Kevlar (para-aramida) [2] 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, [3] [2] [4] el material de alta resistencia se usó 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 tal o como ingrediente en componentes de materiales compuestos .
Nombres | |
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Nombre IUPAC Poli (azanediil-1,4-fenileneazanodiiltereftaloílo) [1] | |
Identificadores | |
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ChemSpider |
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Propiedades | |
[-CO-C 6 H 4 -CO-NH-C 6 H 4 -NH-] n | |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
El kevlar tiene muchas aplicaciones, que van desde neumáticos para bicicletas y velas de carreras hasta chalecos antibalas , todo debido a su alta relación resistencia-peso a la tracción ; en esta medida es cinco veces más resistente que el acero. [2] También se utiliza para fabricar parches de marcha modernos que resisten grandes impactos. También se utiliza para amarres 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 Twaron ahora es fabricado por Teijin . [5] [6]
Historia
La poli-parafenilen tereftalamida (K29), de marca Kevlar, fue inventada por la química estadounidense Stephanie Kwolek mientras trabajaba para DuPont, en previsión de una escasez de gasolina. En 1964, su grupo comenzó a buscar una nueva fibra resistente y ligera para utilizar en neumáticos ligeros pero resistentes. [7] Los polímeros con los que había estado trabajando en ese momento, poli-p-fenileno-tereftalato y polibenzamida, [8] formaron cristales líquidos mientras estaban en solución, algo exclusivo de esos polímeros en ese momento. [7]
La solución era "turbia, opalescente al agitarse y de baja viscosidad " y normalmente se desechaba. Sin embargo, Kwolek persuadió al técnico, Charles Smullen, que dirigía 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 entendieron la importancia de su descubrimiento y rápidamente surgió un nuevo campo de la química de polímeros . En 1971, se introdujo el Kevlar moderno. [7] Sin embargo, Kwolek no estuvo muy involucrado en el desarrollo de las aplicaciones de Kevlar. [9] Kevlar 149 fue inventado por el Dr. Jacob Lahijani de Dupont en la década de 1980. [10]
Producción
Kevlar se sintetiza en solución de los monómeros 1,4- fenileno -di amina ( párr fenilendiamina ) y cloruro de tereftaloilo en una reacción de condensación produciendo ácido clorhídrico como un 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 usado inicialmente para la polimerización , pero por razones de seguridad, DuPont lo reemplazó por una solución de N -metilpirrolidona 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 . [11]
La producción de kevlar (poli parafenilen tereftalamida) es cara debido a las dificultades que surgen del uso de ácido sulfúrico concentrado , necesario para mantener en solución el polímero insoluble en agua durante su síntesis y hilado . [ cita requerida ]
Hay varios grados de Kevlar disponibles:
- Kevlar K-29 : en aplicaciones industriales, como cables, reemplazo de asbesto , neumáticos y forros de freno.
- Kevlar K49 : alto módulo utilizado en productos de cables y cuerdas.
- Kevlar K100 - versión coloreada de Kevlar
- Kevlar K119 : mayor alargamiento, flexible y más resistente a la fatiga
- Kevlar K129 : mayor tenacidad para aplicaciones balísticas
- Kevlar K149 : mayor tenacidad para aplicaciones balísticas, blindadas y aeroespaciales [12] [13]
- Kevlar AP - 15% más de resistencia a la tracción que K-29 [14]
- Kevlar XP : resina más ligera y combinación de fibra KM2 más [15]
- Kevlar KM2 : resistencia balística mejorada para aplicaciones de blindaje [16]
El componente ultravioleta de la luz solar degrada y descompone el Kevlar, un problema conocido como degradación UV , por lo que rara vez se utiliza al aire libre sin protección contra la luz solar. [17]
Estructura y propiedades
Cuando se hila Kevlar , la fibra resultante tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 3.620 MPa, [18] y una densidad relativa de 1,44. El polímero debe su alta resistencia a los numerosos enlaces entre cadenas. Estos enlaces de hidrógeno intermoleculares se forman entre los grupos carbonilo y los centros NH . La fuerza adicional se deriva de las interacciones de apilamiento aromático entre hebras adyacentes. Estas interacciones tienen una mayor influencia sobre el Kevlar que las interacciones de van der Waals y la longitud de la cadena que típicamente influyen en las propiedades de otros polímeros sintéticos y fibras como Dyneema . La presencia de sales y algunas otras impurezas, especialmente calcio , podría interferir con las interacciones de la hebra y se tiene cuidado de evitar su inclusión en su producción. La estructura de Kevlar consiste en moléculas relativamente rígidas que tienden a formar en su mayoría estructuras planas en forma de láminas más bien como la proteína de la seda . [19]
Propiedades termales
Kevlar mantiene su fuerza y resistencia hasta temperaturas criogénicas (-196 ° C); de hecho, es un poco más fuerte a bajas temperaturas. A temperaturas más altas, la resistencia a la tracción se reduce inmediatamente en aproximadamente un 10-20% y, después de algunas horas, la resistencia se reduce progresivamente más. Por ejemplo: aguantando 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%. [20]
Aplicaciones
Proteccion
Criogenia
El kevlar se utiliza a menudo en el campo de la criogenia por su baja conductividad térmica y su alta resistencia en relación con otros materiales con fines de suspensión . Se utiliza con mayor frecuencia para suspender un recinto de sal paramagnética de un mandril de imán superconductor con el fin de minimizar cualquier fuga de calor al material paramagnético. También se utiliza como soporte térmico o soporte estructural donde se desean fugas de calor bajas.
Armadura
El kevlar es un componente bien conocido de la armadura personal , como cascos de combate , máscaras balísticas y chalecos balísticos . El casco y 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 antideslizantes que se utilizan para proteger a las tripulaciones de los vehículos de combate blindados . Los portaaviones de clase Nimitz utilizan refuerzo 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 de la policía como SWAT . [21]
Protección personal
El kevlar se utiliza para fabricar guantes, mangas, chaquetas, chaparreras y otras prendas de vestir [22] 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. [21]
Deportes
Protección personal
Se utiliza para la ropa de seguridad de la motocicleta , especialmente en las áreas con relleno, como hombros y codos. En esgrima se utiliza en las chaquetas de protección, calzones, plastrones y pechera de las máscaras. Cada vez se utiliza más en el peto , la cubierta 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 tela de Kevlar para evitar posibles heridas de los patines en caso de una caída o colisión.
Equipo
En kyudo , o tiro con arco japonés , puede usarse como una alternativa al cáñamo más caro [23] para cuerdas de arco . Es uno de los principales materiales utilizados para las líneas de suspensión de parapente . [24] Se utiliza como revestimiento interior de algunos neumáticos de bicicleta para evitar pinchazos. En el tenis de mesa , las capas de Kevlar se agregan a las paletas o paletas de capas personalizadas para aumentar el rebote y reducir el peso. Las raquetas de tenis a veces se encordan con Kevlar. Se utiliza en velas para embarcaciones de regata de alto rendimiento.
Zapatos
En 2013, con los avances en tecnología, Nike usó Kevlar en los zapatos por primera vez. Lanzó la Serie Elite II, [25] con mejoras a 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 usado convencionalmente, ya que el Kevlar se expandió aproximadamente un 1% contra el 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 la bota de fútbol Adidas F50 adiZero Prime.
Neumáticos de ciclo
Varias empresas, incluida Continental AG , fabrican neumáticos de ciclo con Kevlar para protegerlos contra pinchazos. [26]
Los neumáticos de bicicleta con cuentas plegables, introducidos en el ciclismo por Tom Ritchey en 1984, [27] [ referencia circular ] utilizan Kevlar como una cuenta en lugar del acero para reducir el peso y la resistencia. Un efecto secundario del talón plegable es la reducción del espacio en los estantes y en el piso necesarios para exhibir llantas para bicicletas en un entorno minorista, ya que se pliegan y colocan en cajas pequeñas.
Música
Equipo de sonido
También se ha descubierto que el kevlar tiene propiedades acústicas útiles para los conos de los altavoces , específicamente para unidades de transmisión de rango medio y bajo. [28] Además, el Kevlar se ha utilizado como elemento de resistencia en cables de fibra óptica como los que se utilizan para las transmisiones de datos de audio. [29]
Instrumentos de cuerda frotada
El kevlar se puede utilizar como núcleo acústico en arcos para instrumentos de cuerda . [30] Las propiedades físicas del kevlar proporcionan fuerza, flexibilidad y estabilidad al usuario del arco. Hasta la fecha, el único fabricante de este tipo de arco es CodaBow . [31]
Kevlar también se usa actualmente como material para tailcords (también conocido como ajustadores cordal), que conectan el tubo de desagüe a la endpin de los instrumentos de cuerdas. [32]
Parches
El kevlar se utiliza a veces como material en los tambores de marcha. Permite una cantidad de tensión extremadamente alta, lo que resulta en un sonido más limpio. Por lo general, se vierte una resina sobre el Kevlar para que la cabeza sea hermética, y una capa superior de nailon para proporcionar una superficie de impacto 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 usa para reforzar los parches del bombo donde golpea el batidor. [33]
Cañas de viento de madera
El 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 fórmula de resina liviana. [34]
Vehículos de motor
Chasis y carrocería
El kevlar se utiliza a veces en componentes estructurales de automóviles, especialmente en automóviles de alto rendimiento como el Ferrari F40 [35].
Frenos
La fibra cortada se ha utilizado como sustituto del amianto en las pastillas de freno . [36] De hecho, las aramidas liberan un nivel más bajo de fibras en el aire que los frenos de amianto . Las fibras de amianto son conocidas por sus propiedades cancerígenas. [37]
Otros usos
Baile de fuego
Las mechas para accesorios de danza del fuego están hechas de materiales compuestos con Kevlar. El kevlar por sí solo no absorbe muy bien el combustible, por lo que se mezcla con otros materiales como la fibra de vidrio o el algodón . La alta resistencia al calor de Kevlar permite que las mechas se reutilicen muchas veces.
Sartenes
El kevlar se utiliza a veces como sustituto del teflón en algunas sartenes antiadherentes. [38]
Cuerda, cable, funda
La fibra se utiliza 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 en Escocia . También se han utilizado para estabilizar torres de enfriamiento de concreto agrietado mediante aplicación circunferencial seguida de tensión para cerrar las grietas. El kevlar se usa ampliamente como revestimiento exterior protector para cables de fibra óptica , ya que su resistencia protege el cable de daños y torceduras. Cuando se usa en esta aplicación, se lo conoce comúnmente con el nombre de marca registrada Parafil. [39]
Generación eléctrica
El kevlar fue utilizado por científicos del Instituto de Tecnología de Georgia como base textil para un experimento en ropa para producir 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. [40]
Construcción de edificio
Un techo retráctil de más de 60.000 pies cuadrados (5.575 metros cuadrados) de Kevlar fue una parte clave del diseño del estadio olímpico de Montreal para los Juegos Olímpicos de Verano de 1976 . Fue espectacularmente infructuoso, ya que se completó con 10 años de retraso y se reemplazó solo 10 años después, en mayo de 1998, después de una serie de problemas. [41] [42]
Juntas de expansión y mangueras
El kevlar se puede encontrar como una capa de refuerzo en juntas de expansión de fuelles de caucho y mangueras de caucho , 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. [43] [44] [45]
Partículas fisicas
El experimento NA48 en el CERN utilizó una fina ventana de Kevlar para separar un recipiente de vacío de un recipiente a presión casi atmosférica, ambos de 192 cm de diámetro. La ventana ha proporcionado estanqueidad al vacío combinada con una cantidad razonablemente pequeña de material (solo del 0,3% al 0,4% de la longitud de radiación ). [ cita requerida ]
Teléfonos inteligentes
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. [46]
Turbinas de corriente marina y turbinas eólicas
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. [47]
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 de los compuestos de alto rendimiento suele ser resina epoxi . Las aplicaciones típicas incluyen monocasco cuerpos de F1 coches de carreras , helicópteros palas del rotor, tenis , tenis de mesa , bádminton y de squash raquetas , kayaks , grillo murciélagos y el hockey sobre hierba , hockey sobre hielo y lacrosse palos. [48] [49] [50] [51]
Kevlar 149, la fibra más resistente y de estructura más cristalina, es una alternativa en ciertas partes de la construcción de aviones. [52] El borde de ataque del ala es una aplicación, el Kevlar es menos propenso que la fibra de carbono o vidrio a romperse en colisiones de aves.
Ver también
- Innegra S
- Polietileno de peso molecular ultra alto
- Twaron
- Vectran
Referencias
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enlaces externos
- Página web oficial
- Aramidas
- Propiedades del material Matweb de Kevlar
- Patente de Estados Unidos 5.565.264
- Kevlar
- Kevlar en armadura corporal
- Síntesis de Kevlar
- Pasarela de Aberfeldy sobre el río Tay
- Kevlar en Plastics Wiki