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