El Kevlar es un polímero de gran resistencia, tan fuerte como el acero, y es utilizado para múltiples aplicaciones críticas, desde cascos y ropa de seguridad hasta chalecos antibalas y neumáticos resistentes a los pinchazos. Sin embargo, es muy sensible frente a la luz ultravioleta y las altas temperaturas. En un trabajo de investigación entre la UPV/EHU y CIC nanoGUNE, han hibridado el Kevlar con diferentes óxidos metálicos, y han logrado superar esas limitaciones.
La investigadora responsable del proyecto, Itxasne Azpitarte Irakulis. Foto: UPV/EHU.
Gracias a su ordenada estructura cristalina, el Keblar tiene una resistencia y tenacidad mayor incluso que el propio acero, por lo que tiene múltiples utilidades, entre las que se encuentran diferentes aplicaciones críticas, como la fabricación de cascos, guantes y ropas de seguridad, chalecos antibalas y neumáticos resistentes a los pinchazos. La mayor parte de los polímeros de gran resistencia, sin embargo, son muy sensibles frente a la luz ultravioleta y las altas temperaturas, y dado que sus aplicaciones son para uso en exterior, deben ser protegidos de la luz solar. La estrategia más utilizada suele ser recubrirlos de resina u óxidos metálicos, pero eso hace aumentar el peso del polímero y le resta elasticidad.
Con la intención de buscar otro tipo de solución a esa realidad, la química Itxasne Azpitarte Irakulis recurrió a la hibridación del Kevlar con otro material, en una investigación puesta en marcha con el laboratorio LABQUIMAC de la UPV/EHU: “En la naturaleza existen biomateriales con esa estructura, con fracciones inorgánicas intercaladas en matrices orgánicas”. Siguiendo esa vía, tomó las fibras de Kevlar como matriz orgánica, y las hibridó con óxido de zinc. La hibridación dio lugar a “una fase intermedia entre los dos materiales, en la que ambos aparecen mezclados, y además creamos un recubrimiento de óxido de zinc de unos pocos nanómetros de grosor alrededor de la fibra de Kevlar. Vimos que las fibras de Kevlar híbridas resultantes presentan una estabilidad mayor frente a la luz ultravioleta y la temperatura, y dado que el recubrimiento es de escala nanométrica, el polímero no adquiere un peso extra”, explica la investigadora.
Para realizar la hibridación, además, siguieron una técnica no muy habitual: “Los compuestos químicos que queríamos intercalar en el polímero los teníamos en fase gaseosa, por lo que se introdujeron en los poros naturalmente presentes en el polímero, y crearon enlaces químicos con las moléculas del interior; es decir, se produjo su infiltración. Y alrededor, como ya hemos citado, formamos el recubrimiento mediante varias capas de óxido de zinc”, describe la doctora Azpitarte.
Hibridación de dos óxidos metálicos en una segunda fase
En una segunda fase de la investigación, el objetivo fue mejorar los resultados obtenidos en la anterior. “Aunque mejoramos las propiedades térmicas y la sensibilidad hacia la luz ultravioleta, el polímero se vio ligeramente debilitado, debido a que el óxido de zinc reacciona con la luz ultravioleta”, comenta la investigadora. Para ello continuaron utilizando el óxido de zinc para realizar la infiltración, pero para el recubrimiento recurrieron a otro óxido metálico, el óxido de aluminio. “Esa combinación fue la que nos permitió superar completamente la sensibilidad hacia la luz ultravioleta, mejorar la sensibilidad hacia la temperatura, y, además, no perder propiedades mecánicas”, continúa.
Tras la consecución de estas mejoras, estudiaron si el Kevlar híbrido podía tener nuevas funcionalidades: “escogimos la conductividad eléctrica y las propiedades fotocatalíticas. El óxido de zinc es conductor eléctrico por naturaleza, pero vimos que las fibras de Kevlar hibridadas con este óxido presentaban una conductividad mucho mejor que el propio óxido de zinc. Al estudiarlas en mayor detalle, observamos que era la parte donde se encuentra infiltrado el óxido de zinc en el Kevlar la que le otorga esa conductividad extra a la fibra híbrida”, detalla Azpitarte. Asimismo, dado que estas fibras tienen propiedades fotocatalíticas, tienen la capacidad de descomponer la materia orgánica al ser iluminadas con luz visible.
Tejido Kevlar.
Esto hará que el Kevlar pueda tener aplicaciones que hasta la fecha no podía tener. “Gracias a las propiedades fotocatalíticas, podrían confeccionarse tejidos inteligentes que se lavan por sí mismos, por ejemplo, ya que descompondrían la suciedad al ser expuestos a la luz solar. La conductividad eléctrica podría servir para desarrollar dispositivos flexibles, o incorporarlos en las prendas”. A fin de cuentas, la unión de las propiedades provechosas de los dos materiales, como el peso ligero y la elasticidad del polímero y la resistencia y estabilidad térmica y química del óxido metálico, “se podrán crear infinidad de aplicaciones para esos materiales híbridos”, concluye Azpitarte.
Información complementaria
La investigadora Itxasne Azpitarte Irakulis (Zornotza, 1991) ha defendido su tesis doctoral en el Departamento de Física de materiales de la Facultad de Química de la UPV/EHU, titulada ‘V’apor Phase Modification of Kevlar Fibres’. Su trabajo de investigación lo ha llevado a cabo en el centro de investigación CIC nanoGUNE, bajo la dirección del jefe del grupo de investigación Namoaterials Mato Knez. Asimismo, ha contado con la colaboración del laboratorio LABQUIMAC de la UPV/EHU y el instituto Tyndall irlandés. Dicho instituto ha realizado la parte teórica del trabajo experimental llevado a cabo por Azpitarte, con lo que le han ayudado a comprender las interacciones químicas estaban sucediendo en lo que ella observaba en sus experimentos.
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