La superfibra kevlar

El Kevlar es una fibra sintética fuerte y resistente al calor, relacionada con otras aramidas como el Nomex y el Technora. Desarrollado por Stephanie Kwolek en DuPont en 1965, este material de alta resistencia se utilizó por primera vez comercialmente a principios de la década de 1970 como sustituto del acero en los neumáticos de carreras. Típicamente se hila en cuerdas o láminas de tela que pueden ser usadas como tales o como un ingrediente en componentes de materiales compuestos.

Fibra de aramida amarilla dorada (Kevlar). El diámetro de los filamentos es de unos 10 µm
Fibra de aramida amarilla dorada (Kevlar). El diámetro de los filamentos es de unos 10 µm

Tiene muchas aplicaciones, que van desde los neumáticos de bicicleta y las velas de carreras hasta los chalecos antibalas, debido a su alta relación resistencia a la tensión y al peso; en esta medida es cinco veces más fuerte que el acero. También se utiliza para fabricar modernos parches de tambor de marcha que soportan un alto impacto. Cuando se utiliza como material tejido, es adecuado para líneas de amarre y otras aplicaciones submarinas.

Una fibra similar llamada Twaron con la misma estructura química fue desarrollada por Akzo en la década de 1970; la producción comercial comenzó en 1986, y Twaron es ahora fabricada por Teijin.

Historia del desarrollo del kevlar

La poli-parafenilenoteraftalamida – marca Kevlar – fue inventada por la química polaco-americana Stephanie Kwolek mientras trabajaba para DuPont, en previsión de una escasez de gasolina. En 1964, su grupo comenzó a buscar una nueva fibra fuerte y ligera para usar en neumáticos ligeros, pero fuertes. Los polímeros con los que había estado trabajando en ese momento, el poli-p-fenilenotereftalato y la polibenzamida, formaron un cristal líquido mientras estaban en solución, algo único en esos polímeros de la época.

La solución era “turbia, opalescente al ser agitada y de baja viscosidad” y normalmente se tiraba. Sin embargo, Kwolek persuadió al técnico, Charles Smullen, que dirigía la hilera, para que probara su solución, y se sorprendió al descubrir que la fibra no se rompía, a diferencia del nylon. Su supervisor y el director de su laboratorio comprendieron el significado de su descubrimiento y rápidamente surgió un nuevo campo de la química de polímeros. En 1971, se introdujo el Kevlar moderno. Sin embargo, Kwolek no estaba muy involucrada en el desarrollo de las aplicaciones del Kevlar.

Síntesis y producción

El Kevlar se sintetiza en solución a partir de los monómeros 1,4-fenileno-diamina (parafenilendiamina) y cloruro de tereftaloilo en una reacción de condensación que produce como subproducto ácido clorhídrico.

El resultado tiene un comportamiento cristalino líquido, y el manejo mecánico orienta las cadenas de polímeros en la dirección de la fibra. La hexametilfosforamida (HMPA) fue el disolvente utilizado inicialmente para la polimerización, pero por razones de seguridad, DuPont lo sustituyó por una solución de N-metil-pirrolidona y cloruro de calcio. Como este proceso había sido patentado por Akzo en la producción de Twaron, se produjo una guerra de patentes.

La reacción de la 1,4-fenileno-diamina (parafenilendiamina) con el cloruro de tereftaloilo produciendo Kevlar
La reacción de la 1,4-fenileno-diamina (parafenilendiamina) con el cloruro de tereftaloilo produciendo Kevlar

La producción de Kevlar (poli parafenilenoteraftalamida) es costosa debido a las dificultades que plantea el uso de ácido sulfúrico concentrado, necesario para mantener el polímero insoluble en agua en solución durante su síntesis e hilado.

Hay varios grados de Kevlar disponibles:

  • Kevlar K-29 – en aplicaciones industriales, como cables, sustitución de amianto, forros de freno, y blindaje de carrocería/vehículo.
  • Kevlar K49 – de alto módulo usado en productos de cable y cuerda.
  • Kevlar K100 – versión coloreada del Kevlar
  • Kevlar K119 – de mayor alargamiento, flexible y más resistente a la fatiga
  • Kevlar K129 – mayor tenacidad para aplicaciones balísticas
  • Kevlar AP – 15% más resistente a la tensión que el K-29
  • Kevlar XP – resina más ligera y combinación de KM2 más fibra
  • Kevlar KM2 – resistencia balística mejorada para aplicaciones de blindaje

El componente ultravioleta de la luz solar lo degrada y lo descompone, un problema conocido como degradación UV, por lo que raramente se utiliza en el exterior sin protección contra la luz solar.

Propiedades del kevlar

Cuando se hila el Kevlar, la fibra resultante tiene una resistencia a la tracción de unos 3.620 MPa, y una densidad relativa de 1,44. El polímero debe su alta resistencia a los muchos enlaces entre cadenas. Estos enlaces intermoleculares de hidrógeno se forman entre los grupos carbonilos y los centros de NH.

La fuerza adicional se deriva de las interacciones de apilamiento aromáticas entre cadenas adyacentes. Estas interacciones tienen una mayor influencia que las interacciones de van der Waals y la longitud de la cadena que típicamente influyen en las propiedades de otros polímeros y fibras sintéticas como el Dyneema.

La presencia de sales y algunas otras impurezas, especialmente el calcio, podría interferir con las interacciones de las cadenas y se tiene cuidado de evitar su inclusión en su producción. La estructura del Kevlar consiste en moléculas relativamente rígidas que tienden a formar estructuras planas como hojas, como la proteína de la seda.

Estructura molecular del Kevlar: la negrita representa una unidad de monómero, las líneas discontinuas indican enlaces de hidrógeno.
Estructura molecular del Kevlar: la negrita representa una unidad de monómero, las líneas discontinuas indican enlaces de hidrógeno.

El Kevlar mantiene su fuerza y resistencia hasta temperaturas criogénicas (-196 °C); de hecho, es ligeramente más fuerte a bajas temperaturas. A temperaturas más altas la resistencia a la tensión se reduce inmediatamente en un 10-20%, y después de algunas horas la resistencia se reduce progresivamente más. Por ejemplo: soportar 160 °C (320 °F) durante 500 horas, reduce la fuerza en alrededor del 10%; y soportar 260 °C (500 °F) durante 70 horas, reduce la fuerza en alrededor del 50%.

Para más información How does Kevlar work? | Why is Kevlar so strong?