El Kevlar® o poliparafenileno tereftalamida es una
poliamida sintetizada por primera vez en 1965 por la química Stephanie Kwolek,
quien trabajaba para DuPont. La obtención de las fibras de Kevlar fue
complicada, destacando el aporte de Herbert Blades, que solucionó el problema
de qué disolvente emplear para el procesado. Finalmente, DuPont empezó a
comercializarlo en 1972. Es muy resistente y su mecanización resulta muy
difícil.
La ligereza
y la resistencia a la rotura excepcional de estas poliaramidas hacen que sean
empleadas principalmente en “Chalecos antibalas”, además de otros usos.
Historia:
La historia
del descubrimiento del Kevlar es ciertamente apasionante, debido a que conjuga
elementos que van desde la dedicación hasta la fortuna del científico.
Además
el éxito supuso un gran avance en el desarrollo de nuevos materiales
poliméricos. A comienzos de la década de los ‘60s la compañía DuPont estaba
interesada en obtener una fibra más resistente que el Nylon (poliamida 6,6).
Hasta entones las soluciones empleadas para la formación de fibras eran
transparentes, por eso cuando trabajando con poli(para-fenilen-tereftalamidas)
y poli(benzamidas) obtenían soluciones opalescentes, estas eran descartadas. La
opalescencia se debía a la naturaleza cristalina de estas soluciones (cristales
líquidos), algo relativamente novedoso para aquellos tiempos y ese campo en
particular. A pesar de ello, un día Kwolek decidió hilar el producto de esas
soluciones.
El resultado
fue una fibra más resistente que el Nylon, que hoy en día es sinónimo de alta
resistencia y que actualmente se usa en más de 200 aplicaciones diferentes.
Más tarde se
descubriría que la seda de araña también se forma a partir de una solución de
cristal líquido de manera análoga a la síntesis del Kevlar pero con una
composición diferente.
Más tarde la
compañia Azko desarrollaría un nuevo método de procesado de la poli (para-fenilen-tereftalamida)
empleando como disolvente N-metilpirrolidona menos dañino que el empleado hasta
entonces por DuPont, la Hexametilfosfotamida; emplearía también este método y
esto dio lugar a una "guerra de patentes" que no hacen más que
mitificar más la historia de desarrollo y producción de este material.
Aramida
Las aramidas pertenecen a una
familia de nailones, incluyendo el nomex y el kevlar. El kevlar se utiliza para
hacer chalecos a prueba de balas y neumáticos resistentes a las pinchaduras.
Las mezclas de nomex y de kevlar
se utilizan para hacer ropas resistentes a la llama, motivo por el que lo
emplean los bomberos.
El kevlar es una poliamida, en
la cual todos los grupos amida están separados por grupos para-fenileno. Es
decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones opuestas entre
sí, en los carbonos. El kevlar es un polímero altamente cristalino. Llevó
tiempo encontrar una aplicación útil para el kevlar, dado que no era soluble en
ningún solvente. Por lo tanto, su procesado en solución estaba descartado. No
se fundía por debajo de 500 °C
El nomex, por otra parte, posee
grupos meta-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en
las posiciones.
El polietileno de peso molecular
ultraalto tiene una capacidad elástica mayor que la del kevlar, sustituyendo a
este en la confección de chalecos antibalas.
Síntesis:
La síntesis de este polímero se
lleva a cabo en solución N-metil-pirrolidona y cloruro de calcio, a través de
una polimerización por pasos a partir de la p-fenilendiamina y el dicloruro del
ácido tereftálico o cloruro de tereftaloílo. La reacción se lleva a cabo a
temperaturas bajas debido a su gran exotermicidad. Posteriormente el polímero
se hace precipitar y se disuelve en ácido sulfúrico concentrado en el cual
kevlar (y otras poliarilamidas) forma una solución cristalina que se emplea
para precipitar o coagular las fibras a la vez que se estiran mediante un
sistema de hilado.
En otras variantes de síntesis
de poli(aril)amidas, otros autores emplean otros disolventes como la
dimetilacetamida (DMAc).
La síntesis química de kevlar a
partir de (para-fenilendiamina) y cloruro de tereftaloílo.
La poli(arilamida) así obtenida
(se trata de una aramida) tiene un alto grado de orientación molecular a la vez
que hay se dan un gran número de interacciones por puentes de hidrógeno entre
los grupos amida. Por estas interacciones y este empaquetamiento, las fibras
obtenidas presentan unas altas prestaciones.
Características
del Kevlar:
- Propiedades mecánicas
- Rigidez: El kevlar posee una excepcional rigidez para tratarse de una fibra polimérica. El valor del módulo de elasticidad a temperatura ambiente es de entorno a 80 GPa (kevlar 29) y 120 (kevlar 49).6 El valor de un acero típico es de 200 GPa.
- Resistencia: El kevlar posee una excepcional resistencia a la tracción, de entorno a los 3,5 GPa.6 En cambio el acero tiene una resistencia de 1,5 GPa. La excepcional resistencia del kevlar (y de otras poliarilamidas similares) se debe a la orientación de sus cadenas moleculares, en dirección del eje de la fibra, así como a la gran cantidad de enlaces por puentes de hidrógeno entre las cadenas, entre los grupos amida (ver estructura).
- Elongación a rotura: El kevlar posee una elongación a rotura de en torno al 3,6 % (kevlar 29) y 2,4 % (kevlar 49)6 mientras que el acero rompe en torno al 1 % de su deformación.7 Esto hace que el kevlar sea un material más tenaz y absorba mucha mayor cantidad de energía que el acero antes de su rotura. El módulo elástico se reduce en torno a un 20 % cuando se emplea la fibra a 180 grados Celsius durante 500 h.6 Esta propiedad, junto con su resistencia química, hacen del kevlar un material muy utilizado en equipos de protección.
- Tenacidad: La tenacidad (energía absorbida antes de la rotura) del kevlar es en torno a los 50 MJ m-3, frente a los 6 MJ m-3 del acero.
- Propiedades térmicas: El kevlar se descompone a altas temperaturas (entre 420 y 480 grados Celsius) manteniendo parte de sus propiedades mecánicas incluso a temperaturas cercanas a su temperatura de descomposición.
- Conductividad eléctrica: Baja.
- Resistencia química: Alta.
- Contracción termal: Baja.
- Dureza: Alta.
- Estabilidad dimensional: Excelente.
- Resistencia al corte: alta.
Usos del kevlar
El kevlar ha desempeñado un
papel significativo en muchos usos críticos. Los cables de kevlar son tan
fuertes como los cables de acero, pero tienen sólo cerca del 20% de su peso lo
que hace de este polímero una excelente herramienta con múltiples utilidades.
El kevlar también se usa en: Chaquetas,
e impermeables, cuerdas y bolsas de aire en el sistema de aterrizaje de la nave
Mars Pathfinder; cuerdas de pequeño diámetro, hilo para coser, petos y
protecciones para caballos de picar toros, el blindaje antimetralla en los
motores jet de avión, de protección a pasajeros en caso de explosión, neumáticos
funcionales que funcionan desinflados, guantes contra cortes, raspones y otras
lesiones, guantes aislantes térmicos, kayaks resistencia de impacto, sin peso
adicional, esquís, cascos y racquetas fuertes y ligeros, algunos candados para
notebook, revestimiento para la fibra óptica, capa superficial de mangueras
profesionales antiincendios, compuesto de CD/DVD, por su resistencia tangencial
de rotación, silenciadores de tubos de escape, construcción de motores, cascos
de Fórmula 1, extremos inflamables de los golos, objeto muy popular entre
malabaristas, veleros de regata de alta competición, botas de alta montaña, cajas
acústicas, tanques de combustible de los automóviles de Fórmula 1, Alas de
aviones, lámparas, altavoces de estudio profesional, coderas y rodilleras de
alta resistencia, cascos de portero de jockey, equipamiento de motorista, trajes
espaciales
Referencias:
- J M García, F C García, F Serna, J L de la Peña (2010). «High-performance aromatic polyamides». Progress in Polymer Science 35 (5): pp. 623–686. doi:10.1016/j.progpolymsci.2009.09.002.
- JWS Hearle (2000). «High-performance fibers». Woodhead Publishing Ltd., Abington, UK – the Textile Institute (ISBN 1-85573-539-3).
- Doetze J. Sikkema (2002). «Manmade fibers one hundred years: Polymers and polymer design». J Appl Polym Sci, John Wiley & Sons, Inc. (83): pp. 484–488.
- Kh. Hillermeier and H.G. Weijland (1977). «An aramid yarn for reinforcing plastics». Plastica (11): pp. 374–380.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Kevlar
(bajo la Licencia Creative Commons
Atribución Compartir Igual 3.0)
Para saber
más: http://html.rincondelvago.com/fibras-de-kevlar.html
