Fibras de aramida

Las fibras de aramida, abreviatura de poliamida aromática, son una clase de fibras sintéticas fuertes y resistentes al calor. Se utilizan en aplicaciones aeroespaciales y militares, para telas de chalecos antibalas y compuestos balísticos, en cuerdas marinas, refuerzo de cascos marinos y como sustituto del asbesto.

Las moléculas de la cadena en las fibras están altamente orientadas a lo largo del eje de la fibra. Como resultado, una mayor proporción del enlace químico contribuye más a la resistencia de la fibra que en muchas otras fibras sintéticas. Las aramidas tienen un punto de fusión muy alto (>500 °C).

Las marcas comunes de aramida incluyen Kevlar, Nomex y Twaron.

Terminología y estructura química

La aramida es una forma abreviada de poliamida aromática. El término fue introducido en 1972, aceptado en 1974 por la Comisión Federal de Comercio de los EE. UU. como el nombre de una categoría genérica de fibra distinta del nailon y adoptado por la Organización Internacional de Normalización en 1977.

Aromático en el nombre se refiere a la presencia de anillos aromáticos de seis átomos de carbono. En las aramidas, estos anillos están conectados a través de enlaces amida, cada uno de los cuales comprende un grupo CO unido a un grupo NH.

Para cumplir con la definición de aramida de la FTC, al menos el 85% de estos enlaces deben estar unidos a dos anillos aromáticos.

Para-aramidas y meta-aramidas

Las aramidas se dividen en dos tipos principales según el lugar donde se unen los enlaces a los anillos. Numerando los átomos de carbono secuencialmente alrededor de un anillo, las para-aramidas tienen los enlaces unidos en las posiciones 1 y 4, mientras que las meta-aramidas los tienen en las posiciones 1 y 3. Es decir, los puntos de unión son diametralmente opuestos entre sí en las para-aramidas, y dos átomos separados en meta-aramidas. La ilustración muestra así una para-aramida.

Historia

Las poliamidas aromáticas se introdujeron por primera vez en aplicaciones comerciales a principios de la década de 1960, con una fibra de meta-aramida producida por DuPont como HT-1 y luego con el nombre comercial Nomex. Esta fibra, que se maneja de manera similar a las fibras textiles normales para prendas de vestir, se caracteriza por su excelente resistencia al calor, ya que ni se funde ni se enciende en niveles normales de oxígeno. Se utiliza ampliamente en la producción de prendas de protección, filtración de aire, aislamiento térmico y eléctrico, así como sustituto del asbesto.

Las meta-aramidas también son producidas en los Países Bajos y Japón por Teijin Aramid con el nombre comercial Teijinconex, en Corea por Toray con el nombre comercial Arawin, en China por Yantai Tayho con el nombre comercial New Star y por SRO Group con el nombre comercial X. -Fiper, y una variante de meta-aramida en Francia por Kermel bajo el nombre comercial de Kermel.

Sobre la base de investigaciones anteriores de Monsanto Company y Bayer, DuPont y AkzoNobel también desarrollaron fibra de para-aramida con una tenacidad y un módulo elástico mucho más altos en las décadas de 1960 y 1970, y ambos se beneficiaron de su conocimiento del procesamiento de rayón, poliéster y nailon. En 1973, DuPont fue la primera empresa en introducir una fibra de para-aramida, llamándola Kevlar; esta sigue siendo una de las para-aramidas y/o aramidas más conocidas.

En 1978, Akzo introdujo una fibra similar con aproximadamente la misma estructura química y la llamó Twaron. Debido a patentes anteriores sobre el proceso de producción, Akzo y DuPont se involucraron en una disputa de patentes en la década de 1980. Posteriormente, Twaron pasó a ser propiedad de Teijin Aramid Company. En 2011, Yantai Tayho introdujo una fibra similar que se llama Taparan en China (ver Producción).

Las para-aramidas se utilizan en muchas aplicaciones de alta tecnología, como aplicaciones aeroespaciales y militares, para telas de chalecos antibalas "a prueba de balas".

Tanto la fibra de meta-aramida como la de para-aramida se pueden utilizar para fabricar papel de aramida. El papel de aramida se utiliza como material de aislamiento eléctrico y material de construcción para hacer un núcleo de nido de abeja. Dupont fabricó papel de aramida durante la década de 1960, llamándolo papel Nomex. Yantai Metastar Special Paper introdujo un papel de aramida en 2007, que se llama papel metastar. Tanto Dupont como Yantai Metastar fabrican papel de meta-aramida y para-aramida.

Salud

Durante la década de 1990, una prueba in vitro de fibras de aramida mostró que exhibían "muchos de los mismos efectos en las células epiteliales que el asbesto, incluida una mayor incorporación de nucleótidos radiomarcados en el ADN y la inducción de la actividad de la enzima ODC (ornitina descarboxilasa), lo que plantea la posibilidad de implicaciones cancerígenas. Sin embargo, en 2009, se demostró que las fibrillas de aramida inhaladas se acortan y se eliminan rápidamente del cuerpo y presentan poco riesgo. Más tarde, el autor del estudio proporcionó una corrección de declaración de interés que indica que "Esta revisión fue encargada y financiada por DuPont y Teijin Aramid, pero el autor fue el único responsable del contenido y la redacción del artículo".

Producción

La capacidad mundial de producción de para-aramida se estimó en alrededor de 41.000 toneladas por año en 2002 y aumenta cada año entre un 5% y un 10%. En 2007 esto significa una capacidad de producción total de alrededor de 55.000 toneladas por año.

Preparación de polímeros

Las aramidas generalmente se preparan mediante la reacción entre un grupo amina y un grupo haluro de ácido carboxílico. Los homopolímeros AB simples tienen la conectividad −(NH−C ₆ H ₄ −CO) _n −.

Los polímeros de aramida bien conocidos como Kevlar, Twaron, Nomex, New Star y Teijinconex) se preparan a partir de precursores de diamina y diácido (o equivalente). Estos polímeros se pueden clasificar además según los enlaces en las subunidades aromáticas. Nomex, Teijinconex y New Star contienen predominantemente el metaenlace. Se denominan poli-metafenilenoisoftalamidas (MPIA). Por el contrario, tanto Kevlar como Twaron cuentan con enlaces para. Se llaman tereftalamidas de p -fenileno (PPTA). PPTA es un producto de p -fenilendiamina (PPD) y dicloruro de tereftaloilo (TDC o TCl).

La producción de PPTA se basa en un codisolvente con un componente iónico (cloruro de calcio, CaCl ₂) para ocupar los enlaces de hidrógeno de los grupos amida y un componente orgánico (N-metilpirrolidona, NMP) para disolver el polímero aromático. Este proceso fue inventado por Leo Vollbracht en Akzo. Aparte de la triamida hexametilfósforo cancerígena (HMPT), aún no se conoce ninguna alternativa práctica para disolver el polímero. El uso del sistema NMP/CaCl ₂ condujo a una extensa disputa de patentes entre Akzo y DuPont.

Hilado

Después de la producción del polímero, la fibra de aramida se produce hilando el polímero disuelto en una fibra sólida a partir de una mezcla química líquida. El solvente polimérico para hilar PPTA es generalmente ácido sulfúrico anhidro al 100% (H ₂ SO ₄).

Apariciones

• Fibra
• fibra picada
• Polvo
• Pulpa

Otros tipos de aramidas

Además de meta-aramidas como Nomex, otras variaciones pertenecen a la gama de fibras de aramida. Estos son principalmente del tipo de copoliamida, más conocidos bajo la marca Technora, desarrollados por Teijin e introducidos en 1976. El proceso de fabricación de Technora hace reaccionar PPD y 3,4'-diaminodifeniléter (3,4'-ODA) con cloruro de tereftaloilo. (TCl). Este proceso relativamente simple utiliza solo un solvente de amida y, por lo tanto, el hilado se puede realizar directamente después de la producción del polímero.

Características de la fibra de aramida

Las aramidas comparten un alto grado de orientación con otras fibras como el polietileno de ultra alto peso molecular, una característica que domina sus propiedades.

General

• buena resistencia a la abrasión
• buena resistencia a los disolventes orgánicos
• no conductivo
• punto de fusión muy alto (>500 °C)
• baja inflamabilidad
• buena integridad de la tela a temperaturas elevadas
• sensible a ácidos y sales
• sensible a la radiación ultravioleta
• propenso a la acumulación de carga electrostática a menos que termine

Para-aramidas

• Las fibras de para-aramida, como Kevlar y Twaron, brindan excelentes propiedades de resistencia al peso.
• alto módulo de acordes
• alta tenacidad
• baja fluencia
• bajo alargamiento a la rotura (~3,5%)
• difícil de teñir, generalmente teñido en solución

Usos

• ropa resistente al fuego
• ropa y cascos de protección contra el calor
• chalecos antibalas, que compiten con productos de fibra a base de polietileno como Dyneema y Spectra
• materiales compuestos
• sustitución de amianto (por ejemplo, pastillas de freno)
• telas de filtración de aire caliente
• neumáticos, recientemente como Sulfron (Twaron modificado con azufre)
• refuerzo mecánico de artículos de caucho
• cuerdas y cables
• Correas trapezoidales (automotrices, maquinaria, equipos y más)
• mechas para bailar fuego
• sistemas de cables de fibra óptica
• tela de vela (no necesariamente velas de barcos de carreras)
• artículos deportivos
• parches
• cañas para instrumentos de viento, como la marca Fibracell
• diafragmas de altavoz
• material de casco de barco
• hormigón reforzado con fibras
• tubos termoplásticos reforzados
• cuerdas de tenis, por ejemplo, de las compañías de tenis Ashaway y Prince
• palos de hockey (normalmente en composición con materiales como madera y carbono)
• tablas de snowboard
• recintos del motor a reacción
• sistemas de arrastre de carretes de pesca
• refuerzo de asfalto
• Prusiks para escaladores (que se deslizan a lo largo de la cuerda principal y, de lo contrario, pueden derretirse debido a la fricción).