KEVLAR

Entre este tipo de fibras encontramos una fibra muy importante en los usos industriales e ingenieriles, esta fibra es el KEVLAR, en cual es una fibra poliamida fabricada por el hombre, este tipo de fibra tiene un desempeño muy superior a las otras fibras, que compagina la resistencia y el escaso peso, con la comodidad y la protección. El Kevlar es cinco veces más resistente que el acero en condiciones de igualdad de peso. Este comportamiento lo describiremos a continuación, también describiremos la naturaleza del KEVLAR, sus propiedades y su uso.

Para poder describir bien el Kevlar necesitamos entender lo que son las poliamidas, estas se puede considerar como un derivado de un ácido carboxílico por sustitución del grupo —OH del ácido por un grupo —NH2, —NHR o —NRR' (llamado grupo amino). Formalmente también se pueden considerar derivados del amoníaco, de una amina primaria o de una amina secundaria por sustitución de un hidrógeno por un radical ácido, dando lugar a una amida primaria, secundaria o terciaria, respectivamente.

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Ejemplo de una poliamida.

Las aramidas pertenecen a una familia de nylons, incluyendo el Nomex y el Kevlar.

Las mezclas de Nomex y de Kevlar se utilizan para hacer ropas anti-llama. El Nomex es el que protege de morir quemados a los conductores de grandes camiones y de tractores, en el caso de que sus trajes se incendien. Gracias al Nomex, una parte importante de la cultura americana puede ser practicada con seguridad. (Los polímeros juegan otro papel en esos inmensos camiones, bajo la forma de elastómeros con los cuales se fabrican sus gigantescos neumáticos). Las mezclas de Nomex-Kevlar también protegen a 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 1 y 4.

El Nomex, por otra parte, posee grupos meta-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en las posiciones 1 y 3.

El Kevlar es un polímero altamente cristalino. Llevó mucho tiempo encontrar alguna aplicación útil para el Kevlar, dado que no era soluble en ningún solvente. Por lo tanto, su procesado en solución estaba descartado. No se derretía por debajo de los 500oC, de modo que también se descartaba el hecho de procesarlo en su estado fundido. Fue entonces cuando una científica llamada Stephanie Kwolek apareció con un plan brillante. El cual consistía en hilarlo en medio húmedo, lo cual resulto lo mas adecuado debido a que este es un polímetro que se obtiene por policondensación, provocando que este al procesarlo en medios húmedos, tienda a despolimerizarse, generando con esto que el material sea mas manejable y permita su proceso. En la siguiente grafica describimos el proceso de policondensación.

Debido a los anillos aromáticos, este tipo de poliamida tiene una estructura mas rígida que el nylon. Generando que esta estructura al compararla con una fibra de acero con las mismas dimensiones, la fibra de kevlar tenga la capacidad de soportar cinco veces la carga que soporta el acero.

Esto está relacionado con una pequeña cosa caprichosa que hacen las amidas. Estas tienen la capacidad de adoptar dos formas diferentes, oconformaciones. Usted puede ver esto en la figura de una amida de bajo peso molecular. Las dos figuras son del mismo compuesto, en dos conformaciones diferentes. La que está a la izquierda se denomina conformación trans, y la que está a la derecha conformación cis.

En latín, trans significa "del otro lado". Así, cuando las cadenas hidrocarbonadas de la amida están en lados opuestos al enlace peptídico, el enlace entre el oxígeno del carbonilo y el nitrógeno de la amida, ésta se denomina amida trans. Asimismo, cis en latín significa "en el mismo lado", y cuando las cadenas hidrocarbonadas están del mismo lado del enlace peptídico, la llamamos amida cis.

La misma molécula de la amida puede torcerse hacia adelante y hacia atrás entre las conformaciones cis y trans, originando una pequeña energía.

En las poliamidas también existen las conformaciones cis y trans. Cuando en una poliamida todos los grupos amida están en su conformación trans, como el nylon 6.6 por ejemplo, el polímero se estira completamente en una línea recta. Esto es exactamente lo que deseamos para las fibras, porque las cadenas largas y completamente extendidas se empaquetan más adecuadamente, dando lugar a la forma cristalina que caracteriza a las fibras. Pero lamentablemente, siempre existen unos pocos enlaces amida en la conformación cis. Por ello las cadenas del nylon 6.6 nunca llegan a estar completamente extendidas.

Sin embargo el Kevlar es diferente. Cuando intenta adoptar la conformación cis, ¡los hidrógenos de los voluminosos grupos aromáticos se interponen en el camino, La conformación cis coloca a los hidrógenos un poco más cerca de lo que quisieran estar. De este modo, el Kevlar permanece casi enteramente en su conformación trans. Y así, puede extenderse completamente para formar unas hermosas fibras.

Veamos esto en un primer plano. Observe la figura de abajo y podrá apreciar que cuando el Kevlar intenta adoptar la conformación cis, no queda espacio suficiente para los hidrógenos de los fenilos. De modo que la conformación trans es la que se encuentra generalmente.

También los anillos fenilos de las cadenas adyacentes se acomodan muy fácil y cuidadosamente uno encima de otro, lo que hace al polímero aún más cristalino, y sus fibras más resistentes. Esta alineación la podemos ver en la siguiente ilustración

Después de haber visto la alineación de las cadenas del KELAR, podemos mirar como los puente de hidrogeno en la estructura de este también ayuda a la cristalinidad de la fibra.

Las fuerzas intermoleculares pueden ser de gran ayuda para un polímero que quiera formar cristales. Un buen ejemplo es el nylon. En la figura puede verse que los grupos polares amida de la cadena principal del nylon 6,6, se encuentran fuertemente unidos entre sí a través de sólidos enlaces por puente de hidrógeno. Esta unión tan fuerte mantiene juntos a los cristales.

Análogamente a este ordenamiento, podemos ver que los puentes de H+ en la estructura del KEVLAR ayudan a la cristalinidad y al ordenamiento lineal de este. Además de estas intermoleculares, los anillos aromáticos tienden a apilarse de un modo ordenado, haciendo aún más resistente a los cristales. Así:

PROPIEDADES GENERALES DEL KEVLAR:

Propiedades generales del KEVLAR:

Resistencia Química
Ácidos - concentrados	Mala
Ácidos - diluidos	Aceptable
Álcalis	Buena
Alcoholes	Buena
Cetonas	Buena
Grasas y Aceites	Buena
Halógenos	Buena
Hidrocarburos Aromáticos	Buena

 

Propiedades Mecánicas
Módulo de Tracción ( GPa )	59-124
Resistencia a la Tracción ( MPa )	2760

 

Propiedades Físicas
Densidad ( g cm-3 )	1,44
Resistencia a los Ultra-violetas	Aceptable

 

Propiedades Térmicas
Calor Específico ( J K-1 kg-1 )	1400
Coeficiente de Expansión Térmica ( x10-6 K-1 )	-2 ejes a lo largo
Conductividad Térmica ( W m-1 K-1 )	0,04 a 23C
Temperatura Máxima de Utilización ( C )	180-245
Temperatura Mínima de Utilización ( C )	-200

Ahora veamos una pequeña comparación entre diversos tipos de fibras de KEVLAR.

Properties Poliaramida Fibra
Property			Value
Material			Kevlar 29®	Kevlar 49®	Kevlar Ht (T129)
Alargamiento a la Rotura	%		3,7	1,9	3,6
Contracción a 100C	%			0,02
Densidad	g cm-3		1,44	1,45	1,44
Módulo Específico	cN/tex		4000	8300	5200
Módulo	GPa		58	120	75
Tenacidad Específica	cN/tex		190	190	235
Tenacidad	GPa		2,76	2,76	3,32

PROCESO DE FABRICACION DEL KEVLAR.

Como ya lo habíamos mencionado anteriormente, el KEVLAR solo puede ser procesado mediante el proceso de fricción en solución, el cual consiste en obtener la fibra desde el proceso de polimerización, ya que en este punto, se puede controlar a voluntad sus propiedades, cabe notar que para las fibras como el KEVLAR solo es posible procesarlas como fibras, ya que su resistencia mecánica y su estructura cristalina no permite realizar otro proceso de transformado. A continuación describiremos como es el proceso de hilado del KEVLAR, cabe mencionar que la información sobre este proceso es muy limitada debido a las restricciones de autor que existen sobre este tema.

Como ya lo habíamos mencionado La fabricación de fibras se basa en el forzado se polímeros a través de pequeños agujeros agrupados en una hilera a niveles de temperatura y presión extremadamente elevados con el propósito de formar filamentos que se enfriarán a velocidades controladas. Se los estira para hacerlos más resistentes (técnica de hilado/pasado) y se los devana en paquetes de tamaño y peso convenientes. En la actualidad, los pesos de los paquetes comerciales oscilan entre los 3,60 kg y los 45 kg. Se pueden agregar “funciones” adicionales de procesamiento como las cajas recalentadas, los rodillos de pasada, los godets, los tambores volumétricos, etc., como se muestra a continuación

En este proceso, en la cámara de polimerización, se tiene la mezcla de meros, en nuestro caso p-fenilendiamina y cloruro de terftailo, los cuales inician el mecanismo de policondensación, eliminando HCl como residuo de la policondensación, cuando hacemos el hilado empezamos por exponer al polímero en un medio con HCl, lo cual me permite tener al polímero en estado “maleable”, ya que no ha endurecido totalmente, generando con esto que podamos hilarlo y formar las fibras que hemos mencionado. .

Con el fin de condensar las fibras después del estiraje principal, el rodillo de salida inferior de la unidad de estiraje ha sido reemplazado por un tambor perforado. Dentro de cada tambor hay un inserto estacionario con una apertura de aspiración, de forma especial, conectada al sistema de succión de la máquina.

La corriente de aire creada por el vacío o succión condensa las fibras que están pasando por encima del tambor perforado. La zona de condensación controla completamente las fibras en todo su recorrido desde el sistema de estiraje hasta la línea de retención. Un cilindro de presión adicional (cilindro estirador trasero) previene que la torsión se propague a la zona de condensación. La eficiencia del compactado es mejorada por medio de un elemento de guía del aire, de diseño especial.

Después de este proceso, tenemos el paso de tejido de la fibra para obtener los tejidos de KEVLAR que todos conocemos como la tela mas fuerte y liviana que existe. Este entrecruzamiento de las fibras lo hacemos utilizando un telar

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Al alinear estas fibras podemos hacer un compósito mucho más resistente, ya que obtenemos las propiedades de la fibra en todas las direcciones, así:

Para algunos objetos, como por ejemplo piezas de avión, sujetas a una gran tensión, se necesitan mejores fibras. Si no interesa el costo, usted puede usar fibras más resistentes, como el Kevlar, fibra de carbono o el Spectra. La fibra de carbono es generalmente más resistente que el Kevlar, o sea, puede soportar más fuerza sin romperse. Pero el Kevlar tiende a ser más duro. Esto quiere decir que puede absorber más energía sin romperse, más aún que la fibra de carbono. Pero el Spectra, que es un tipo de polietileno, es más resistente y más duro que el Kevlar y la fibra de carbono.

APLICACIONES DEL KEVLAR:

SmarTruck: Tecnología Militar.

Dispone de blindaje con paneles de Kevlar y cristales a prueba de balas, las manijas exteriores de las puertas dan descargas de alto voltaje.

ARMADURAS, Cubierta pensada para resistir impacto de proyectiles, históricamente la humanidad fue desarrollando armaduras y proyectiles para traspasarlas en sucesión, en principio armaduras de cuero, y cascos de bronce con cabelleras de crin para evitar las heridas cortantes por espadas, escudos. al dotar de mayor potencia a los arcos se fueron desarrollando cotas de malla y armaduras metálicas, las ballestas y armas de fuego fueron haciendo durante mucho tiempo inútil el uso de armaduras, durante la primera guerra mundial renació la idea de dotar a las tropas de protección personal, nacen así los primeros cascos de acero, y se convierten en piezas fundamentales del equipamiento militar moderno, recién en la guerra de Viet-Nam, las tropas de Estados Unidos utilizan chalecos de Nylon Balístico antifragmentación, comenzando a perfilarse la necesidad de proveer a la tropa de equipo de protección adecuada, estos chalecos realizados en materiales compuestos laminados de resinas y Nylon con fibras de vidrio fueron reemplazándose por fibras de Aramida, y KEVLAR. Los cascos de acero por cascos de KEVLAR. para uso policial se fue haciendo obligatorio el uso de chalecos antibalas, cada vez mas livianos, que incluso alcanzaron el mercado civil para la protección de ejecutivos etc. dentro de la carrera armadura-proyectiles, se fueron creando municiones capaces de perforar blindajes, realizadas en Teflón perforan los chalecos por efecto lubricante de este material.

Cascos de KEVLAR adoptados por el ejército de USA a mediados de 70´s.

Hoy en día hablamos de la era aerospacial, y en este campo no se podía quedar por fuera el KEVLAR, a continuación mencionaremos algunos usos de este en la industria aerospacial.

La construcción de una casa para vivir en el espacio requiere algo mas que ladrillos y madera. Titanio, Kevlar, y acero de alta pureza son los materiales más comunes en la EEI. Los ingenieros tuvieron que utilizar estos materiales para hacer la estructura liviana, pero al mismo tiempo fuerte y a prueba de perforaciones.

Capas de Kevlar y otros materiales que resisten impacto reducen la posibilidad de que pequeños desechos puedan penetrar las paredes de los módulos, poniendo en peligro a la tripulación.

	PROTECTOR AIRFOAM (46140) Una protección a base de espuma de alta densidad con carcasa de kevlar, diseñada y probada para dispersar el impacto en la zona de la columna. PROTECCIONES LATERALES (46160) Combinación de carcasa rígida (kevlar) y espuma absorvente que ofrecen una protección excelente para las caderas.
	CABS (46150) (Closed Air Bottle System) Una protección ingeniosa y efectiva. Un contenedor de espuma y kevlar para albergar botellas de plástico que absorben los impactos.
	AIRBAG (43340) Sistema completo con cartucho de CO². Activación manual o automática al activar el paracaidas de emergencia
	43106 / 43108 : Placa dorsal de Kevlar / Placa dorsal de Kevlar con espuma de alta densidad. 44012S: Placa asiento pequeña preformada de kevlar. 44012L: Placa asiento grande prefor