1-MARCO TEORICO

De que esta hecho el kevlar?

Kevlar es un material sintético (persona medida) conocido como un polímero. Algunos otros polímeros sintéticos comunes incluyen nylon, teflón, Lycra, y poliéster. Un polímero es una cadena hecha de muchos grupos similares moleculares, conocidas como monómeros, que están unidas entre sí. Para tener una idea más clara de esto, imagínese que usted está buscando en un tren de locomotora de largo. Cada vagón idéntico podría representar un monómero y todo el tren representaría la cadena polimérica.

Una sola cadena de polímero Kevlar podría tener entre cinco y un millón de segmentos unidos entre sí. Cada segmento de Kevlar o monómero es una unidad química que contiene 14 átomos de carbono, 2 átomos de nitrógeno, 2 átomos de oxígeno y 10 átomos de hidrógeno.

Los químicos representan un monómero de Kevlar de esta manera:

Cuál es la disposición de las cadenas del polímero del kevlar?

Un grupo de cadenas de polímeros se pueden organizar en una fibra como un plato de espaguetis, o una caja de espaguetis. Usted puede poner las cadenas poliméricas en conjunto al azar en un montón o que pueden orientar ordenadamente al lado del otro en una fila.

Resulta que la orientación de las cadenas del polímero es muy importante para ciertas propiedades de polímeros tales como la flexibilidad, rigidez y resistencia.¿Qué orientación le supongo se hizo más fuerte cuando en una fibra?

Hay otros polímeros fuertes como el kevlar aquí vemos Cuáles son sus similitudes y sus diferencias químicas

La siguiente tabla proporciona información acerca de una variedad de ambos polímeros naturales y sintéticos. Mire cuidadosamente cada elemento y comparar cada polímero de Kevlar.

Se puede ver que hay muchas similitudes y diferencias entre los polímeros. Una de las similitudes que parece estar relacionada con la fuerza es la presencia de amidas aromáticas. Aromáticas se refiere a átomos de carbono unidos en un anillo que a menudo se parece a esto:

Las amidas son un grupo de átomos de carbono, nitrógeno, oxígeno e hidrógeno dispuestos de esta manera:

Una fibra de Kevlar es en realidad un conjunto de cadenas de polímero. Que mantiene unidas las cadenas?

A pesar de que las cadenas de polímero de Kevlar son largas cadenas individuales como fideos spagehetti, son diferentes porque las cadenas se comportan como si están unidos juntos.

La idea de la atracción entre los imanes es una analogía que ayuda a comprender las fuerzas de atracción entre cadenas de polímeros. Las cadenas de polímeros individuales son en realidad mantienen unidos por fuerzas electrostáticas entre las moléculas conocidas como enlaces de hidrógeno.

Cuando se trata de enlaces de hidrógeno, el Kevlar y el agua tienen algo en común. En ambos compuestos, los átomos de oxígeno tienen una alta densidad de electrones alrededor del núcleo. Como los electrones tienen carga negativa, esto da a los átomos de oxígeno una ligera carga negativa. Por otro lado, los átomos de hidrógeno tienen una densidad mucho más baja de electrones alrededor del núcleo, dando a los átomos de hidrógeno una carga positiva parcial. Al igual que los polos norte y sur de los imanes, el hidrógeno y el oxígeno positivo negativo de diferentes moléculas atraen a otros bonos, cada uno de hidrógeno que forman.

Unión de hidrogeno en el agua

Unión de hidrogeno en el kevlar

¿Cómo se puede obtener información acerca de las cosas pequeñas, al igual que las moléculas individuales en Kevlar, si son demasiado pequeños para ser vistos con un microscopio normal?

Los químicos tuvieron un indicio de que los compuestos aromáticos en Kevlar estaban relacionados con su fuerza. El reto era averiguar cómo estos grupos aromáticos se orientan dentro de una fibra de Kevlar. Con la luz de sincrotrón, es posible "ver" (detectar) la presencia de diferentes grupos de átomos por la absorción selectiva de la luz.

Si alguna vez has llevado gafas de sol, usted está familiarizado con la idea de la absorción selectiva de la luz. Algunas gafas de sol, cuando se mira a través de ellos, porque todo lo que ves a tomar un tinte azulado. Esto se produce porque los vasos son principalmente la absorción de luz amarilla, permitiendo al mismo tiempo los tonos azules de la luz pase a través de sus ojos. Las cosas se ven azuladas, ya que sólo ven la luz que llega a sus ojos.

Los científicos pueden usar un tipo especial de microscopía de rayos X llamada XANES para revelar la orientación de las moléculas en los materiales. En la National Synchrotron Light Source en Nueva York, científicos expusieron el extremo del corte de una fibra de Kevlar para producir esta imagen

El patrón muestra que los componentes aromáticos de Kevlar tiene una radial (radio-like) orientación.

La orientación radial es importante porque permite que las cadenas de polímero a ser bien ordenada y simétrica como los átomos en un cristal. Debido a esta estructura altamente ordenada, una fibra de Kevlar tiene pocos defectos estructurales o lugares débiles. Esta falta de defectos o puntos débiles es la razón más grande de la fuerza excepcional de Kevlar.

2-PARTE EXPERIMENTAL

a) COMO SE OBTIENE EL KEVLAR

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.

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.

b) 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.

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.

3-APLICACIONES DEL KEVLAR:

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 Vietnam, 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 aeroespacial, y en este campo no se podía quedar por fuera el KEVLAR, a continuación mencionaremos algunos usos de este en la industria aeroespacial.

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.

3-CONCLUSIONES

Kevlar es una cadena larga como molécula conocida como un polímero.

Una fibra de Kevlar es un conjunto de moléculas orientadas en paralelo el uno al otro como un paquete de espagueti crudo. Esta disposición ordenada, desenredado de las moléculas se describe como una estructura cristalina.Cristalinidad se obtiene por un proceso de fabricación conocido como hilatura, que implica la extrusión de la solución de polímero fundido a través de pequeños agujeros. La cristalinidad de las hebras de Kevlar polímero contribuye significativamente a su fuerza única y rigidez.

El Kevlar es una amida aromáticos poli cíclicos. Otros polímeros con una alta resistencia a la rotura a menudo contienen uno o ambos de estos grupos moleculares.

Los filamentos individuales de polímero de Kevlar se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno que se forman entre los grupos amida polares en cadenas adyacentes.

Los componentes aromáticos de polímeros Kevlar tienen una orientación radial (radio-similares), que proporciona un alto grado de simetría y regularidad de la estructura interna de las fibras. Esta regularidad cristal-como es el mayor factor que contribuye a la fuerza de Kevlar. Sólo con la brillante radiación de sincrotrón puede la fuerza secreta de Kevlar ser revelada.