El Kevlar® o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida
sintetizada por primera vez en 1965 por la química polaco-estadounidense
Stephanie Kwolek (1923-), quien trabajaba para DuPont. Finalmente, DuPont
empezó a comercializarlo en 1972.
El KEVLAR: Polímero totalmente aromático, infusible, que
puede describirse estrictamente como nylon T, T. Sólo se fabrica como fibra
(mediante fricción en solución), tiene una estabilidad térmica y una
resistencia térmica y a la llama muy altas. A diferencia de su isómero químico
Nomex, sus propiedades de tracción son superiores a las de las fibras textiles
normales debido a un alto grado de orientación molecular resultante de sus
moléculas lineales rígidas y de su propensión a formar cristales líquidos durante
la fricción en solución. Estas fibras tienen en común con el número limitado de
los materiales altamente orientados un coeficiente (bajo) de expansión térmica
negativo en la dirección axial.
Se utilizan ampliamente en los composites más ligeros que los
que aislantes eléctricos que se basan en fibra de carbono. Sus propiedades
mecánicas suelen ser inferiores. Su coeficiente específico de tracción es alto
y cercano al de los composites de fibra de carbono pero su resistencia a la
compresión es bastante débil.
Además de los composites, sus aplicaciones incluyen ropa de
protección, chalecos antibalas, productos de fricción, reforzamiento de
elastómeros (p.ej. tubos y cintas de transportadores de cinta), cables, cuerdas
y telas de las velas de barcos.
ESTRUCTURA QUIMICA
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.
* En cuanto a los enlaces por puentes de hidrógeno, el Kevlar y el agua tienen algo en común. En ambos compuestos, los átomos de oxígeno tienen una alta densidad de electrones alrededor del núcleo. Puesto que los electrones se cargan negativamente, los átomos de oxígeno tendrán una carga negativa leve. Por otra parte, los átomos de hidrógeno tienen una densidad mucho más baja de electrones alrededor del núcleo, teniendo, por tanto, una carga positiva parcial. El hidrógeno y el oxígeno de diversas moléculas se atraen, formando el enlace por puentes de hidrógeno.
Los químicos pensaban que los compuestos aromáticos del Kevlar tenían alguna realción con su fuerza. El desafío era descubrir cómo orientaron estos grupos aromáticos dentro de una fibra de Kevlar. Con la luz del sincrotrón, es posible "ver" (detectar) la presencia de diversos grupos de átomos, gracias a la absorción selectiva de la luz.
Se puede utilizar un tipo especial de radiografía, llamada microscopía, para revelar la orientación de moléculas en determinados materiales. En el sincrotrón nacional de Nueva York, se obtuvo esta imagen de una fibra de Kevlar:
El patrón demuestra que los componentes aromáticos de Kevlar tienen una orientación radial.
La orientación radial es importante porque permite que las cadenas del polímero sean simétricas como los átomos en un cristal. Esto proporciona un alto grado de simetría y de regularidad a la estructura interna de las fibras. Debido a esta estructura, una fibra de Kevlar tiene pocos defectos estructurales. Esta carencia de defectos es la razón más importante de la fuerza excepcional del Kevlar.
PROPIEDADES
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).6 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.
Una fibra de Kevlar es un arsenal de moléculas orientadas en
paralelo como un paquete de espaguetis crudos. Esta colocación espacial es lo
que proporciona las moléculas con
estructura cristalina. La cristalinidad es obtenida por un proceso de
fabricación que implica sacar la solución
fundida del polímero a través de agujeros pequeños de la extrusora. La cristalinidad
de los filamentos del polímero de Kevlar contribuye perceptiblemente a su
fuerza y rigidez únicas.
Imagine una caja de espaguetis crudos. No hay nada que
mantenga todos los espagetis juntos, de hecho, si usted vaciara la caja, todos
los espaguetis caerían.
Aunque las cadenas del polímero de Kevlar son cadenas
individuales, como los espaguetis, en realidad sí están unidas formando un
conjunto. ¿Pero cómo se unen?
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¿Las cadenas del polímero están como pegadas?
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¿Son similares a las piezas de un puzzle?
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¿Se atraen como lo hacen dos imanes?
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La idea de la atracción entre imanes es una analogía que
ayuda en entender las fuerzas atractivas entre las cadenas del polímero. Las
cadenas individuales del polímero se unen realmente por fuerzas electrostáticas
que hay entre las moléculas, conocidas como enlaces por puentes de hidrógeno,
que se forman entre los grupos de amidas polares en cadenas adyacentes.
Elongación a rotura
El kevlar posee una elongación a rotura de entorno al 3,6 %
(kevlar 29) y 2,4 % (kevlar 49)6 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 es en torno a los 50 MJ m-3, frente a los 6 MJ m-3 del acero.7
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.6 Esta propiedad, junto con
su resistencia química, hacen del kevlar un material muy utilizado en equipos
de protección.
* KEBLAR 29
Fibras utilizadas para la fabricación de chalecos antibalas,
armaduras de
refuerzo compuesto, cascos, cuerdas, cables, partes de asbesto
sustituyan.
Rigidez
El Kevlar posee una excepcional rigidez para tratarse de una
fibra polimérica.
Elasticidad
El valor del módulo de elasticidad a temperatura ambiente es
de entorno a 80 GPa (Kevlar29)
Elongcion
El Kevlar posee una elongación a rotura de entorno al 3,6%
(Kevlar 29)
Resistencia
Kevlar 29 - de alta resistencia (520 000 psi/3600 MPa), de
baja densidad (90 lb / pie ³ / 1440 kg / m³)
* KEVLAR 49
Elasticidad
El valor del módulo de elasticidad a temperatura ambiente es
de entorno 120 (Kevlar49)6 . El valor de un acero típico es de 200 GPa.
Elongacion
El Kevlar posee una elongación a rotura de entorno al 2,4% (Kevlar 49)6 mientras que el acero rompe
entorno al 1% de su deformación7 . Esto hace que el Kevlar sea un material más
tenaz y absorba mucha mayor cantidad de energía que el acero antes de su
rotura.
Resistencia
Alto módulo (19000 ksi/131 GPa), de alta resistencia (550
000 psi/3800 MPa), baja densidad (90 lb / ft $ ³ $ / 1440 kg / m³) fibras
usadas en aplicaciones aeroespaciales, automoción y marina.
Buena resistencia a la tracción
Menor densidad que la fibra de vidrio y carbono
Baja resistencia a compresión
Buena resistencia a disolvente y aceites
Fácilmente atacables por ácidos y bases fuertes
A diferencia de la fibra de carbono y vidrio, presentan una
gran absorción de humedad en condiciones ambientales, en detrimento de sus
propiedades mecánicas.
Las especificaciones
físicas típicas del Kevlar 49 son:
Densidad: 1.44 g/cm^3
Resistencia a la Tracción: 3400 MPa
Módulo Elástico: 125 GPa
Diámetro de la Fibra: 12µm
Absorción de Humedad: 12%
El Kevlar 49 posee un alto precio, pero en cambio nos puede
proporcionar una muy alta resistencia estática y una rigidez media, mientras
que posee una densidad muy pequeña comparada con el Aluminio. Dichas
características hacen que el Kevlar sea un excelente material para su uso en
estructuras secundarias sin un alto régimen de cargas.
USOS
Tipo ligero, de alto rendimiento y de alta tenacidad de los
hilos utilizados en marcha de carreras de motos, accesorios de protección de la
vida, cuerdas y cordajes, y mangueras de alta presión utilizados en la
industria de petróleo y gas.
ultra alto módulo
(27000 ksi/186 GPa), de alta resistencia (490 000 psi/340MPa),
baja densidad (92 lb
/ ft ³ / 1470 kg / m³) de fibras altamente cristalinos utilizados como refuerzo
fase dispersa de los componentes de material compuesto para aviones.
TIPOS DE KEVLAR
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.
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;
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;
el blindaje antimetralla en los motores jet de avión, de
protección a pasajeros en caso de explosión;
neumáticos funcionales que funcionan desinflados;
guantes contra cortes, raspones y otras lesiones;
guantes aislantes térmicos;
kayaks resistencia de impacto, sin peso adicional;
esquís, cascos y racquetas fuertes y ligeros.
chaleco antibalas.
algunos candados para notebook.
revestimiento para la fibra óptica.
capa superficial de mangueras profesionales antiincendios.
compuesto 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 golos, objeto 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.
lámparas.
altavoces de estudio profesional.
coderas y rodilleras de alta resistencia.
cascos de portero de hockey.
equipamiento de motorista.
trajes espaciales
Gravedad específica
