martes, 23 de agosto de 2016

Historia del Kevlar: El corazón de los chalecos antibalas


El Kevlar® o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida sintetizada por primera vez en 1965 por la química Stephanie Kwolek, 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.

   La ligereza y la resistencia a la rotura excepcional de estas poliaramidas hacen que sean empleadas principalmente en “Chalecos antibalas”, además de otros usos.

Historia:

   La historia del descubrimiento del Kevlar es ciertamente apasionante, debido a que conjuga elementos que van desde la dedicación hasta la fortuna del científico.
Además el éxito supuso un gran avance en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos. A comienzos de la década de los ‘60s la compañía DuPont estaba interesada en obtener una fibra más resistente que el Nylon (poliamida 6,6). Hasta entones las soluciones empleadas para la formación de fibras eran transparentes, por eso cuando trabajando con poli(para-fenilen-tereftalamidas) y poli(benzamidas) obtenían soluciones opalescentes, estas eran descartadas. La opalescencia se debía a la naturaleza cristalina de estas soluciones (cristales líquidos), algo relativamente novedoso para aquellos tiempos y 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 compañia Azko desarrollaría un nuevo método de procesado de la poli (para-fenilen-tereftalamida) empleando como disolvente N-metilpirrolidona menos dañino que el empleado hasta entonces por DuPont, la Hexametilfosfotamida; emplearía también este método y esto dio lugar a una "guerra de patentes" que no hacen más que mitificar más la historia de desarrollo y producción de este material.

Aramida

   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 las pinchaduras.

   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. El kevlar es un polímero altamente cristalino. Llevó tiempo encontrar una aplicación útil para el kevlar, dado que no era soluble en ningún solvente. Por lo tanto, su procesado en solución 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.

   El polietileno de peso molecular ultraalto tiene una capacidad elástica mayor que la del kevlar, sustituyendo a este en la confección de chalecos antibalas.

Síntesis:

   La síntesis de este polímero se lleva a cabo en solución N-metil-pirrolidona y cloruro de calcio, a través de una polimerización por pasos a partir de la p-fenilendiamina y el dicloruro del ácido tereftálico o cloruro de tereftaloílo. La reacción se lleva a cabo a temperaturas bajas debido a su gran exotermicidad. Posteriormente el polímero se hace precipitar y se disuelve en ácido sulfúrico concentrado en el cual kevlar (y otras poliarilamidas) forma una solución cristalina que se emplea para precipitar o coagular las fibras a la vez que se estiran mediante un sistema de hilado.

   En otras variantes de síntesis de poli(aril)amidas, otros autores emplean otros disolventes como la dimetilacetamida (DMAc).


   La síntesis química de kevlar a partir de (para-fenilendiamina) y cloruro de tereftaloílo.

   La poli(arilamida) así obtenida (se trata de una aramida) tiene un alto grado de orientación molecular a la vez que hay se dan un gran número de interacciones por puentes de hidrógeno entre los grupos amida. Por estas interacciones y este empaquetamiento, las fibras obtenidas presentan unas altas prestaciones.

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).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.6 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)6 mientras que el acero rompe en torno al 1 % de su deformación.7 Esto hace que el kevlar sea un material más tenaz y absorba mucha mayor cantidad de energía que el acero antes de su rotura. 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.
  • 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.
  • 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.
  • Conductividad eléctrica: Baja.
  • Resistencia química: Alta.
  • Contracción termal: Baja.
  • Dureza: Alta.
  • Estabilidad dimensional: Excelente.
  • Resistencia al corte: alta.

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, 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, 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, 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 jockey, equipamiento de motorista, trajes espaciales


Referencias:

  • J M García, F C García, F Serna, J L de la Peña (2010). «High-performance aromatic polyamides». Progress in Polymer Science 35 (5):  pp. 623–686. doi:10.1016/j.progpolymsci.2009.09.002.
  • JWS Hearle (2000). «High-performance fibers». Woodhead Publishing Ltd., Abington, UK – the Textile Institute (ISBN 1-85573-539-3).
  • Doetze J. Sikkema (2002). «Manmade fibers one hundred years: Polymers and polymer design». J Appl Polym Sci, John Wiley & Sons, Inc. (83):  pp. 484–488.
  • Kh. Hillermeier and H.G. Weijland (1977). «An aramid yarn for reinforcing plastics». Plastica (11):  pp. 374–380.


Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Kevlar (bajo la Licencia Creative Commons Atribución Compartir Igual 3.0)



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