Kevlar

Kevlar (para-aramida) es una fibra sintética fuerte y resistente al calor, relacionada con otras aramidas como Nomex y Technora. Desarrollado por Stephanie Kwolek en DuPont en 1965, el material de alta resistencia se utilizó comercialmente por primera vez 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.

Kevlar tiene muchas aplicaciones, que van desde llantas de bicicleta 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. También se utiliza para fabricar parches de marcha modernos que resisten un alto impacto; y para líneas de amarre y otras aplicaciones submarinas.

Akzo desarrolló una fibra similar llamada Twaron con la misma estructura química en la década de 1970; la producción comercial comenzó en 1986, y ahora Teijin fabrica Twaron.

Historia

La tereftalamida de poliparafenileno (K29), de marca Kevlar, fue inventada por la química estadounidense Stephanie Kwolek mientras trabajaba para DuPont, anticipándose a la escasez de gasolina. En 1964, su grupo comenzó a buscar una nueva fibra fuerte y liviana para usar en llantas livianas pero fuertes. Los polímeros con los que había estado trabajando en ese momento, poli-p-fenileno-tereftalato y polibenzamida, formaban cristales líquidos mientras estaban en solución, algo exclusivo de esos polímeros en ese momento.

La solución era "turbia, opalescente al agitarla y de baja viscosidad" y generalmente se desechaba. Sin embargo, Kwolek persuadió 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. Sin embargo, Kwolek no estuvo muy involucrado en el desarrollo de las aplicaciones de Kevlar. Kevlar 149 fue inventado por el Dr. Jacob Lahijani de Dupont en la década de 1980.

Producción

El kevlar se sintetiza en solución a partir de los monómeros 1,4-fenilendiamina (para -fenilendiamina) y cloruro de tereftaloílo en una reacción de condensación que produce ácido clorhídrico como subproducto. El resultado tiene un comportamiento líquido-cristalino y el estiramiento mecánico orienta las cadenas de polímero en la dirección de la fibra. La hexametilfosforamida (HMPA) fue el solvente 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.

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

Hay varios grados de Kevlar disponibles:

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

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

Estructura y propiedades

Cuando se hila Kevlar, la fibra resultante tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 3620 MPa (525 000 psi) y una densidad relativa de 1,44 (0,052 lb/in). El polímero debe su alta resistencia a los numerosos enlaces entre cadenas. Estos enlaces de hidrógeno intermoleculares se forman entre los grupos carbonilo y N Hcentros. La fuerza adicional se deriva de las interacciones de apilamiento aromático entre hebras adyacentes. Estas interacciones tienen una mayor influencia en 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 sintéticas, como el polietileno de ultra alto peso molecular. La presencia de sales y ciertas otras impurezas, especialmente calcio, podría interferir con las interacciones de las hebras y se debe tener cuidado para evitar su inclusión en su producción. La estructura de Kevlar consiste en moléculas relativamente rígidas que tienden a formar estructuras en su mayoría planas similares a láminas, como la proteína de la seda.

Propiedades termales

Kevlar mantiene su fuerza y ​​resistencia a 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 entre un 10% y un 20% 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 aproximadamente un 10 %; y soportando 260 °C (500 °F) durante 70 horas, su resistencia se reduce en aproximadamente un 50%.

Aplicaciones

Ciencias

Kevlar se usa a menudo en el campo de la criogenia por su baja conductividad térmica y alta resistencia en relación con otros materiales para fines de suspensión. Se utiliza con mayor frecuencia para suspender un recinto de sal paramagnética de un mandril de imán superconductor para minimizar cualquier fuga de calor al material paramagnético. También se utiliza como soporte estructural o separador térmico donde se desean fugas de calor bajas.

El experimento NA48 en el CERN ha utilizado una delgada ventana de Kevlar para separar un recipiente de vacío de un recipiente a una 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 0,3% a 0,4% de longitud de radiación).

Proteccion

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

Kevlar se utiliza para fabricar guantes, mangas, chaquetas, chaparreras y otras prendas de vestir diseñadas para proteger a los usuarios de cortes, abrasiones y calor. El equipo de protección a base de Kevlar suele ser considerablemente más ligero y delgado que el equipo equivalente fabricado con materiales más tradicionales.

Se utiliza para ropa de seguridad para motociclistas, especialmente en las zonas con acolchado como los hombros y los codos. En el deporte de la esgrima se utiliza en las chaquetas protectoras, calzones, petos y pechera de las máscaras. Cada vez se utiliza más en el peto, la funda acolchada que protege a los caballos de los picadores en la plaza de toros. Los patinadores de velocidad también usan con frecuencia una capa inferior de tejido Kevlar para evitar posibles heridas de los patines en caso de caída o colisión.

Deporte

En kyudo, o tiro con arco japonés, puede usarse para cuerdas de arco, como alternativa al cáñamo más caro. Es uno de los principales materiales utilizados para las líneas de suspensión de los parapentes. Se utiliza como revestimiento interior de algunos neumáticos de bicicleta para evitar pinchazos. En el tenis de mesa, se agregan capas de Kevlar a palas o palas de capas personalizadas para aumentar el rebote y reducir el peso. Las raquetas de tenis a veces se ensartan con Kevlar. Se utiliza en velas para barcos de competición de alto rendimiento.

En 2013, con los avances tecnológicos, Nike utilizó Kevlar en los zapatos por primera vez. Lanzó la serie Elite II, 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 disminuir la elasticidad de la punta del zapato en contraste con el nailon que se usa convencionalmente, ya que el Kevlar se expandió aproximadamente un 1 % frente al nailon que se expandió aproximadamente un 30 %. Los zapatos de esta gama incluían LeBron, HyperDunk y Zoom Kobe VII. Sin embargo, estos zapatos se lanzaron a un rango de precios mucho más alto que el costo promedio de los zapatos de baloncesto. También se usó en los cordones de las botas de fútbol Adidas F50 adiZero Prime.

Varias empresas, incluida Continental AG, fabrican neumáticos para bicicletas con Kevlar para proteger contra pinchazos.

Los neumáticos de bicicleta con talón plegable, introducidos en el ciclismo por Tom Ritchey en 1984, utilizan Kevlar como talón en lugar de acero para reducir el peso y aumentar la resistencia. Un efecto secundario del talón plegable es la reducción del espacio en estantes y en el piso necesario para exhibir neumáticos para bicicletas 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 unidades de control de rango medio y bajo. Además, Kevlar se ha utilizado como elemento resistente en cables de fibra óptica, como los que se utilizan para transmisiones de datos de audio.

Kevlar se puede utilizar como núcleo acústico en arcos para instrumentos de cuerda. Las propiedades físicas de Kevlar brindan fuerza, flexibilidad y estabilidad al usuario del arco. Hasta la fecha, el único fabricante de este tipo de arco es CodaBow.

Kevlar también se usa actualmente como material para cordones de cola (también conocidos como ajustadores de cordal), que conectan el cordal al extremo de los instrumentos de cuerda arqueados.

Kevlar se usa a veces como material en tambores de marcha. Permite una cantidad extremadamente alta de tensión, lo que da como resultado un sonido más limpio. Por lo general, se vierte una resina sobre el Kevlar para hacer que la cabeza sea hermética y una capa superior de nailon para proporcionar una superficie de golpe plana. Este es uno de los principales tipos de parches de caja de marcha. El parche Falam Slam de Remo está hecho con Kevlar y se utiliza para reforzar los parches de bombo donde golpea el batidor.

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

Vehículos de motor

Kevlar se usa a veces en componentes estructurales de automóviles, especialmente en automóviles de alto rendimiento como el Ferrari F40.

La fibra cortada se ha utilizado como reemplazo del asbesto en las pastillas de freno. Las aramidas como el Kevlar liberan menos fibras suspendidas en el aire que los frenos de asbesto y no tienen las propiedades cancerígenas asociadas con el asbesto.

Otros usos

Las mechas para accesorios de baile de fuego están hechas de materiales compuestos con Kevlar en ellos. 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 de Kevlar permite que las mechas se reutilicen muchas veces.

Kevlar se utiliza a veces como sustituto del teflón en algunas sartenes antiadherentes.

La fibra de Kevlar se usa 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 agrietado mediante aplicación circunferencial seguida de tensado para cerrar las grietas. Kevlar se usa ampliamente como cubierta exterior protectora para cables de fibra óptica, ya que su resistencia protege el cable de daños y torceduras. Cuando se utiliza en esta aplicación, se conoce comúnmente con el nombre de marca registrada Parafil.

Kevlar fue utilizado por científicos del Instituto de Tecnología de Georgia como tejido base para un experimento en ropa que produce electricidad. Esto se hizo tejiendo nanocables de óxido de zinc en la tela. Si tiene éxito, la nueva tela generará alrededor de 80 milivatios por metro cuadrado.

Un techo retráctil de más de 60.000 pies cuadrados (5.600 m) de Kevlar fue una parte clave del diseño del Estadio Olímpico de Montreal para los Juegos Olímpicos de verano de 1976. Tuvo un fracaso espectacular, ya que se completó 10 años tarde y se reemplazó solo 10 años después, en mayo de 1998, después de una serie de problemas.

Kevlar se puede encontrar como una capa de refuerzo en juntas de expansión de fuelles de goma y mangueras de goma, para uso en aplicaciones de alta temperatura y por su alta resistencia. También se encuentra como una capa trenzada que se usa en el exterior de los conjuntos de mangueras para agregar protección contra objetos afilados.

Algunos teléfonos celulares (incluyendo la familia Motorola RAZR, Motorola Droid Maxx, OnePlus 2 y Pocophone F1) tienen una placa posterior de Kevlar, elegida sobre otros materiales como la fibra de carbono debido a su resistencia y falta de interferencia con la transmisión de la señal.

Los materiales compuestos de fibra de Kevlar/matriz epoxi 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.

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 los composites de alto rendimiento suele ser resina epoxi. Las aplicaciones típicas incluyen carrocerías monocasco para autos de carrera F1, palas de rotor de helicóptero, tenis, tenis de mesa, raquetas de bádminton y squash, kayaks, bates de cricket y palos de hockey sobre césped, hockey sobre hielo y lacrosse.

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