Kevlar y Nomex

Introducción
Las fibras de aramida fueron introducidas comercialmente en 1972 por DuPont.

Kevlar:
El Kevlar o poliparafenileno tereftalamida es un polímero altamente cristalino. Llevó mucho tiempo encontrar alguna aplicación útil para el Kevlar, dado que no era soluble en ningún disolvente. 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.
Stephanie Kwolek trabajaba en un laboratorio para DuPont, donde todos los días experimentaba con nuevos materiales. Descubrió el Kevlar cuando se dio cuenta de que una solución plástica que ella estudiaba a menudo estaba actuando de manera "diferente".
La obtención de las fibras de Kevlar fue complicada, destacando el aporte de Herbert Blades, que solucionó el problema de qué disolvente emplear para el procesado.
Este material era súper resistente y a la vez muy ligero. Así fue como descubrió el Kevlar, una fibra química famosa por su uso en los chalecos antibalas.

Nomex:
Las características intrínsecamente ignífugas proporcionadas por NOMEX® hacen que las personas que trabajan con este polímero estén seguras y protegidas contra los peligros del trabajo de cada día. Es ese conocimiento y sentido de la seguridad el que les permite concentrarse en su tarea actual, y contribuir así a elevar la productividad.
NOMEX® es una molécula con cadena larga. La tecnología térmica avanzada fue creada hace más de 30 años cuando los científicos de DuPont crearon una fibra con una combinación extraordinaria en cuanto a características de alto rendimiento para el calor e ignífugas, así como características superiores del textil.
La familia de DuPont de los productos de fibra de NOMEX® proporciona resistencia excepcional al calor y a la llama y ofrece características excelentes del textil. Los usos incluyen los filtros, las telas revestidas industriales, etc.
NOMEX® también se utiliza para el aislamiento eléctrico en forma de papel y de cartón prensado, donde su fuerza dieléctrica inherente, dureza mecánica y estabilidad termal proporcionan alta confiabilidad en los usos más exigentes.

Estructura química del Kevlar y del Nomex:
El Kevlar y el Nomex pertenecen a la familia de las aramidas, las cuales , a su vez, pertenecen a una familia de nylons.
Una sola cadena del polímero de Kevlar podría tener desde cinco hasta un millón de monómeros enlazados juntos. Cada monómero de Kevlar es una unidad química que contiene 14 átomos de carbono, 2 átomos de nitrógeno, 2 átomos de oxígeno y 10 átomos de hidrógeno.
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.

Las aramidas se utilizan en forma de fibras. Forman fibras aún mejores que las poliamidas no aromáticas, como el nylon 6,6.
Las cadenas del polímero se pueden juntar aleatoriamente o se pueden orientar cuidadosamente de lado a lado en una fila. Resulta que la orientación de las cadenas del polímero es muy importante para ciertas características tales como flexibilidad, rigidez, y fuerza.

Una fibra de Kevlar es un arsenal de moléculas orientadas en paralelo como un paquete de espaguetis crudos. Esta colocación espacial es lo que proporciona las moléculas con estructura cristalina. La cristalinidad es obtenida por un proceso de fabricación que implica sacar la solución fundida del polímero a través de agujeros pequeños de la extrusora. La cristalinidad de los filamentos del polímero de Kevlar contribuye perceptiblemente a su fuerza y rigidez únicas.
Las amidas tienen la capacidad de adoptar dos formas diferentes, o conformaciones. Usted puede ver ésto 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 y trans, 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 ésto 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.

Una fibra de Kevlar es en realidad un conjunto de cadenas de polímeros.
Aunque las cadenas del polímero de Kevlar son cadenas individuales, en realidad sí están unidas formando un conjunto. Las cadenas individuales del polímero se unen realmente por fuerzas electrostáticas que hay entre las moléculas, conocidas como enlaces por puentes de hidrógeno, que se forman entre los grupos de amidas polares en cadenas adyacentes.
En cuanto a los enlaces por puentes 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. Puesto que los electrones se cargan negativamente, los átomos de oxígeno tendrán una carga negativa leve. Por otra parte, los átomos de hidrógeno tienen una densidad mucho más baja de electrones alrededor del núcleo, teniendo, por tanto, una carga positiva parcial. El hidrógeno y el oxígeno de diversas moléculas se atraen, formando el enlace por puentes de hidrógeno.

Vinculación del hidrógeno en agua

Vinculación del hidrógeno en Kevlar.

Propiedades del Kevlar y del Nomex
Las propiedades de estos dos materiales van ligadas intrínsecamente a las aplicaciones que podemos encontrar tanto en la industria como en la vida cotidiana, las cuales se ven en el siguiente punto.
No derriten ni se contraen en llama, y carbonizan solamente a temperaturas muy altas. Ofrecen una resistencia excelente al agua y al petróleo, incluyendo el aceite de motores y lubricantes, además tienen una buena resistencia química y son químicamente estables bajo una gran variedad de condiciones de exposición. Son ambos extremadamente resistentes y con alta resistencia a la abrasión, además se cortan y se rasgan.
NOMEX® es un polímero aromático sintético de poliamida que proporciona altos niveles de la integridad eléctrica, química y mecánica.
Esto es lo que hace que NOMEX® no se contraiga, ni dilate, ni se ablande ni derrita durante la exposición a corto plazo a temperaturas tan altas como 300°C. A largo plazo puede estar trabajando como aislante tanto térmico como eléctrico o químico soportando continuamente temperaturas de hasta 220°C durante más de 10 años.
La fuerza y la resistencia de los papeles y de los cartones prensados de NOMEX® ayudan a ampliar vida del equipo que rota en condiciones de funcionamiento severas. Estas condiciones incluyen choque severo y vibraciones excesivas propiciadas por desequilibrios rotantes, como por ejemplo las que pueden aparecer en molinos de acero, motores para tracción ferroviaria, o turbinas de gas. En todos ellos además tenemos grandes temperaturas de funcionamiento.

Fuerza dieléctrica inherente
En tensiones eléctricas muy elevadas, como cortocircuitos, a corto plazo los productos de NOMEX® de 18 a 40 V/mil de kV/mm (457 a 1015), dependiendo de tipo de producto y grueso, proporcionan la protección necesaria y adecuada.

Dureza mecánica
Los productos de alta densidad de NOMEX® son fuertes, resistentes y (en los grados más finos) flexibles, con buena resistencia al rasgado y a la abrasión. Sometido a presión hidrostática, el Kevlar es 20 veces más fuerte que el acero.

Estabilidad termal
Las temperaturas hasta 200°C tienen poco o nada de efecto en las características eléctricas y mecánicas de los productos de NOMEX®, y los valores útiles se conservan en temperaturas considerablemente más altas. Además, estas características útiles se mantienen por por lo menos 10 años de exposición continua a 220°C de temperatura.

Compatibilidad química
NOMEX® es esencialmente inerte a la mayoría de los disolventes, y es totalmente resistente a los ataques de ácidos y álcalis. Es compatible con todas las clases de barnices y de pegamentos, de líquidos de transformadores, de aceites lubricantes, y de refrigerantes. Puesto que los productos de NOMEX® no son digestibles, no son atacados por insectos, hongos, etc.

Capacidades criogénicas
NOMEX® ha encontrado una gran aceptación en una variedad de usos criogénicos debido a su estructura polimérica única. En el punto que hierve el nitrógeno (77°K), los cartones prensados de papel de NOMEX® resisten plenamete las fuerzas de contracción/dilatación que aparecen.

Insensibilidad a la humedad
En equilibrio con un 95 por ciento de humedad relativa, los papeles de NOMEX® y los cartones prensados mantienen un 90 por ciento de su fuerza dieléctrica, mientras que muchas características mecánicas además mejoran.

Resistencia de la radiación
NOMEX® es esencialmente inafectado por 800 megarads (8Mgy) de radiación de ionización y todavía conserva características mecánicas y eléctricas útiles después de ocho veces esta exposición.

No toxicidad
Los productos de NOMEX® no producen ninguna reacción tóxica conocida en seres humanos o animales. Los productos de NOMEX® no se derriten y, con un índice limitador del oxígeno (LOI) en 220°C sobre 20,8 (el valor crítico para la combustión en aire normal), no favorecen la combustión.

Aplicaciones del Kevlar y del Nomex
El Kevlar, en combinación con Nomex, es utilizado en una gran gama de productos hoy en día. Entre ellos, es utilizado para los chalecos y cascos antibalas, también en el desarrollo de cables ópticos, cordones para escalar, llantas, partes para aviones, canoas, raquetas de tenis y más.
Actualmente DuPont comercializa dos tipos de Kevlar:
El Kevlar 29, de baja densidad y alta resistencia, se utiliza principalmente para aplicaciones balísticas, cables y cuerdas.
El Kevlar 49, de baja densidad, alta resistencia y módulo elástico, se utiliza para reforzar plásticos de materiales compuestos para aplicaciones aeroespaciales, marina, automoción y otras aplicaciones industriales.

Protección para las fuerzas de seguridad:

Los policías necesitan ser equipados y entrenados para ocuparse de situaciones violentas y peligrosas, y esto significa tener la mejor ropa protectora personal posible. El chaleco se puede diseñar para balas, puñaladas, protección de impactos, o cualquier combinación de éstos. El equipamiento debe proporcionar también protección contra el fuego, el calor y el ataque químico. Estos elementos son fabricados en la actualidad a base de kevlar y nomex, los cuales nos garantizan estas propiedades además de ser cómodos y ligeros.
Un campo donde juegan un papel fundamental las ropas fabricadas a partir de Nomex y Kevlar es el de la equipación de los Tedax, desactivación de exlosivos.

Protección para las fuerzas armadas:
El Kevlar se utiliza para muchos usos militares que se extienden en muchos ámbitos: la fragmentación y la protección antibalas, equipos antiminas, los bolsos de los paracaídas del asiento del eyector y los guantes protectores, entre otros. El Kevalar es hasta cinco veces más fuertes que el acero sobre una base del igual peso, por ejemplo, los cascos de Kevalr son más resistentes a los fragmentos de metralla que sus precursores de acero.
Los usos militares para el Kevlar incluyen el chaleco antibalas, toda la ropa del uniforme militar, cascos, guantes, cargadores, portadores de explosivos e incluso mantas balísticas.

Fuego y protección contra el calor:
El Nomex se utiliza para la fabricación de la ropa protectora antiincendios que se extienden desde los uniformes de la tripulación aérea hasta la ropa interior de los soldados.
La comodidad del Nomex, que puede ser tejido o ser hecho a punto incluso, se diseña específicamente para proporcionar transpiración. Además la ropa puede ser teñida en colores de camuflaje a la reflexión infrarroja.

Cada explosión causada por un  misil, una bomba o una granada genera con frecuencia una bola de fuego. La munición y el combustible aceleran más dicho fuego particularmente en el interior de los aviones, vehículos de lucha armados y naves.

La ropa fabricada a apartir de fibras de nomex tiene una excepcional durabilidad, de hasta cinco veces mayor que el polyester/algodón usado para el mismo fin.

Aplicaciones eléctricas:
Dondequiera que haya una necesidad del aislamiento eléctrico, hay generalmente productos de Nomex para satisfacer dichas necesidades. En sus variadas formas, sobre todo los papeles y los cartones prensados, podemos usarlo para aislamiento en transformadores, motores eléctricos, los generadores y todo tipo de equipos eléctricos.

Protección térmica:
El Nomex se utiliza en todos los tipos de motoresde CA y CC, en servomotores, a 13.6kV y en generadores industriales vapor-turbina 150MW.
Los motores pueden alcanzar temperaturas considerablemente superiores a la de diseño debido a sobrecargas, humedad, desequilibrio de fases, en el arranque y la parada, etc.

Aplicaciones eléctrónica
El papel y el cartón prensado de Nomex se utiliza en equipos electrónicos por sus características ignífugas excepcionales. También ofrecen alta resistencia térmical y resistencia. Se utilizan generalmente en interruptores y controles, en dieléctricos, etc.

Fuentes:
http://pslc.ws
http://www.dupont.com
http://www.fibersource.com
https://en.wikipedia.org