Capton

Kapton es una película de poliimida utilizada en circuitos impresos flexibles (electrónica flexible) y mantas espaciales, que se utilizan en naves espaciales, satélites y diversos instrumentos espaciales. Inventado por DuPont Corporation en la década de 1960, Kapton permanece estable en un amplio rango de temperaturas, de 4 a 673 K (-269 a +400 °C). Kapton se utiliza en la fabricación de productos electrónicos, aplicaciones espaciales, con equipos de rayos X y en aplicaciones de impresión 3D. Sus propiedades térmicas favorables y sus características de desgasificación resultan en su uso regular en aplicaciones criogénicas y en situaciones donde se experimentan ambientes de alto vacío.

Historia

Kapton fue inventado por DuPont en la década de 1960. Kapton sigue siendo fabricado por DuPont hasta el día de hoy.

El nombre Kapton es una marca registrada de E. I. du Pont de Nemours and Company.

Química y variantes

La síntesis de Kapton es un ejemplo del uso de un dianhídrido en la polimerización por pasos. El polímero intermedio, conocido como poli(ácido ámico), es soluble debido a los fuertes enlaces de hidrógeno con los disolventes polares normalmente empleados en la reacción. El cierre del anillo se lleva a cabo a altas temperaturas de 470 a 570 K (200 a 300 °C).

El nombre químico de Kapton K y HN es poli (4,4'-oxidifenileno-piromelitimida). Se produce a partir de la condensación de dianhídrido piromelítico (PMDA) y 4,4'-oxidifenilamina (ODA).

Kapton E es una mezcla de dos dianhídridos, PMDA y dianhídrido de ácido bifeniltetracarboxílico (BPDA), y dos diaminas, ODA y p-fenilendiamina (PPD). El componente BPDA agrega mayor estabilidad dimensional y planitud en aplicaciones de circuitos flexibles. Kapton E ofrece un coeficiente de expansión térmica (CTE) reducido, una absorción de humedad reducida y un coeficiente de expansión higroscópica (CHE) reducido en comparación con Kapton H.

Características

De forma aislada, Kapton se mantiene estable en un amplio rango de temperaturas, de 4 a 673 K (-269 a +400 °C).

La conductividad térmica de Kapton a temperaturas de 0,5 a 5 Kelvin es bastante alta para temperaturas tan bajas, κ = 4,638×10⁻³ T^{0,5678< /sup> W·m−1·K−1.}

El aislamiento Kapton envejece mal: un estudio de la FAA muestra degradación en ambientes cálidos y húmedos o en presencia de agua de mar. Se descubrió que tenía muy poca resistencia al desgaste mecánico, principalmente a la abrasión dentro de los mazos de cables debido al movimiento de las aeronaves. Muchos modelos de aviones han tenido que someterse a extensas modificaciones en el recableado (a veces reemplazando completamente todo el cableado aislado con Kapton) debido a cortocircuitos causados por el aislamiento defectuoso. La degradación y el roce del cable Kapton debido a la vibración y el calor han estado implicados en múltiples accidentes de aviones tanto de ala fija como de ala giratoria, con pérdidas de vidas.

Según un informe interno de la NASA, los "cables del transbordador espacial estaban recubiertos con un aislante conocido como Kapton que tendía a romperse con el tiempo, provocando cortocircuitos y, potencialmente, incendios".

Uso

Fabricación de productos electrónicos

Debido a su amplio rango de estabilidad de temperatura y su capacidad de aislamiento eléctrico, la cinta Kapton se usa generalmente en la fabricación de productos electrónicos como capa aislante y protectora en componentes frágiles y sensibles a la electrostática. Como puede mantener la temperatura necesaria para una operación de soldadura por reflujo, su protección está disponible durante todo el proceso de producción y, a menudo, Kapton todavía está presente en el producto de consumo final.

Nave espacial

La etapa de descenso del módulo lunar Apollo y la parte inferior de la etapa de ascenso que rodea el motor de ascenso se cubrieron con mantas de lámina de Kapton aluminizada para proporcionar aislamiento térmico. Durante el viaje de regreso desde la Luna, el astronauta del Apolo 11 Neil Armstrong comentó que durante el lanzamiento de la etapa de ascenso Eagle del Módulo Lunar, pudo ver a Kapton y otras partes de la etapa LM dispersándose por toda el área a grandes distancias. "

El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA ha considerado a Kapton como un buen soporte plástico para velas solares debido a su durabilidad en el entorno espacial.

La nave espacial New Horizons de la NASA utilizó Kapton en una innovadora "botella termo" diseño de aislamiento para mantener la nave funcionando entre 283 y 303 K (10 y 30 °C) durante su viaje de más de nueve años y 5 terametros (33 unidades astronómicas) hasta encontrarse con el planeta enano Plutón el 14 de julio de 2015. El cuerpo principal está cubierto con un aislamiento térmico multicapa liviano, de color dorado, que retiene el calor de los dispositivos electrónicos en funcionamiento para mantener caliente la nave espacial. La cobertura térmica de 18 capas de tela de malla de Dacron intercalada entre una película aluminizada de Mylar y Kapton también ayudó a proteger la nave de los micrometeoritos.

El parasol del telescopio espacial James Webb está hecho de cinco láminas Kapton E recubiertas con aluminio y silicio dopado para reflejar el calor lejos del cuerpo de la nave espacial.

La tripulación a bordo de la Estación Espacial Internacional utilizó cinta Kapton para reparar temporalmente una fuga lenta en una nave espacial Soyuz adjunta al segmento ruso del complejo orbital en agosto de 2018. Se utilizó nuevamente en octubre de 2020 para sellar temporalmente una fuga en la cámara de transferencia del módulo de servicio Zvezda de la ISS.

Radiografías

Kapton también se utiliza comúnmente como material para ventanas utilizadas con todo tipo de fuentes de rayos X (líneas de haz de sincrotrón y tubos de rayos X) y detectores de rayos X. Su alta estabilidad mecánica y térmica, así como su alta transmitancia de rayos X, lo convierten en el material preferido. También es relativamente insensible al daño por radiación.

Impresión 3D

Kapton y ABS se adhieren muy bien entre sí, lo que ha llevado al uso generalizado de Kapton como superficie de construcción para impresoras 3D. Kapton se coloca sobre una superficie plana y el ABS se extruye sobre la superficie de Kapton. La pieza de ABS que se imprime no se desprenderá de la plataforma de construcción a medida que se enfría y se encoge, una causa común de falla de impresión por deformación de la pieza. Una alternativa más duradera es utilizar una superficie de polieterimida.

Los investigadores han ideado un método para imprimir en 3D material de poliimida, incluido Kapton. El ácido poliámico precursor de Kapton se mezcla con un reticulador de acrilato y un fotoiniciador que puede formar un gel cuando se expone a la luz ultravioleta durante la impresión 3D. El calentamiento posterior de la pieza impresa en 3D hasta 400 °C elimina los enlaces cruzados de sacrificio e imidiza la pieza formando Kapton con una geometría impresa en 3D.

Otros

La conductividad térmica relativamente alta de Kapton a temperaturas muy bajas, junto con sus buenas cualidades dieléctricas y su disponibilidad en láminas delgadas, lo han convertido en un material favorito en criogenia, ya que proporciona aislamiento eléctrico en gradientes térmicos bajos.

Kapton se utiliza habitualmente como aislante en entornos de vacío ultraalto debido a su baja tasa de desgasificación.

El cableado eléctrico aislado con Kapton se ha utilizado ampliamente en aeronaves civiles y militares porque es más liviano que otros aisladores y tiene buenas características de aislamiento y temperatura.