La palabra aramida es una abreviación del término "aromatic polyamide" (poliamida aromática); y designa una categoría de fibra sintética, robusta y resistente al calor. Las aramidas se utilizan para fines militares, como pueden ser compuestos balísticos o protecciones personales, y en el campo aeroespacial. Las cadenas moleculares de las fibras de aramida están altamente orientadas en el eje longitudinal, lo que permite aprovechar la fuerza de sus uniones químicas para usos industriales.
El Kevlar® o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida sintetizada por primera vez en 1965 por la química polaco-estadounidense, Stephanie Kwolek (1923-2014) 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. A finales de los años setenta, la empres Akzo Nobel desarrolló una fibra con estructura química similar que posteriormente comercializó con el nombre de Twaron.
La ligereza y la excepcional resistencia a la rotura de estas poliaramidas hacen que sean empleadas en neumáticos, velas náuticas o en chalecos antibalas.
El descubrimiento supuso un gran avance en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos. A comienzos de los años sesenta, la compañía DuPont estaba interesada en obtener una fibra más resistente que el nailon (poliamida 6,6). Hasta entonces las soluciones empleadas para la formación de fibras eran transparentes, por eso cuando obtenían soluciones opalescentes mientras trabajaban con poli (para-fenilen-tereftalamidas) y poli (benzamidas), éstas eran descartadas. La opalescencia se debía a la naturaleza cristalina de estas soluciones (cristales líquidos), algo relativamente novedoso para aquellos tiempos y para 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 compañía Azko desarrollaría un nuevo método de procesado de la poli (para-fenilen-tereftalamida), empleando como disolvente N-metil-pirrolidona) menos dañino que el empleado hasta entonces por DuPont, la hexametilfosforamida, emplearía también este método y esto dio lugar a una "guerra de patentes", que no hicieron más que mitificar más la historia de desarrollo y producción de este material.
Esencialmente hay dos tipos de fibras de kevlar: kevlar 29 y kevlar 49.
El kevlar 29 es la fibra tal y como se obtiene de su fabricación. Se usa típicamente como refuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecánicas, o para tejidos. Entre sus aplicaciones está la fabricación de cables, ropa resistente (de protección) o chalecos antibalas.
El kevlar 49 se emplea cuando las fibras se van a embeber en una resina para formar un material compuesto. Las fibras de kevlar 49 están tratadas superficialmente para favorecer la unión con la resina. El kevlar 49 se emplea como equipamiento para deportes extremos, para altavoces y para la industria aeronáutica, aviones y satélites de comunicaciones y cascos para motos.
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). 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. 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) mientras que el acero rompe en torno al 1 % de su deformación. Esto hace que el kevlar sea un material más tenaz y absorba mucha mayor cantidad de energía que el acero antes de su rotura.
Tenacidad.
La tenacidad (energía absorbida antes de la rotura) del Kevlar está en torno a los 50 MJ M3, frente a los 6 MJ M3 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.
El módulo elástico se reduce en torno a un 20 % cuando se emplea la fibra a 180 grados Celsius durante 500 h. Esta propiedad, junto con su resistencia química, hacen del kevlar un material muy utilizado en equipos de protección.
Otras propiedades.
Conductividad eléctrica baja.
Alta resistencia química.
Contracción termal baja.
Alta dureza.
Estabilidad dimensional excelente.
Alta resistencia al corte.
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.
- Tenis (Reebok CrossFit Nano 5, Reebok CrossFit, Rich Froning Limited Edition)
- 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.
- Blindaje antimetralla en los motores jet de avión y de protección a los pasajeros en caso de explosión.
- Neumáticos que funcionan desinflados.
- Guantes contra cortes, raspones y otras lesiones.
- Guantes aislantes térmicos.
- Sobres y mantas ignífugos.
- Kayaks resistentes a impactos, sin peso adicional.
- Esquíes, cascos y raquetas fuertes y ligeros.
- Chalecos antibalas.
- Algunos candados para notebook.
- Revestimientos para la fibra óptica.
- Capas superficiales de mangueras profesionales antiincendios.
- Compuesto (composite) 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 objetos de manipulación tales como bastones, poi, golos, entre otros objetos muy popular entre malabaristas.
- Veleros de regata de alta competición.
- Botas de alta montaña.
- Cajas acústicas (Bowers & Wilkins).
- Tanques de combustible de los automóviles de Fórmula 1.
- Alas de aviones.
- ULDs.
- Lámparas.
- Altavoces de estudio profesional.
- Coderas y rodilleras de alta resistencia.
- Cascos de portero de hockey.
- Equipamiento de motorista.
- Trajes espaciales.
- Recubrimientos en dispositivos de telefonía celular como el Motorola RAZR o el OnePlus 2
- Raquetas de tenis Wilson Pro Staff 97
- Apoyos e inmovilizadores para resonancia magnética nuclear
Aramidas
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 los pinchazos.
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 1 y 4. El kevlar es un polímero altamente cristalino. Llevó tiempo encontrar una aplicación útil para el kevlar, dado que no era soluble en ningún disolvente. Por lo tanto, su procesado en disolución 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 1 y 3.
El polietileno de peso molecular ultraalto tiene una capacidad elástica mayor que la del kevlar, sustituyendo a este en la confección de chalecos antibalas.
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