FIBRAS DE POLIAMIDAS, KEVLAR Y SUS APLICACIONES. RESUMEN. El KEVLAR: Polímero totalmente aromático, infusible, que puede describirse estrictamente como nylon T, T. Sólo se fabrica como fibra (mediante fricción en solución), tiene una estabilidad térmica y una resistencia térmica y a la llama muy altas. A diferencia de su isómero químico Nomex, sus propiedades de tracción son superiores a las de las fibras textiles normales debido a un alto grado de orientación molecular resultante de sus moléculas lineales rígidas y de su propens propensión ión a formar cristales líquidos durante la fricción en solución. Estas fibras tienen en común con el número limitado de los materiales altamente orientados un coeficiente (bajo) de expansión térmica negativo en la dirección axial. Se utilizan ampliamente en los composites más ligeros que los que aislantes eléctricos que se basan en fibra de carbono. Sus propiedades mecánicas suelen ser inferiores. Su coeficiente específico de tracción es alto y cercano al de los composites de fibra de carbono pero su resistencia a la compresión es bastante débil. Además de los composite Además composites, s, sus aplicaciones aplicaciones incluyen incluyen ropa de de protección, protección, chalecos chalecos antibalas, antibalas, productos de fricción, reforzamiento de elastómeros (p.ej. tubos y cintas de transportadores de cinta), cables, cuerdas y telas de las velas de barcos. ABSTRACT. The KEVLAR, polymer totally aromatics And Infusible, wholly aromatic polymer that can strictly be described as nylon T, T - but rarely are. Manufactured only as a fiber (by solution spinning), it has a very high thermal stability and temperature and flame resistance. In contrast to its chemical isomer Nomex, its tensile properties are up to an order of magnitude greater than those of normal textile fibers, because of a high degree of molecular orientation resulting from its stiff linear molecules and their propens propensity ity for forming liquid crystals i n the spinning solution. In common with the small number of other highly oriented materials, these fibers have a (small) negative CTE in the axial direction. . Quite widely used in composites which are lighter than those based on carbon fiber and electrically insulating. Their mechanical properties are generally i nferior; more specifically they have a high specific tensile strength approaching that of carbon fiber composites, but quite low strength in compression. . In addition to composites, applications include protective clothing and body armour, friction products, elastomer reinforcement (e.g. hoses and drive belts), ropes and cords and as high strength high modulus fabrics e.g. high performance sailcloths. KEY WORDS. POLIMERIZACION: POLIMERIZACION: proceso químico en el cual obtenemos una macromolécula a partir de una unidad repetitiva llamada mero. MERO: MERO: Unidad repetitiva en una polimerización.
POLICONDENSACION: Mecanismo que se desarrolla a través de grupos funcionales en reacciones comunes de esterificación o amidación principalmente, se efectúa con eliminación de una molécula que generalmente es de agua, pero puede ser hidrácido o amoniaco. HILADO: Proceso en el cual obtenemos cadenas de polímero alineadas en forma de fibras. GRUPOS AROMATICOS: Grupos de anillos bencénicos que forman una estructura cíclica de 6 carbonos. AMINAS: Grupo funcional que se basa en el amoniaco. -NH3. POLIMEROS RAMIFICADOS: Polímeros en los cuales hay crecimiento de ramificaciones por la cadena principal. FIBRAS DE POLIAMIDAS, KEVLAR Y SUS APLICACIONES. INTRODUCCION. Las fibras son estructuras unidimensionales, largas y delgadas. Se doblan con facilidad y su propósito principal es la creación de tejidos. Los polímeros útiles como fibras son los que tienen un alto grado de cristalinidad y fuerte interacción de cadenas adyacentes, esta orientación incrementa la fuerza ténsil. Las fibras tienen una longitud muy superior a su diámetro, están orientadas a lo largo de un solo eje. Tienen gran cohesión molecular, lo que les hace ser más fuertes que los plásticos. Su Tg y su punto de fusión son muy importantes en las fibras, una Tg demasiado alta dificulta el estiramiento, y por lo tanto, la orientación de la fibra, y si es demasiado baja, la orientación no se mantiene a temperatura ambiente. El punto de fusión debe estar por encima de los 200ºC, ya que el polímero después va a plancharse. Las fibras pueden dividirse en tres clases: fibras naturales, fibras celulósicas hechas por el hombre y fibras no celulósicas hechas por el hombre. Las fibras naturales se dividen en fibras animales: lana, mohair y seda, que son proteínas complejas; fibras vegetales: algodón lino y yute, que son polímeros de celulosa y fibras inorgánicas como el asbesto. Unos ejemplos de fibras naturales son. Lana (WO), Mohair (WM), -Seda (S), -Algodón (CO), -.Lino (CL), -Yute (CJ). Fibras celulósicas hechas por el hombre: Son fibras cuyas materias primas provienen de la Naturaleza, pero que han sido tratadas por el hombre. Fueron las primeras fibras sintéticas. Las más importantes son las siguientes: -Rayón (CV), -Acetato y fibras de acetato (CA). Fibras no celulósicas hechas por el hombre: Son las llamadas fibras químicas sintéticas. Las ventajas de estas fibras es principalmente que no se depende de cosechas y el volumen de producción puede ser modificado a voluntad. Las propiedades de las fibras químicas pueden ser modificables a voluntad, como la resistencia, brillo..., aunque tienen algunas desventajas como la absorción de agua. Son las que más se utilizan actualmente. Unos ejemplos de este tipo de fibras son:
Nylon: Son las más resistentes y duras de todas las fibras. Son estables al calor de modo que pueden
hilarse por fusión. Son hidrofóbicas, por lo que se secan con rapidez. Gracias a su alta resistencia a la tensión, elasticidad y resistencia a la abrasión, es ideal para aplicaciones como cables, medias y alfombras. Como desventajas podemos señalar que la luz ultravioleta lo degrada, por lo tanto puede
amarillear con el tiempo, además no tiene buena percepción al tacto y produce sensación de frío. Hay dos tipos de nylon: nylon 6 y nylon 6,6. Los dos pueden hilarse y se diferencian en su punto de fusión: 215ºC y 270ºC respectivamente.
F ibr as acríli cas : El más importante es el poliacrilonitrilo, que no puede hilarse fundido porque no es
estable al calor; esa es la razón de que, aunque hace tiempo que se conocía, no se hiló hasta la década de los cincuenta en la que se encontró un disolvente para él. Estas fibras son resistentes a la adición de colorantes, por lo que se deben incluir en su composición otros monómeros. Tienen una apariencia y un tacto parecido a la lana, aunque más barata. Son bastante resistentes y estables a la luz, se lavan mejor que la lana y pueden hacerse pliegues permanentes. Un gran problema es que son inflamables a la llama, aunque no son peligrosas porque los fabricantes les añaden retardantes. Se usan principalmente para suéteres, vestidos y calcetería, sobre todo sustituyendo a la lana.
F ibr as de polié ster: La única importante es el tereftalato de polietileno. Es un polímero estable y puede
hilarse por fusión. Las fibras son algo rígidas debido a la reticulacion. La mayoría se usa para telas y suele estar mezclada con algodón. También se usa como guata, alfombras, tapetes y fundas de almohada. Tiene varias desventajas: baja retención de la humedad, producen sensación de frío, además adquieren fácilmente carga estática, con lo que atrae las partículas de suciedad, aceites y grasas. Su gran densidad encarece su coste. Tiene una Tm de 265ºC, con lo cual pueden fijarse con el calor. Son resistentes y estables KEVLAR Y SUS APLICACIONES. 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.
. 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, o conformaciones. 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 ytrans, 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)
3,7
1,9
3,6
Alargamiento a la Rotura
%
Contracción a 100C
%
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
0,02
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
ððððððð δð ðð ððððδð δð ðððððð (ðððððð ððγðð 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 preformada de kevlar.
