Kevlar (para-aramida) [2] es una fibra sintética fuerte y resistente al calor , relacionada con otras aramidas como Nomex y Technora . Desarrollado por Stephanie Kwolek en DuPont en 1965, [3] [2] [4] el material de alta resistencia se utilizó comercialmente por primera vez a principios de la década de 1970 como reemplazo del acero en neumáticos de carreras. Por lo general, se hila para formar cuerdas o láminas de tela que pueden usarse como tales o como ingrediente en componentes de materiales compuestos .
Kevlar tiene muchas aplicaciones, que van desde neumáticos de bicicleta y velas de carreras hasta chalecos antibalas , todo debido a su alta relación resistencia-peso a la tracción ; según esta medida es cinco veces más resistente que el acero. [2] También se utiliza para fabricar parches de marcha modernos que resisten altos impactos; y para líneas de amarre y otras aplicaciones submarinas.
Akzo desarrolló una fibra similar llamada Twaron con la misma estructura química en la década de 1970; La producción comercial comenzó en 1986 y ahora Twaron es fabricado por Teijin . [5] [6]
La poliparafenileno tereftalamida (K29), de marca Kevlar, fue inventada por la química estadounidense Stephanie Kwolek mientras trabajaba para DuPont, en previsión de una escasez de gasolina. En 1964, su grupo comenzó a buscar una nueva fibra ligera y resistente para utilizarla en neumáticos ligeros pero resistentes. [7] Los polímeros con los que había estado trabajando en ese momento, tereftalato de poli-p-fenileno y polibenzamida, [8] formaban cristales líquidos mientras estaban en solución, algo exclusivo de esos polímeros en ese momento. [7]
La solución era "turbia, opalescente al agitarla y de baja viscosidad " y normalmente se desechaba. Sin embargo, Kwolek convenció al técnico Charles Smullen, que manejaba la hilera , para que probara su solución y se sorprendió al descubrir que la fibra no se rompía, a diferencia del nailon . Su supervisor y director de laboratorio comprendieron la importancia de su descubrimiento y rápidamente surgió un nuevo campo de la química de polímeros . En 1971, se introdujo el Kevlar moderno. [7] Sin embargo, Kwolek no estuvo muy involucrado en el desarrollo de las aplicaciones de Kevlar. [9]
En 1971, Lester Shubin , entonces Director de Ciencia y Tecnología del Instituto Nacional de Aplicación de la Ley y Justicia Penal, [10] sugirió utilizar Kevlar para sustituir el nailon en los chalecos antibalas. [11] Antes de la introducción del Kevlar, los chalecos antibalas hechos de nailon habían proporcionado una protección mucho más limitada a los usuarios. Shubin recordó más tarde cómo surgió la idea: "Lo doblamos un par de veces y le disparamos. Las balas no atravesaron". En las pruebas, ataron Kevlar a cabras anestesiadas y les dispararon al corazón, la médula espinal, el hígado y los pulmones. Monitorizaron la frecuencia cardíaca y los niveles de gases en sangre de las cabras para detectar lesiones pulmonares. Después de 24 horas, una cabra murió y las demás tenían heridas que no ponían en peligro sus vidas. [12] [13] [ se necesita verificación ] Shubin recibió una subvención de 5 millones de dólares para investigar el uso de la tela en chalecos antibalas.
Kevlar 149 fue inventado por Jacob Lahijani de Dupont en los años 1980. [14]
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Kevlar se sintetiza en solución a partir de los monómeros 1,4- fenilen - diamina ( para -fenilendiamina ) y cloruro de tereftaloilo en una reacción de condensación que produce ácido clorhídrico como subproducto. El resultado tiene un comportamiento líquido-cristalino y el estirado mecánico orienta las cadenas de polímero en la dirección de la fibra. El disolvente utilizado inicialmente para la polimerización fue hexametilfosforamida (HMPA) , pero por razones de seguridad, DuPont lo reemplazó por una solución de N -metilpirrolidona y cloruro de calcio. Como este proceso había sido patentado por Akzo (ver arriba) en la producción de Twaron , se produjo una guerra de patentes . [15]
La producción de Kevlar es costosa debido a las dificultades que surgen del uso de ácido sulfúrico concentrado , necesario para mantener en solución el polímero insoluble en agua durante su síntesis e hilado . [dieciséis]
Hay varios grados de Kevlar disponibles:
El componente ultravioleta de la luz solar degrada y descompone el Kevlar, un problema conocido como degradación UV , por lo que rara vez se utiliza en exteriores sin protección contra la luz solar. [22]
Cuando se hila Kevlar , la fibra resultante tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 3.620 MPa (525.000 psi) , [23] y una densidad relativa de 1,44 (0,052 lb/in 3 ). El polímero debe su alta resistencia a los numerosos enlaces entre cadenas. Estos enlaces de hidrógeno intermoleculares se forman entre los grupos carbonilo y los centros NH . La fuerza adicional se deriva de las interacciones de apilamiento aromático entre hebras adyacentes. Estas interacciones tienen una mayor influencia en Kevlar que las interacciones de Van der Waals y la longitud de la cadena que normalmente influyen en las propiedades de otros polímeros y fibras sintéticos, como el polietileno de peso molecular ultraalto . La presencia de sales y otras impurezas, especialmente calcio , podría interferir con las interacciones de las hebras y se tiene cuidado para evitar su inclusión en su producción. La estructura del Kevlar consiste en moléculas relativamente rígidas que tienden a formar estructuras en forma de láminas en su mayoría planas, algo así como la proteína de la seda . [24]
Kevlar mantiene su fuerza y resistencia hasta temperaturas criogénicas (-196 °C (-320,8 °F)): de hecho, es ligeramente más fuerte a bajas temperaturas. A temperaturas más altas, la resistencia a la tracción se reduce inmediatamente entre un 10% y un 20% y, después de algunas horas, la resistencia se reduce progresivamente aún más. Por ejemplo: al soportar 160 °C (320 °F) durante 500 horas, su resistencia se reduce aproximadamente un 10%; y al soportar 260 °C (500 °F) durante 70 horas, su resistencia se reduce en aproximadamente un 50%. [25]
Kevlar se utiliza a menudo en el campo de la criogenia por su baja conductividad térmica y alta resistencia en relación con otros materiales para fines de suspensión. Se utiliza con mayor frecuencia para suspender un recinto de sal paramagnética de un mandril de imán superconductor para minimizar cualquier fuga de calor al material paramagnético. También se utiliza como separador térmico o soporte estructural donde se desean bajas fugas de calor.
El experimento NA48 en el CERN utilizó una delgada ventana de Kevlar para separar un recipiente de vacío de un recipiente a presión casi atmosférica, ambos de 192 cm (76 pulgadas) de diámetro. La ventana ha proporcionado estanqueidad al vacío combinada con una cantidad razonablemente pequeña de material (sólo del 0,3% al 0,4% de la longitud de radiación ). [ cita necesaria ]
Kevlar es un componente muy conocido de armaduras personales , como cascos de combate , máscaras balísticas y chalecos balísticos . El casco y chaleco PASGT utilizados por las fuerzas militares de los Estados Unidos utilizan Kevlar como componente clave en su construcción. Otros usos militares incluyen máscaras faciales a prueba de balas y revestimientos antiastillas utilizados para proteger a las tripulaciones de vehículos blindados de combate . Los portaaviones clase Nimitz utilizan refuerzos de Kevlar en áreas vitales. Las aplicaciones civiles incluyen: uniformes de alta resistencia al calor usados por bomberos, chalecos antibalas usados por agentes de policía, seguridad y equipos tácticos policiales como SWAT . [26]
Kevlar se utiliza para fabricar guantes, mangas, chaquetas, chaparreras y otras prendas de vestir [27] diseñadas para proteger a los usuarios de cortes, abrasiones y calor. Los equipos de protección basados en Kevlar suelen ser considerablemente más ligeros y delgados que los equipos equivalentes fabricados con materiales más tradicionales. [26]
Se utiliza en la ropa de seguridad de motociclistas , especialmente en las zonas con acolchado como hombros y codos. En el deporte de la esgrima se utiliza en las chaquetas protectoras, calzones, plastrones y el peto de las máscaras. Cada vez se utiliza más en el peto , la cubierta acolchada que protege a los caballos de los picadores en la plaza de toros. Los patinadores de velocidad también suelen llevar una capa inferior de tejido Kevlar para evitar posibles heridas con los patines en caso de caída o colisión.
En kyudo , o tiro con arco japonés , se puede utilizar para las cuerdas del arco , como alternativa al cáñamo , más caro [28] . Es uno de los principales materiales utilizados para las líneas de suspensión de parapentes . [29] Se utiliza como revestimiento interior de algunos neumáticos de bicicleta para evitar pinchazos. En el tenis de mesa , se añaden capas de Kevlar a palas o palas de capas personalizadas para aumentar el rebote y reducir el peso. Las raquetas de tenis a veces están encordadas con Kevlar. Se utiliza en velas para embarcaciones de regata de alto rendimiento.
En 2013, con los avances tecnológicos, Nike utilizó Kevlar en sus zapatillas por primera vez. Lanzó la serie Elite II, [30] con mejoras a su versión anterior de zapatillas de baloncesto mediante el uso de Kevlar en la parte anterior y en los cordones de las zapatillas . Esto se hizo para disminuir la elasticidad de la punta del zapato en contraste con el nailon utilizado convencionalmente, ya que el Kevlar se expandió aproximadamente un 1% frente al nailon que se expandió aproximadamente un 30%. Los zapatos de esta gama incluían LeBron, HyperDunk y Zoom Kobe VII. Sin embargo, estos zapatos se lanzaron a un precio mucho más alto que el costo promedio de los zapatos de baloncesto. También se utilizó en los cordones de la bota de fútbol Adidas F50 adiZero Prime.
Varias empresas, incluida Continental AG , fabrican neumáticos para bicicletas con Kevlar para protegerlos contra pinchazos. [31]
Los neumáticos de bicicleta con talón plegable, introducidos al ciclismo por Tom Ritchey en 1984, [32] [ referencia circular ] utilizan Kevlar como talón en lugar de acero para reducir el peso y ofrecer resistencia. Un efecto secundario del talón plegable es una reducción del espacio en estantes y piso necesario para exhibir neumáticos para bicicletas en un entorno minorista, ya que se pliegan y se colocan en cajas pequeñas.
También se ha descubierto que Kevlar tiene propiedades acústicas útiles para los conos de los altavoces , específicamente para unidades de graves y medios. [33] Además, Kevlar se ha utilizado como miembro de resistencia en cables de fibra óptica como los utilizados para transmisiones de datos de audio. [34]
Kevlar se puede utilizar como núcleo acústico en arcos para instrumentos de cuerda . [35] Las propiedades físicas del Kevlar proporcionan fuerza, flexibilidad y estabilidad al usuario del arco. Hasta la fecha, el único fabricante de este tipo de arco es CodaBow. [36]
Kevlar también se utiliza actualmente como material para cordones de cola (también conocidos como ajustadores de cordal), que conectan el cordal a la clavija de los instrumentos de cuerda frotada. [37]
El kevlar se utiliza a veces como material en los tambores de marcha. Permite una cantidad extremadamente alta de tensión, lo que resulta en un sonido más limpio. Por lo general, se vierte una resina sobre el Kevlar para que la cabeza sea hermética y una capa superior de nailon para proporcionar una superficie de golpe plana. Este es uno de los tipos principales de parches de caja de marcha. El parche Falam Slam de Remo está hecho con Kevlar y se utiliza para reforzar los parches del bombo donde golpea la maza. [38]
Kevlar se utiliza en las cañas de viento de Fibracell. El material de estas cañas es un compuesto de materiales aeroespaciales diseñados para duplicar la forma en que la naturaleza construye la caña. Fibras de Kevlar muy rígidas pero que absorben el sonido están suspendidas en una formulación de resina liviana. [39]
El Kevlar se utiliza a veces en componentes estructurales de automóviles, especialmente en automóviles de alto rendimiento como el Ferrari F40 . [40]
La fibra picada se ha utilizado como sustituto del amianto en las pastillas de freno . [41] Las aramidas como el Kevlar liberan menos fibras en el aire que los frenos de amianto y no tienen las propiedades cancerígenas asociadas con el amianto. [42] [43]
Las mechas para los accesorios de danza del fuego están hechas de materiales compuestos con Kevlar. El kevlar por sí solo no absorbe muy bien el combustible, por lo que se mezcla con otros materiales como fibra de vidrio o algodón . La alta resistencia al calor de Kevlar permite que las mechas se reutilicen muchas veces.
A veces se utiliza kevlar como sustituto del teflón en algunas sartenes antiadherentes. [44]
La fibra de Kevlar se utiliza en cuerdas y cables, donde las fibras se mantienen paralelas dentro de una funda de polietileno . Los cables se han utilizado en puentes colgantes como el puente de Aberfeldy, Escocia . También se han utilizado para estabilizar torres de enfriamiento de concreto agrietadas mediante aplicación circunferencial seguida de tensión para cerrar las grietas. Kevlar se usa ampliamente como funda protectora exterior para cables de fibra óptica , ya que su resistencia protege el cable de daños y torceduras. Cuando se utiliza en esta aplicación, se le conoce comúnmente con el nombre de marca registrada Parafil. [45]
Kevlar fue utilizado por científicos del Instituto de Tecnología de Georgia como tejido base para un experimento en ropa que produce electricidad. Esto se hizo tejiendo nanocables de óxido de zinc en la tela. Si tiene éxito, el nuevo tejido generará unos 80 milivatios por metro cuadrado. [46]
Un techo retráctil de más de 60.000 pies cuadrados (5.600 m 2 ) de Kevlar fue una parte clave del diseño del Estadio Olímpico de Montreal para los Juegos Olímpicos de Verano de 1976 . Fue un fracaso espectacular, ya que se completó con 10 años de retraso y se reemplazó sólo 10 años después, en mayo de 1998, después de una serie de problemas. [47] [48]
Kevlar se puede encontrar como capa de refuerzo en juntas de expansión de fuelles de caucho y mangueras de caucho , para uso en aplicaciones de alta temperatura y por su alta resistencia. También se encuentra como una capa trenzada que se utiliza en el exterior de los conjuntos de mangueras, para agregar protección contra objetos cortantes. [49] [50] [51]
Algunos teléfonos móviles (incluidos los de la familia Motorola RAZR , el Motorola Droid Maxx , el OnePlus 2 y el Pocophone F1 ) tienen una placa posterior de Kevlar, elegida entre otros materiales como la fibra de carbono debido a su resistencia y falta de interferencia con la transmisión de la señal. [52]
Los materiales compuestos de fibra de Kevlar/matriz epoxi se pueden utilizar en turbinas de corriente marina (MCT) o turbinas eólicas debido a su alta resistencia específica y peso ligero en comparación con otras fibras. [53]
Las fibras de aramida se utilizan ampliamente para reforzar materiales compuestos, a menudo en combinación con fibra de carbono y fibra de vidrio . La matriz de los composites de alto rendimiento suele ser resina epoxi . Las aplicaciones típicas incluyen carrocerías monocasco para coches de Fórmula 1 , palas de rotores de helicópteros, raquetas de tenis , tenis de mesa , bádminton y squash , kayaks , bates de críquet y palos de hockey sobre césped , hockey sobre hielo y lacrosse . [54] [55] [56] [57]
Kevlar 149, la fibra más resistente y de estructura más cristalina, es una alternativa en determinadas partes de la construcción de aviones. [58] El borde de ataque del ala es una aplicación, ya que el Kevlar es menos propenso que el carbono o la fibra de vidrio a romperse en colisiones de aves.
