Kevlar

O Kevlar® ou poliparafenileno tereftalamida é unha poliamida sintetizada por primeira vez en 1965 pola química polaco-estadounidense Stephanie Kwolek (1923-2014), quen traballaba para DuPont. A obtención das fibras de Kevlar foi complicada, destacando a achega de Herbert Blades, que solucionou o problema de que disolvente empregar para o procesado. Finalmente, DuPont empezou a comercializalo en 1972. É moi resistente e a súa mecanización resulta moi difícil. A finais dos anos setenta, a empresa AkzoNobel desenvolveu unha fibra con estrutura química similar que posteriormente comercializou co nome de Twaron.

Estrutura química do Kevlar. Resaltado: unidade monomérica. Punteado: pontes de hidróxeno.

Fibra de Kevlar.

A lixeireza e a excepcional resistencia á rotura destas poliaramidas fan que sexan empregadas en pneumáticos, velas náuticas e en chalecos antibalas.

Historia

Stephanie Kwolek.

O descubrimento supuxo un grande avance no desenvolvemento de novos materiais poliméricos. A comezos dos anos sesenta, a compañía DuPont estaba interesada en obter unha fibra máis resistente que o nailon (poliamida 6,6). Até entón as solucións empregadas para a formación de fibras eran transparentes, por iso cando obtiñan solucións opalescentes mentres traballaban con poli (para-fenilen-tereftalamidas) e poli (benzamidas), estas eran descartadas. A opalescencia debíase á natureza cristalina destas solucións (cristais líquidos), algo relativamente novo para aqueles tempos e para ese campo en particular. A pesar diso, un día Kwolek decidiu fiar o produto desas solucións. O resultado foi unha fibra máis resistente que o nailon, que hoxe en día é sinónimo de alta resistencia e que actualmente se usa en máis de duascentas aplicacións diferentes.

Máis tarde descubriríase que a seda de araña tamén se forma a partir dunha solución de cristal líquido de maneira análoga á síntese do Kevlar, mais cunha composición diferente.

Máis tarde, a compañía Akzo desenvolvería un novo método de procesado da poli (para-fenilen-tereftalamida), empregando como disolvente N-metil-pirrolidona, menos daniño que o empregado até entón por DuPont, a hexametilfosforamida, empregaría tamén este método e isto deu lugar a unha "guerra de patentes", que non fixeron máis que mitificar máis a historia de desenvolvemento e produción deste material.

Síntese

A síntese deste polímero realízase en solución N-metil-pirrolidona e cloruro de calcio, a través dunha polimerización por pasos a partir da p-fenilendiamina e o dicloruro do ácido tereftálico ou cloruro de tereftaloílo. A reacción realízase a temperaturas baixas debido á súa grande exotermicidade. Posteriormente o polímero faise precipitar e disólvese en ácido sulfúrico concentrado no cal Kevlar (e outras poliarilamidas) forma unha solución cristalina que se emprega para precipitar ou coagular as fibras á vez que se estiran mediante un sistema de fiado.

Noutras variantes de sínteses de poli(aril)amidas, outros autores empregan outros disolventes como a dimetilacetamida (DMAc).

A reacción de 1,4-fenil-diamina (para-fenilendiamina) con cloruro de tereftaloílo dando Kevlar.

A síntese química de Kevlar a partir de (para-fenilendiamina) e cloruro de tereftaloílo.

A poli(arilamida) así obtida (trátase dunha aramida) ten un alto grao de orientación molecular á vez que aí se dan un gran número de interaccións por pontes de hidróxeno entre os grupos amida. Por estas interaccións e este empaquetado, as fibras obtidas presentan unhas prestacións moi altas.

Tipos de fibras de Kevlar

Esencialmente hai dous tipos de fibras de Kevlar: Kevlar 29 e Kevlar 49.

O Kevlar 29 é a fibra tal e como se obtén da súa fabricación. Úsase tipicamente como reforzo en tiras polas súas boas propiedades mecánicas, ou para tecidos. Entre as súas aplicacións está a fabricación de cables, roupa resistente (de protección) ou chalecos antibalas.

O Kevlar 49 emprégase cando as fibras vanse embeber nunha resina para formar un material composto. As fibras de Kevlar 49 están tratadas superficialmente para favorecer a unión coa resina. O Kevlar 49 emprégase como equipamento para deportes extremos, para altofalantes e para a industria aeronáutica, avións e satélites de comunicacións e cascos para motos.

Características do Kevlar

Propiedades mecánicas

Rixidez

O Kevlar posúe unha excepcional rixidez para tratarse dunha fibra polimérica. O valor do módulo de elasticidade a temperatura ambiente é de ao redor de 80 GPa (Kevlar 29) e 120 (Kevlar 49). O valor dun aceiro típico é de 200 GPa.

Resistencia

O Kevlar posúe unha excepcional resistencia á tracción, de ao redor dos 3,5 GPa. En cambio, o aceiro ten unha resistencia de 1,5 GPa. A excepcional resistencia do Kevlar, e doutras poliarilamidas similares, débese á orientación das súas cadeas moleculares, en dirección do eixe da fibra, así como á gran cantidade de enlaces por pontes de hidróxeno entre as cadeas, entre os grupos amida (ver estrutura).

Elongación a rotura

O Kevlar posúe unha elongación a rotura de en torno ao 3,6 % (Kevlar 29) e 2,4 % (Kevlar 49) mentres que o aceiro rompe en torno ao 1 % da súa deformación. Isto fai que o Kevlar sexa un material máis tenaz e absorba unha cantidade de enerxía moito maior que o aceiro antes da súa rotura.

Tenacidade

A tenacidade (enerxía absorbida antes da rotura) do Kevlar está ao redor dos 50 MJ·m⁻³, fronte aos 6 MJ·m⁻³ do aceiro.

Propiedades térmicas

O Kevlar descomponse a altas temperaturas (entre 420 e 480 graos Celsius), mantendo parte das súas propiedades mecánicas mesmo a temperaturas próximas á súa temperatura de descomposición.

O módulo elástico redúcese ao redor dun 20 % cando se emprega a fibra a 180 graos Celsius durante 500 h. Esta propiedade, xunto coa súa resistencia química, fan do Kevlar un material moi utilizado en equipos de protección.

Outras propiedades

• Conductividad eléctrica baixa;
• Alta resistencia química;
• Contracción termal baixa;
• Alta dureza;
• Estabilidade dimensional excelente;
• Alta resistencia ao corte.

Usos do Kevlar

Vela para embarcacións de tecido laminado de Kevlar e fibra de carbono.

Luvas de Kevlar.

Casco de bombeiro fabricado con Kevlar.

Membrana de altofalante feita con fibra de Kevlar.

O Kevlar desempeñou un papel significativo en moitos usos vitais. Os cables de Kevlar son tan fortes como os cables de aceiro, mais teñen só preto do 20% do seu peso o que fai deste polímero unha excelente ferramenta con múltiples utilidades.

O Kevlar tamén se usa en:

• Cables de carga [USB] para dispositivos móbiles
• Chaquetas, e impermeábeis.
• Tenis (Reebok CrossFit Nano 5, Reebok CrossFit 6:14 Rich Froning Limited Edition).
• Cordas e bolsas de aire no sistema de aterraxe da nave Mars Pathfinder.
• Cordas de pequeno diámetro.
• Fío para coser.
• Petos e proteccións para cabalos de picar touros.
• Blindaxe antimetralla nos motores jet de avión e de protección aos pasaxeiros en caso de explosión.
• Pneumáticos que funcionan desinflados.
• Luvas contra cortes, raspóns e outras lesións.
• Luvas illantes térmicas.
• Sobres e mantas ignífugos.
• Kaiaks resistentes a impactos, sen peso adicional.
• Esquís, cascos e raquetas fortes e lixeiros.
• Chalecos antibalas.
• Algúns cadeados para notebook.
• Revestimentos para a fibra óptica.
• Capas superficiais de mangueiras profesionais antiincendios.
• Composto (composite) de CD/DVD, pola súa resistencia tanxencial de rotación.
• Silenciadores de tubos de escape.
• Construción de motores.
• Cascos de Fórmula 1.
• Extremos inflamábeis dos obxectos de manipulación tales como bastóns, poi, golos, entre outros obxectos moi populares entre malabaristas.
• Veleiros de regata de alta competición.
• Botas de alta montaña.
• Caixas acústicas (Bowers & Wilkins).
• Tanques de combustíbel dos automóbiles de Fórmula 1.
• Ás de avións.
• ULD.
• Lámpadas.
• Altofalantes de estudo profesional.
• Cobadeiras e xeonlleiras de alta resistencia.
• Cascos de porteiro de hockey.
• Equipamento de motorista.
• Traxes espaciais.
• Recubrimentos en dispositivos de telefonía celular como o Motorola RAZR ou o OnePlus 2.
• Raquetas de tenis Wilson Prol Staff 97.
• Apoios e inmobilizadores para resonancia magnética nuclear.
• Elementos de fricción en embragues na industria automotriz.

Aramida

As aramidas pertencen a unha familia de nailons, incluíndo o nomex e o Kevlar. O Kevlar utilízase para facer chalecos a proba de balas e pneumáticos resistentes ás picadas.

As mesturas de nomex e de Kevlar utilízanse para facer roupas resistentes ás chamas, motivo polo que o empregan os bombeiros.

O Kevlar é unha poliamida na cal todos os grupos amida están separados por grupos para-fenileno. É dicir, os grupos amida únense ao anel fenilo en posicións opostas entre si, nos carbonos 1 e 4. O Kevlar é un polímero altamente cristalino. Levou tempo atopar unha aplicación útil para o Kevlar, dado que non era solúbel en ningún disolvente. Polo tanto, o seu procesado en disolución estaba descartado. Non se fundía por baixo de 500 °C.

O nomex, por outra banda, posúe grupos meta-fenileno, é dicir, os grupos amida únense ao anel fenilo nas posicións 1 e 3.

O polietileno de peso molecular ultraalto ten unha capacidade elástica maior que a do Kevlar, substituíndoo na confección de chalecos antibalas.

Véxase tamén

• DuPont Corporation

Referencias

Bibliografía

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