตี๋ยว โพลิเมอร์จะมีความเป็นอสัณฐาน (amorphous) ซึ่งมีผลให้โพลิเมอร์มีความแข็งแรงลดลง แต่สามารถยืดหยุ่น (flexible) ได้มากขึ้น

โพลิเมอร์จะแสดงความแข็งแรงได้เต็มที่ หากแรงกระทำมีทิศเดียวกับการเรียงตัวของโมเลกุล

คุณสมบัติของเคฟลาร์ 

เคฟลาร์มีคุณสมบัติเด่นหลายด้าน ได้แก่

•  เป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำ
•  มีความแข็งแรงต่อแรงดึงในทิศระนาบสูง
•  ทนทานต่อการกระแทก (impact resistance)
•  ทนต่อการขัดถู (abrasion resistance)
•  ทนต่อสารเคมี (chemical resistance)
•  ทนต่อการสลายตัวที่อุณหภูมิสูงได้ดี

 

โพลิเมอร์ไม่สามารถแสดงคุณสมบัติความแข็งแรงได ้หากแรงกระทำอยู่ในทิศตั้งฉากกับการเรียงตัวโมเลกุล

สำหรับจุดด้อยของเคฟลาร์

•  มีความแข็งแรงต่อแรงอัด (compression strength) ต่ำ
•  ความแข็งแรงต่อแรงดึงในทิศตั้งฉากกับแนวระนาบต่ำ
•  เคฟลาร์ดูดซับความชื้นได้ ส่งผลให้ความแข็งแรงของวัสดุลดลง
•  เคฟลาร์จะเกิดการเสื่อมสภาพ (degrade) หากได้รับรังสียูวี
•  ต้องใช้เครื่องมือพิเศษสำหรับตัดเคฟลาร์โดยเฉพาะ
•  ราคาแพง

การขึ้นรูป

        สำหรับโพลิเมอร์ทั่วไป การขึ้นรูปจะใช้ความร้อนหลอมโพลิเมอร์ที่มีลักษณะเป็นเม็ด เกล็ด หรือผงให้เป็นของเหลวก่อนจะนำไปผ่านเครื่องรีด หรือเครื่องฉีดขึ้นรูป แต่การขึ้นรูปเคฟลาร์จะเริ่มจากการนำสารตั้งต้นได้แก่ สารไดอะมีน (diamine) กรดเทเรฟทาลิค (terephthanlic acid) และกรดซัลฟิวริก (sulfuric acid) เข้มข้น มาทำปฏิกิริยาเคมีเกิดเป็นสารขั้นกลาง (intermediate) และนำสารขั้นกลางที่เกิดขึ้นมาผ่านกระบวนการดึง (draw) เพื่อให้ได้เส้นใยเคฟลาร์

        การ ดึงเส้นใยเคฟลาร์เป็นกระบวนการที่มีความสำคัญมาก เนื่องจากการดึงเส้นใยโพลิเมอร์ในอุณหภูมิที่พอเหมาะจะช่วยเพิ่มความแข็ง แรงให้แก่เส้นใยได้ เพราะการดึงทำให้โมเลกุลของโพลิเมอร์มีการจัดเรียงตัวเป็นระเบียบมากขึ้น ซึ่งส่งผลให้ความเป็นผลึกของโพลิเมอร์มากขึ้นด้วย จากนั้นนำเส้นใยมาปั่นรวมเป็นเส้นด้าย และนำไปล้างเพื่อกำจัดกรดออก สุดท้ายนำเส้นใยที่ได้ไปเป่าลมให้แห้ง และม้วนเส้นด้ายเคฟลาร์เข้าแกน

ชนิดของเคฟลาร์

        ปัจจุบันมีการผลิตเคฟลาร์ออกมาหลายเกรดเพื่อให้เหมาะกับการใช้งาน ได้แก่ เคฟลาร์, เคฟลาร ์29, 49, 68,100, 119, 129, 149

•  เคฟลาร์ เป็นเกรดที่ใช้เสริมความแข็งแรงในยางรถยนต์ และผลิตภัณฑ์ที่ทำจากยางชนิดอื่น เช่น สายยาง สายพาน เป็นต้น
•  เคฟลาร์29 เป็นเกรดที่นิยมใช้ทำเสื้อเกราะกันกระสุน เชือก และสายเคเบิลรับน้ำหนัก
•  เคฟลาร์49 เป็นเคฟลาร์เกรดที่นิยมใช้เพิ่มความแข็งแรงกับชิ้นส่วนอากาศยาน เชือก เกราะกันกระสุน อุปกรณ์ทางน้ำ อุปกรณ์กีฬา
•  เคฟลาร์68 เป็นเกรดที่มีสมบัติเชิงกลต่างๆ อยู่ระหว่างเคฟลาร์29 กับเคฟลาร์49
•  เคฟลาร์100 เป็นเกรดที่มีสี ใช้ทำถุงมือ และเสื้อผ้า
•  เคฟลาร์119 เป็นเคฟลาร์เกรดที่ให้สมบัติความทนทานสูง ใช้เสริมความแข็งแรงในยางรถยนต์ สายพาน
•  เคฟลาร์129 เป็นเคฟลาร์ที่มีความแข็งแรงต่อแรงดึงสูง ใช้ทำเชือก เสื้อเกราะ ยางรถยนต์
•  เคฟลาร์149 เป็นเคฟลาร์เกรดที่มีค่าโมดูลัสสูงเป็นพิเศษ ใช้ทำเชือก และเคเบิล

การใช้ประโยชน์

        ด้วยเหตุที่เคฟลาร์มีความแข็งแรงสูง ทนทานต่อสารเคมี ทนความร้อน และน้ำหนักเบา จึงทำให้ปัจจุบันผู้ผลิตสินค้าหลายชนิดต่างนำเคฟลาร์มาใช้ในผลิตภัณฑ์ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น

• อุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคลอย่างชุดเกราะกันกระสุน ถุงมือป้องกันของมีคม ชุดของนักแข่งรถ หมวกกันน็อก
• ยานพาหนะได้แก่ ผ้าเบรกรถยนต์ ยางรถยนต์ ยางรถบรรทุก รวมถึงตัว (body) รถแข่ง รถจักรยาน รวมถึงชิ้นส่วนในเครื่องบินรบ
• เชือกหรือสายเคเบิลที่สามารถรับน้ำหนัก หรือทนแรงดึงสูงสำหรับงานอุตสาหกรรม
• อุปกรณ์กีฬาต่างๆ เช่น สายเบ็ดตกปลา ไม้เทนนิส เรือแคนู กระดานสกี เป็นต้น

        สิ่ง เหล่านี้เป็นเพียงตัวอย่างผลิตภัณฑ์บางชนิดที่มีการนำเคฟลาร์เป็นส่วน ประกอบแล้ว คาดว่าในอนาคตต้องมีอุตสาหกรรมผลิตสินค้าอีกหลายชนิดที่จะนำเคฟลาร์ไป ประยุกต์ใช้เพิ่มขึ้นอย่างแน่นอน

หมายเหตุ

ชื่อทางการค้าของเส้นใยโพลิเมอร์ประเภทเมตา-อะรามีด เช่น Nomex (โนเม็กซ์) ของบริษัทดูปองท์ เป็นต้น

ที่มา

http://www.neutron.rmutphysics.com