Kapton es una película de poliimida que se utiliza en circuitos impresos flexibles ( electrónica flexible ) y mantas espaciales , que se utilizan en naves espaciales, satélites y diversos instrumentos espaciales. Inventado por DuPont Corporation en la década de 1960, Kapton permanece estable en un amplio rango de temperaturas, de 4 a 673 K (−269 a +400 °C). Kapton se utiliza en la fabricación de productos electrónicos, aplicaciones espaciales, con equipos de rayos X y en aplicaciones de impresión 3D. Sus favorables propiedades térmicas y características de desgasificación dan como resultado su uso habitual en aplicaciones criogénicas y en situaciones en las que se experimentan entornos de alto vacío.
DuPont inventó el Kapton en la década de 1960 y hasta el día de hoy sigue fabricándolo. [1] [2]
El nombre Kapton es una marca registrada de EI du Pont de Nemours and Company. [3]
La síntesis de kapton es un ejemplo del uso de un dianhídrido en la polimerización por etapas . El polímero intermedio, conocido como ácido poliámico , es soluble debido a los fuertes enlaces de hidrógeno con los disolventes polares que se emplean habitualmente en la reacción. El cierre del anillo se lleva a cabo a altas temperaturas de 470–570 K (200–300 °C).
El nombre químico del Kapton K y HN es poli(4,4'-oxidifenileno-piromelitimiduro) . Se produce a partir de la condensación del dianhídrido piromelítico (PMDA) y la 4,4'-oxidifenilamina (ODA).
Kapton E es una mezcla de dos dianhídridos, PMDA y dianhídrido de ácido bifeniltetracarboxílico (BPDA), y dos diaminas, ODA y p-fenilendiamina (PPD). El componente BPDA aporta mayor estabilidad dimensional y planitud en aplicaciones de circuitos flexibles. Kapton E ofrece un coeficiente de expansión térmica (CTE) reducido , una absorción de humedad reducida y un coeficiente de expansión higroscópica (CHE) reducido en comparación con Kapton H. [4]
De forma aislada, el Kapton permanece estable en un amplio rango de temperaturas, desde 4 a 673 K (−269 a +400 °C). [5] [6]
La conductividad térmica del Kapton a temperaturas de 0,5 a 5 Kelvin es bastante alta para temperaturas tan bajas, κ = 4,638×10 −3 T 0,5678 W·m −1 ·K −1 . [7]
El aislamiento de Kapton envejece mal: un estudio de la FAA muestra degradación en ambientes cálidos y húmedos [8] o en presencia de agua de mar. Se descubrió que tiene muy poca resistencia al desgaste mecánico, principalmente a la abrasión dentro de los mazos de cables debido al movimiento de la aeronave. Muchos modelos de aeronaves han tenido que someterse a extensas modificaciones de cableado (a veces reemplazando por completo todo el cableado aislado con Kapton) debido a cortocircuitos causados por el aislamiento defectuoso. La degradación y el desgaste del cable de Kapton debido a la vibración y el calor se han relacionado con múltiples accidentes de aeronaves de ala fija y de ala giratoria, con pérdida de vidas. [9] El New York Times , citando un documento de la OIG de la NASA , informó en 2005 que los cables aislados con Kapton en el transbordador espacial "tendían a romperse con el tiempo, causando cortocircuitos y, potencialmente, incendios". En la misión STS-93, los cortocircuitos eléctricos en el aislamiento de Kapton inhabilitaron dos controladores de motor y casi causaron una catástrofe. [10]
Debido a su amplio rango de estabilidad térmica y su capacidad de aislamiento eléctrico, la cinta Kapton se utiliza habitualmente en la fabricación de productos electrónicos como capa de aislamiento y protección en componentes frágiles y sensibles a la electrostática. Como puede soportar la temperatura necesaria para una operación de soldadura por reflujo, su protección está disponible durante todo el proceso de producción y, a menudo, el Kapton sigue estando presente en el producto de consumo final.
La etapa de descenso del módulo lunar Apolo y la parte inferior de la etapa de ascenso que rodea el motor de ascenso estaban cubiertas con mantas de láminas de Kapton aluminizadas para proporcionar aislamiento térmico . Durante el viaje de regreso desde la Luna, el astronauta del Apolo 11, Neil Armstrong, comentó que durante el lanzamiento de la etapa de ascenso Eagle del módulo lunar , pudo ver "Kapton y otras partes de la plataforma del LM esparcidas por toda la zona a grandes distancias". [11]
El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA ha considerado al Kapton como un buen soporte plástico para velas solares debido a su durabilidad en el entorno espacial. [12]
La sonda espacial New Horizons de la NASA utilizó Kapton en un innovador diseño de aislamiento en forma de " botella termo " para mantener la nave funcionando a una temperatura de entre 283 y 303 K (10 y 30 °C) durante su viaje de más de nueve años y 5 terametros (33 unidades astronómicas) para encontrarse con el planeta enano Plutón el 14 de julio de 2015. [13] El cuerpo principal está cubierto con un aislamiento térmico ligero, de color dorado y multicapa que retiene el calor de los componentes electrónicos en funcionamiento para mantener la nave caliente. La manta térmica de 18 capas de tela de malla de Dacron intercaladas entre Mylar aluminizado y película de Kapton también ayudó a proteger la nave de los micrometeoritos . [14]
El parasol del telescopio espacial James Webb está hecho de cinco láminas de Kapton E recubiertas de aluminio y silicio dopado para reflejar el calor lejos del cuerpo de la nave espacial. [15]
La tripulación a bordo de la Estación Espacial Internacional utilizó cinta Kapton para reparar temporalmente una fuga lenta en una nave espacial Soyuz unida al segmento ruso del complejo orbital en agosto de 2018. [16] Se utilizó nuevamente en octubre de 2020 para sellar temporalmente una fuga en la cámara de transferencia del módulo de servicio Zvezda de la ISS. [17]
El kapton también se utiliza habitualmente como material para ventanas que se utilizan con todo tipo de fuentes de rayos X ( líneas de luz de sincrotrón y tubos de rayos X ) y detectores de rayos X. Su alta estabilidad mecánica y térmica, así como su alta transmitancia de rayos X, lo convierten en el material preferido. También es relativamente insensible al daño por radiación . [18]
El Kapton y el ABS se adhieren muy bien entre sí, lo que ha llevado al uso generalizado del Kapton como superficie de construcción para impresoras 3D . El Kapton se coloca sobre una superficie plana y el ABS se extruye sobre la superficie del Kapton. La pieza de ABS que se está imprimiendo no se desprenderá de la plataforma de construcción a medida que se enfríe y se encoja, una causa común de fallas de impresión por deformación de la pieza. [19] Una alternativa más duradera es utilizar una superficie de polieterimida . [20]
Los investigadores han ideado un método para imprimir en 3D material de poliimida que incluya Kapton. [21] El precursor del ácido poliámico de Kapton se mezcla con un reticulante de acrilato y un fotoiniciador que puede formar un gel cuando se expone a la luz ultravioleta durante la impresión 3D. El calentamiento posterior de la pieza impresa en 3D hasta 400 °C elimina los reticulantes sacrificiales e imidiza la pieza formando Kapton con una geometría impresa en 3D. [22]
La conductividad térmica relativamente alta del Kapton a temperaturas muy bajas, junto con sus buenas cualidades dieléctricas y su disponibilidad en láminas delgadas, lo han convertido en un material favorito en criogenia , ya que proporciona aislamiento eléctrico a gradientes térmicos bajos.
El kapton se utiliza habitualmente como aislante en entornos de ultra alto vacío debido a su baja tasa de desgasificación . [23]
El cableado eléctrico con aislamiento Kapton se ha utilizado ampliamente en aviones civiles y militares porque es más liviano que otros aislantes y tiene buenas características de aislamiento y temperatura.
DuPont inventó la película de poliimida Kapton® hace más de 45 años
