Kevlar
El
Kevlar® o poliparafenileno tereftalamida es una poliamida sintetizada por
primera vez en 1965 por la química polaco-estadounidense, Stephanie Kwolek
(1923-2014) 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. A finales de los años setenta, la empresa AkzoNobel desarrolló una
fibra con estructura química similar que posteriormente comercializó con el
nombre de Twaron.
La
ligereza y la resistencia a la rotura excepcional de estas poliaramidas hacen
que sean empleadas en neumáticos, velas náuticas o en chalecos antibalas.
Síntesis
La síntesis de este polímero se
lleva a cabo en solución N-metil-pirrolidona y cloruro de calcio, a través de
unapolimerización 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 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.
Tipos de fibras de kevlar/Aplicaciones
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.
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). 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 (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) 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
está 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.
El módulo elástico se reduce en torno a un 20 % cuando se
emplea la fibra a 180 grados Celsius durante 500 h.Esta propiedad,
junto con su resistencia química, hacen del kevlar un material muy utilizado en
equipos de protección.
Otras propiedades
Conductividad eléctrica baja;
Alta resistencia química;
Contracción termal baja;
Alta dureza;
Estabilidad dimensional excelente;
Alta resistencia al corte.
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