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. Todos ellos son polímeros. Algunos otros polímeros sintéticos comunesson el Teflon, la Lycra, y el poliéster. Un polímero es una cadena hecha de muchos grupos moleculares similares, conocido como monómeros, que se enlazan juntos. Para conseguir entender mejor todo esto, imagínese que está mirando un tren de mercancías muy largo. Cada vagón idéntico podría representar un monómero y el tren en su conjunto representaría la cadena del polímero.

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.
Químicamente se puede representar un monómero de Kevlar como esto:






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 Kevlar se muestra en la figura grande, en la parte superior de esta página.





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.









¿Cómo son realmente las moléculas de Kevlar?


Una resistencia excepcional.


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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.
¿Qué hace que las cadenas de polímeros se mantengan unidas?

Imagine una caja de espaguetis crudos. No hay nada que mantenga todos los espagetis juntos, de hecho, si usted vaciara la caja, todos los espaguetis caerían.
Aunque las cadenas del polímero de Kevlar son cadenas individuales, como los espaguetis, en realidad sí están unidas formando un conjunto. ¿Pero cómo se unen?






¿Las cadenas del polímero están como pegadas?




¿Son similares a las piezas de un puzzle?




¿Se atraen como lo hacen dos imanes?


La idea de la atracción entre imanes es una analogía que ayuda en entender las fuerzas atractivas entre las cadenas del polímero. 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.











Via: http://www.eis.uva.es/~macromol/curso04-05/kevlar/Archivos/ir.htm