Kevlar
Fibra de poliamida aromática fuerte y resistente al calor.

Kevlar
Modelo de bolas y palos de una sola capa de la estructura cristalina.
Nombres
Nombre IUPAC
Poli(azanediil-1,4-fenilenazanediiltereftaloil) [1]
Identificadores
  • 24938-64-5 controlarY
Araña química
  • ninguno
Propiedades
[-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] norte
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Compuesto químico

El kevlar (para-aramida) [2] es una fibra sintética resistente y resistente al calor , relacionada con otras aramidas como Nomex y Technora . Desarrollado por Stephanie Kwolek en DuPont en 1965, [3] [2] [4] este material de alta resistencia se utilizó por primera vez comercialmente a principios de la década de 1970 como reemplazo del acero en los neumáticos de carreras. Por lo general, se hila en cuerdas o láminas de tela que se pueden usar como tales o como ingrediente en componentes de materiales compuestos .

El kevlar tiene muchas aplicaciones, desde neumáticos de bicicletas y velas de carreras hasta chalecos antibalas , todo debido a su alta relación resistencia a la tracción-peso ; por esta medida, es cinco veces más fuerte que el acero. [2] También se utiliza para fabricar parches de tambores de marcha modernos que resisten altos impactos; y para líneas de amarre y otras aplicaciones submarinas.

Una fibra similar llamada Twaron con la misma estructura química fue desarrollada por Akzo en la década de 1970; la producción comercial comenzó en 1986 y Twaron es fabricado por Teijin . [5] [6]

Historia

Inventor del Kevlar, Stephanie Kwolek , química polaco-estadounidense

La química polaco-estadounidense Stephanie Kwolek inventó el poli-parafenilentereftalamida (K29), conocido como Kevlar, mientras trabajaba para DuPont, en previsión de una escasez de gasolina. En 1964, su grupo comenzó a buscar una nueva fibra ligera y resistente para utilizarla en neumáticos ligeros, pero resistentes. [7] Los polímeros con los que había estado trabajando, poli-p-fenilentereftalato y polibenzamida, [8] formaban cristales líquidos en solución, algo exclusivo de los polímeros de la época. [7]

La solución era "turbia, opalescente al ser agitada y de baja viscosidad " y generalmente se desechaba. Sin embargo, Kwolek convenció al técnico, Charles Smullen, que manejaba la hilera , para que probara su solución y se sorprendió al descubrir que la fibra no se rompía, a diferencia del nailon . Su supervisor y el director de su laboratorio comprendieron la importancia de su descubrimiento y rápidamente surgió un nuevo campo de la química de polímeros . En 1971, se introdujo el kevlar moderno. [7] Sin embargo, Kwolek no estuvo muy involucrado en el desarrollo de las aplicaciones del kevlar. [9]

En 1971, Lester Shubin , que entonces era el Director de Ciencia y Tecnología del Instituto Nacional para la Aplicación de la Ley y la Justicia Penal, [10] sugirió usar Kevlar para reemplazar el nailon en los chalecos antibalas. [11] Antes de la introducción del Kevlar, los chalecos antibalas hechos de nailon habían proporcionado una protección mucho más limitada a los usuarios. Shubin recordó más tarde cómo se desarrolló la idea: "Lo doblamos un par de veces y le disparamos. Las balas no lo atravesaron". En las pruebas, ataron Kevlar a cabras anestesiadas y dispararon a sus corazones, médula espinal, hígado y pulmones. Monitorearon la frecuencia cardíaca y los niveles de gases en sangre de las cabras para verificar si tenían lesiones pulmonares. Después de 24 horas, una cabra murió y las otras tenían heridas que no pusieron en peligro su vida. [12] [13] [ verificación necesaria ] Shubin recibió una subvención de $ 5 millones para investigar el uso de la tela en chalecos antibalas.

El Kevlar 149 fue inventado por Jacob Lahijani de Dupont en la década de 1980. [14]

Producción

La reacción de 1,4-fenilendiamina ( para -fenilendiamina) con cloruro de tereftaloilo produce Kevlar

El kevlar se sintetiza en solución a partir de los monómeros 1,4- fenilendiamina ( para -fenilendiamina ) y cloruro de tereftaloilo en una reacción de condensación que produce ácido clorhídrico como subproducto. El resultado tiene un comportamiento líquido-cristalino y el estirado mecánico orienta las cadenas de polímero en la dirección de la fibra. La hexametilfosforamida (HMPA) fue el disolvente utilizado inicialmente para la polimerización , pero por razones de seguridad, DuPont lo reemplazó por una solución de N -metil-pirrolidona y cloruro de calcio. Como este proceso había sido patentado por Akzo (ver arriba) en la producción de Twaron , se produjo una guerra de patentes . [15]

La producción de kevlar es costosa debido a las dificultades que surgen del uso de ácido sulfúrico concentrado , necesario para mantener el polímero insoluble en agua en solución durante su síntesis e hilado . [16]

Hay varios grados de Kevlar disponibles:

  • Kevlar K-29 – en aplicaciones industriales, como cables, reemplazo de asbesto , neumáticos y pastillas de freno.
  • Kevlar K49 : módulo alto utilizado en productos de cables y cuerdas.
  • Kevlar K100 : versión coloreada de Kevlar
  • Kevlar K119 : mayor elongación, más flexible y más resistente a la fatiga
  • Kevlar K129 : mayor tenacidad para aplicaciones balísticas
  • Kevlar K149 : máxima tenacidad para aplicaciones balísticas, de blindaje y aeroespaciales [17] [18]
  • Kevlar AP : 15 % más de resistencia a la tracción que el K-29 [19]
  • Kevlar XP : combinación de resina más liviana y fibra KM2 plus [20]
  • Kevlar KM2 : resistencia balística mejorada para aplicaciones de blindaje [21]

El componente ultravioleta de la luz solar degrada y descompone el Kevlar, un problema conocido como degradación UV , por lo que rara vez se utiliza al aire libre sin protección contra la luz solar. [22]

Estructura y propiedades

Estructura molecular del Kevlar: en negrita representa una unidad monomérica , las líneas discontinuas indican enlaces de hidrógeno.

Cuando se hila el Kevlar , la fibra resultante tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 3.620 MPa (525.000 psi) , [23] y una densidad relativa de 1,44 (0,052 lb/in 3 ). El polímero debe su alta resistencia a los numerosos enlaces entre cadenas. Estos enlaces de hidrógeno intermoleculares se forman entre los grupos carbonilo y los centros N H. La resistencia adicional se deriva de las interacciones de apilamiento aromático entre hebras adyacentes. Estas interacciones tienen una mayor influencia en el Kevlar que las interacciones de van der Waals y la longitud de la cadena que normalmente influyen en las propiedades de otros polímeros y fibras sintéticos como el polietileno de peso molecular ultraalto . La presencia de sales y ciertas otras impurezas, especialmente calcio , podría interferir con las interacciones de las hebras y se tiene cuidado para evitar su inclusión en su producción. La estructura del Kevlar consta de moléculas relativamente rígidas que tienden a formar estructuras en su mayoría planas similares a láminas, bastante similares a la proteína de la seda . [24]

Propiedades térmicas

El kevlar mantiene su resistencia y resiliencia hasta temperaturas criogénicas (−196 °C (−320,8 °F)): de hecho, es ligeramente más fuerte a bajas temperaturas. A temperaturas más altas, la resistencia a la tracción se reduce inmediatamente en un 10-20% aproximadamente, y después de algunas horas, la resistencia se reduce progresivamente aún más. Por ejemplo: al soportar 160 °C (320 °F) durante 500 horas, su resistencia se reduce en un 10% aproximadamente; y al soportar 260 °C (500 °F) durante 70 horas, su resistencia se reduce en un 50% aproximadamente. [25]

Aplicaciones

Ciencia

El kevlar se utiliza a menudo en el campo de la criogenia por su baja conductividad térmica y su alta resistencia en relación con otros materiales para fines de suspensión. Se utiliza con mayor frecuencia para suspender una envoltura de sal paramagnética de un mandril de imán superconductor con el fin de minimizar las fugas de calor hacia el material paramagnético. También se utiliza como separador térmico o soporte estructural donde se desean bajas fugas de calor.

El experimento NA48 del CERN ha utilizado una ventana delgada de Kevlar para separar un recipiente de vacío de un recipiente a presión casi atmosférica, ambos de 192 cm (76 pulgadas) de diámetro. La ventana ha proporcionado hermeticidad al vacío combinada con una cantidad razonablemente pequeña de material (solo entre el 0,3% y el 0,4% de la longitud de radiación ). [ cita requerida ]

Protección

Piezas de un casco de Kevlar utilizadas para ayudar a absorber la explosión de una granada.

El kevlar es un componente muy conocido de los blindajes personales , como los cascos de combate , las máscaras balísticas y los chalecos balísticos . El casco y el chaleco PASGT utilizados por las fuerzas militares de los Estados Unidos utilizan el kevlar como componente clave en su construcción. Otros usos militares incluyen máscaras faciales a prueba de balas y revestimientos antiesquirlas utilizados para proteger a las tripulaciones de vehículos de combate blindados . Los portaaviones de la clase Nimitz utilizan refuerzos de kevlar en áreas vitales. Las aplicaciones civiles incluyen: uniformes de alta resistencia al calor usados ​​por bomberos, chalecos antibalas usados ​​por oficiales de policía, seguridad y equipos tácticos policiales como SWAT . [26]

El kevlar se utiliza para fabricar guantes, mangas, chaquetas, polainas y otras prendas de vestir [27] diseñadas para proteger a los usuarios de cortes, abrasiones y calor. Los equipos de protección a base de kevlar suelen ser considerablemente más ligeros y delgados que los equipos equivalentes fabricados con materiales más tradicionales. [26]

El kevlar es un material muy popular para las canoas de carreras.

Se utiliza en la ropa de seguridad de los motociclistas , especialmente en las zonas que llevan acolchados, como los hombros y los codos. En el deporte de la esgrima se utiliza en las chaquetas protectoras, los pantalones, los petos y el peto de las máscaras. Cada vez se utiliza más en el peto , la cubierta acolchada que protege a los caballos de los picadores en la plaza de toros. Los patinadores de velocidad también suelen llevar una capa inferior de tejido de kevlar para evitar posibles heridas causadas por los patines en caso de caída o colisión.

Deporte

En el kyudo , o tiro con arco japonés , se puede utilizar para cuerdas de arco , como alternativa al cáñamo más caro [28] . Es uno de los principales materiales utilizados para las líneas de suspensión de parapentes . [29] Se utiliza como revestimiento interior para algunos neumáticos de bicicleta para evitar pinchazos. En tenis de mesa , se añaden capas de kevlar a las palas de capas personalizadas, o paletas, para aumentar el rebote y reducir el peso. Las raquetas de tenis a veces se encordan con kevlar. Se utiliza en velas para barcos de carreras de alto rendimiento.

En 2013, con los avances tecnológicos, Nike utilizó Kevlar en sus zapatillas por primera vez. Lanzó la Serie Elite II, [30] con mejoras en su versión anterior de zapatillas de baloncesto mediante el uso de Kevlar en la parte anterior y en los cordones de las zapatillas . Esto se hizo para reducir la elasticidad de la punta de la zapatilla en contraste con el nailon utilizado convencionalmente, ya que el Kevlar se expandía aproximadamente un 1% frente al nailon, que se expandía aproximadamente un 30%. Las zapatillas de esta gama incluían LeBron, HyperDunk y Zoom Kobe VII. Sin embargo, estas zapatillas se lanzaron a un rango de precios mucho más alto que el coste medio de las zapatillas de baloncesto. También se utilizó en los cordones de las botas de fútbol Adidas F50 adiZero Prime.

Varias empresas, incluida Continental AG , fabrican neumáticos para bicicletas con Kevlar para protegerlos contra pinchazos. [31]

Los neumáticos de bicicleta con talón plegable, introducidos en el mundo del ciclismo por Tom Ritchey en 1984, [32] [ referencia circular ] utilizan Kevlar como talón en lugar de acero para reducir el peso y lograr mayor resistencia. Un efecto secundario del talón plegable es la reducción del espacio en los estantes y en el piso necesarios para exhibir los neumáticos de bicicleta en un entorno minorista, ya que se doblan y se colocan en cajas pequeñas.

Música

También se ha descubierto que el Kevlar tiene propiedades acústicas útiles para los conos de los altavoces , específicamente para las unidades de control de graves y medios. [33] Además, el Kevlar se ha utilizado como elemento de resistencia en cables de fibra óptica como los que se utilizan para las transmisiones de datos de audio. [34]

El kevlar se puede utilizar como núcleo acústico en arcos para instrumentos de cuerda . [35] Las propiedades físicas del kevlar proporcionan resistencia, flexibilidad y estabilidad al usuario del arco. Hasta la fecha, el único fabricante de este tipo de arco es CodaBow. [36]

El kevlar también se utiliza actualmente como material para los cordones de cola (también conocidos como ajustadores del cordal), que conectan el cordal al extremo de los instrumentos de cuerda frotada. [37]

El kevlar se utiliza a veces como material en los tambores de marcha. Permite una cantidad de tensión extremadamente alta, lo que da como resultado un sonido más limpio. Por lo general, se vierte una resina sobre el kevlar para que el parche sea hermético y una capa superior de nailon para proporcionar una superficie de impacto plana. Este es uno de los principales tipos de parches para tambores de marcha. El parche Falam Slam de Remo está hecho con kevlar y se utiliza para reforzar los parches de los bombos donde golpea el mazo. [38]

El kevlar se utiliza en las cañas de instrumentos de viento de Fibracell. El material de estas cañas es un compuesto de materiales aeroespaciales diseñado para duplicar la forma en que la naturaleza construye las cañas de caña. Las fibras de kevlar, muy rígidas pero que absorben el sonido, están suspendidas en una formulación de resina liviana. [39]

Vehículos de motor

El kevlar se utiliza a veces en componentes estructurales de automóviles, especialmente en automóviles de alto rendimiento como el Ferrari F40 . [40]

La fibra cortada se ha utilizado como sustituto del amianto en las pastillas de freno . [41] Las aramidas como el Kevlar liberan menos fibras en el aire que los frenos de amianto y no tienen las propiedades cancerígenas asociadas al amianto. [42] [43]

Otros usos

Poi de fuego en una playa de San Francisco
Línea de amarre de kevlar

Las mechas para los accesorios de danza con fuego están hechas de materiales compuestos que contienen Kevlar. El Kevlar por sí solo no absorbe muy bien el combustible, por lo que se mezcla con otros materiales como fibra de vidrio o algodón . La alta resistencia al calor del Kevlar permite que las mechas se puedan reutilizar muchas veces.

El kevlar se utiliza a veces como sustituto del teflón en algunas sartenes antiadherentes. [44]

La fibra de kevlar se utiliza en cuerdas y cables, donde las fibras se mantienen paralelas dentro de una funda de polietileno . Los cables se han utilizado en puentes colgantes como el puente de Aberfeldy, Escocia . También se han utilizado para estabilizar torres de refrigeración de hormigón agrietadas mediante la aplicación circunferencial seguida de tensión para cerrar las grietas. El kevlar se utiliza ampliamente como funda exterior protectora para cables de fibra óptica , ya que su resistencia protege al cable de daños y torceduras. Cuando se utiliza en esta aplicación, se lo conoce comúnmente con el nombre de marca registrada Parafil. [45]

Los científicos del Instituto Tecnológico de Georgia utilizaron el kevlar como tejido de base para un experimento sobre ropa que produce electricidad. Para ello, se tejieron nanocables de óxido de cinc en la tela. Si el experimento tiene éxito, la nueva tela generará unos 80 milivatios por metro cuadrado. [46]

Un techo retráctil de más de 5600 m2 (60 000 pies cuadrados ) de Kevlar fue una parte clave del diseño del Estadio Olímpico de Montreal para los Juegos Olímpicos de Verano de 1976. Fue un fracaso espectacular, ya que se completó con 10 años de retraso y se reemplazó solo 10 años después, en mayo de 1998, después de una serie de problemas. [47] [48]

El kevlar se puede encontrar como capa de refuerzo en juntas de expansión de fuelles de caucho y mangueras de caucho , para su uso en aplicaciones de alta temperatura y por su alta resistencia. También se encuentra como capa trenzada utilizada en el exterior de los conjuntos de mangueras, para agregar protección contra objetos afilados. [49] [50] [51]

Algunos teléfonos móviles (incluidos la familia Motorola RAZR , el Motorola Droid Maxx , OnePlus 2 y Pocophone F1 ) tienen una placa posterior de Kevlar, elegida por sobre otros materiales como la fibra de carbono debido a su resistencia y falta de interferencia con la transmisión de señales. [52]

Los materiales compuestos de matriz de epoxi/fibra de Kevlar se pueden utilizar en turbinas de corriente marina (MCT) o turbinas eólicas debido a su alta resistencia específica y peso ligero en comparación con otras fibras. [53]

Materiales compuestos

Las fibras de aramida se utilizan ampliamente para reforzar materiales compuestos, a menudo en combinación con fibra de carbono y fibra de vidrio . La matriz para compuestos de alto rendimiento suele ser resina epoxi . Las aplicaciones típicas incluyen carrocerías monocasco para coches de Fórmula 1 , palas de rotor de helicópteros, raquetas de tenis , tenis de mesa , bádminton y squash , kayaks , bates de cricket y palos de hockey sobre césped , hockey sobre hielo y lacrosse . [54] [55] [56] [57]

El Kevlar 149, la fibra más fuerte y de estructura más cristalina, es una alternativa en ciertas partes de la construcción de aeronaves. [58] El borde de ataque del ala es una aplicación, siendo el Kevlar menos propenso a romperse en colisiones con aves que la fibra de carbono o de vidrio.

Véase también

Referencias

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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Kevlar .
  • Sitio web oficial
  • Aramidas
  • Propiedades del material Matweb de Kevlar
  • Patente estadounidense 5.565.264
  • Kevlar Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine.
  • Kevlar en chalecos antibalas
  • Síntesis de Kevlar
  • Pasarela de Aberfeldy sobre el río Tay Archivado el 2 de octubre de 2011 en Wayback Machine.
  • Kevlar en Plastics Wiki
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