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Kapton

Estructura de la poli-oxidifenileno-piromelitimida Almohadillas aislantes de Kapton para el montaje de componentes electrónicos en un disipador de calor. Kapton es una película ...

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Estructura de la poli-oxidifenileno-piromelitimida
Almohadillas aislantes de Kapton para el montaje de componentes electrónicos en un disipador de calor.

Kapton es una película de poliimida utilizada en circuitos impresos flexibles ( electrónica flexible ) y mantas térmicas para naves espaciales, satélites e instrumentos espaciales. Inventado por DuPont Corporation en la década de 1960, Kapton mantiene su estabilidad en un amplio rango de temperaturas, desde 4 hasta 673 K (−269 a +400 °C) . Se utiliza en la fabricación de productos electrónicos y aplicaciones espaciales, en equipos de rayos X y en impresión 3D. Sus favorables propiedades térmicas y características de desgasificación propician su uso habitual en aplicaciones criogénicas y en entornos de alto vacío.  

Historia

El Kapton fue inventado por DuPont en la década de 1960. Desde noviembre de 2025, el Kapton es fabricado por Qnity Electronics , una empresa derivada de DuPont. [ 1 ] [ 2 ]

El nombre Kapton es una marca registrada de EI du Pont de Nemours and Company. [ 3 ]

Química y variantes

La síntesis de Kapton es un ejemplo del uso de un dianhídrido en la polimerización por etapas . El polímero intermedio, conocido como poli(ácido amídico) , es soluble debido a los fuertes enlaces de hidrógeno con los disolventes polares que se suelen emplear en la reacción. El cierre del anillo se lleva a cabo a altas temperaturas de 470–570 K (200–300 °C) .  

El nombre químico de Kapton K y HN es poli(4,4'-oxidifenileno-piromelitimida) . Se produce a partir de la condensación de dianhídrido piromelítico (PMDA) y 4,4'-oxidifenilamina (ODA).

Kapton E se compone de una mezcla de dos dianhídridos, PMDA y dianhídrido de ácido bifeniltetracarboxílico (BPDA), y dos diaminas, ODA y p-fenilendiamina (PPD). El componente BPDA aporta mayor estabilidad dimensional y planitud en aplicaciones de circuitos flexibles. Kapton E ofrece un coeficiente de expansión térmica (CTE), una absorción de humedad y un coeficiente de expansión higroscópica (CHE) reducidos en comparación con Kapton H. [ 4 ]

Características

En aislamiento, el Kapton permanece estable en un amplio rango de temperaturas, desde 4 hasta 673 K (−269 a +400 °C) . [ 5 ] [ 6 ]  

La conductividad térmica del Kapton a temperaturas de 0,5 a 5 Kelvin es bastante alta para temperaturas tan bajas, κ = 4,638×10 −3 T 0,5678 W·m −1 ·K −1 . [ 7 ]

El aislamiento Kapton envejece mal: un estudio de la FAA muestra degradación en ambientes cálidos y húmedos [ 8 ] o en presencia de agua de mar. Se descubrió que tenía muy poca resistencia al desgaste mecánico, principalmente abrasión dentro de los arneses de cables debido al movimiento de la aeronave. Muchos modelos de aeronaves han tenido que someterse a extensas modificaciones de recableado —a veces reemplazando por completo todo el cableado con aislamiento Kapton— debido a cortocircuitos causados ​​por el aislamiento defectuoso. La degradación y el roce del cable Kapton debido a la vibración y el calor se han relacionado con múltiples accidentes de aeronaves de ala fija y de ala rotatoria, con pérdida de vidas. [ 9 ] El New York Times , citando un documento de la OIG de la NASA , informó en 2005 que los cables con aislamiento Kapton en el Transbordador Espacial "tendían a romperse con el tiempo, causando cortocircuitos y, potencialmente, incendios". La misión STS-93 experimentó cortocircuitos eléctricos en el aislamiento Kapton que inhabilitaron dos controladores de motor y casi causaron una catástrofe. [ 10 ]

Uso

Cintas Kapton, tres rollos de diferentes anchos.

Fabricación de productos electrónicos

Cinta Kapton (amarilla) utilizada para aislar los cables de una pila en unos auriculares Bluetooth.

Debido a su amplio rango de estabilidad térmica y su capacidad de aislamiento eléctrico, la cinta Kapton se utiliza habitualmente en la fabricación de componentes electrónicos como capa aislante y protectora para componentes frágiles y sensibles a la electricidad estática. Al soportar la temperatura necesaria para la soldadura por reflujo , su protección se mantiene durante todo el proceso de producción, y a menudo permanece presente en el producto final.

Astronave

En el experimento de rayos cósmicos ultra pesados ​​se utilizó una cubierta térmica de Kapton aluminizado .

La etapa de descenso del módulo lunar Apolo y la parte inferior de la etapa de ascenso que rodeaba el motor de ascenso estaban cubiertas con mantas de lámina de Kapton aluminizado para proporcionar aislamiento térmico . Durante el viaje de regreso de la Luna, el astronauta del Apolo 11 , Neil Armstrong, comentó que durante el lanzamiento de la etapa de ascenso Eagle del módulo lunar , pudo ver "Kapton y otras partes de la etapa del módulo lunar dispersándose por toda el área a grandes distancias". [ 11 ]

Unidad de prueba del parasol del telescopio espacial James Webb , fabricado en Kapton aluminizado.

El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA ha considerado el Kapton como un buen soporte plástico para velas solares debido a su durabilidad en el entorno espacial. [ 12 ]

La nave espacial New Horizons de la NASA utilizó Kapton en un innovador diseño de aislamiento tipo " botella térmica " para mantener la nave operativa entre 283 y 303 K (10 y 30 °C) durante su viaje de más de nueve años y 5 terametros (33 unidades astronómicas) para encontrarse con el planeta enano Plutón el 14 de julio de 2015. [ 13 ] El cuerpo principal está cubierto con un aislamiento térmico multicapa ligero de color dorado que retiene el calor de los componentes electrónicos en funcionamiento para mantener la nave caliente. El revestimiento térmico de 18 capas de tela de malla de Dacron intercaladas entre Mylar aluminizado y película de Kapton también ayudó a proteger la nave de los micrometeoritos . [ 14 ]  

El parasol del telescopio espacial James Webb está hecho de cinco láminas de Kapton E recubiertas con aluminio y silicio dopado para reflejar el calor lejos del cuerpo de la nave espacial. [ 15 ]

La tripulación a bordo de la Estación Espacial Internacional utilizó cinta Kapton para reparar temporalmente una fuga lenta en una nave espacial Soyuz acoplada al segmento ruso del complejo orbital en agosto de 2018. [ 16 ] Se utilizó de nuevo en octubre de 2020 para sellar temporalmente una fuga en la cámara de transferencia del Módulo de Servicio Zvezda de la ISS. [ 17 ]

rayos X

El Kapton también se usa comúnmente como material para ventanas utilizadas con todo tipo de fuentes de rayos X ( líneas de haz de sincrotrón y tubos de rayos X ) y detectores de rayos X. Su alta estabilidad mecánica y térmica, así como su alta transmitancia de rayos X, lo convierten en el material preferido. También es relativamente resistente al daño por radiación . [ 18 ]

Impresión 3D

El Kapton y el ABS se adhieren muy bien entre sí, lo que ha propiciado el uso generalizado del Kapton como superficie de impresión para impresoras 3D . El Kapton se coloca sobre una superficie plana y el ABS se extruye sobre ella. La pieza de ABS que se imprime no se desprenderá de la plataforma de impresión al enfriarse y contraerse, una causa común de fallos de impresión por deformación de la pieza. [ 19 ] Una alternativa más duradera es utilizar una superficie de polieterimida . [ 20 ]

Investigadores han ideado un método para imprimir en 3D material de poliimida, incluido el Kapton. [ 21 ] El precursor de ácido poliamídico del Kapton se mezcla con un reticulante de acrilato y un fotoiniciador que puede formar un gel al exponerse a la luz ultravioleta durante la impresión 3D. El calentamiento posterior de la pieza impresa en 3D hasta 400  °C elimina los enlaces cruzados de sacrificio e imidiza la pieza, formando Kapton con la geometría impresa en 3D. [ 22 ]

Otros

La conductividad térmica relativamente alta del Kapton a temperaturas muy bajas, junto con sus buenas cualidades dieléctricas y su disponibilidad en forma de láminas delgadas, lo han convertido en un material predilecto en criogenia , ya que proporciona aislamiento eléctrico con bajos gradientes térmicos.

El Kapton se utiliza habitualmente como aislante en entornos de ultra alto vacío debido a su baja tasa de desgasificación . [ 23 ]

El cableado eléctrico con aislamiento de Kapton se ha utilizado ampliamente en aeronaves civiles y militares porque es más ligero que otros aislantes y tiene buenas características de aislamiento y resistencia a la temperatura.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "La compleja ingeniería de materiales del parasol del telescopio Webb de la NASA" . NASA. 23 de junio de 2016. Consultado el 11 de diciembre de 2022 .
  2. ↑ "Películas de poliimida Qnity™ Kapton®" . www.qnityelectronics.com . Consultado el 12 de noviembre de 2025 .
  3. ↑ "Marca registrada Kapton" . Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos . USPTO. Archivado del original el 15 de abril de 2022. Consultado el 3 de marzo de 2017 .
  4. ↑ Donald J. McClure (20 de abril de 2010). Película de poliimida como sustrato para recubrimiento al vacío (PDF) . 53.ª Conferencia Técnica SVC en Orlando, Florida.
  5. ↑ "DuPont Circuit & Packaging Materials obtiene patentes estadounidenses para su película negra mate y su recubrimiento" . 15 de noviembre de 2013. Archivado del original el 23 de septiembre de 2017. Consultado el 28 de mayo de 2015. DuPont inventó la película de poliimida Kapton® hace más de 45 años .
  6. ↑ Navick, X.-F.; Carty, M.; Chapellier, M.; Chardin, G.; Goldbach, C.; Granelli, R.; Hervé, S.; Karolak, M.; Nollez, G.; Nizery, F.; Riccio, C.; Starzynski, P.; Villar, V. (2004). "Fabricación de soportes de detectores de radiactividad ultrabaja para Edelweiss-II". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A . 520 ( 1– 3): 189– 192. Bibcode : 2004NIMPA.520..189N . doi : 10.1016/j.nima.2003.11.290 .
  7. ↑ Jason Lawrence, AB Patel y JG Brisson (2000). "La conductividad térmica del Kapton HN entre 0,5 y 5 K". Cryogenics . 40 (3): 203– 207. Bibcode : 2000Cryo...40..203L . doi : 10.1016/S0011-2275(00)00028-X .
  8. ↑ Resultados de las pruebas de envejecimiento del aislamiento de la FAA . Informe técnico AR-08/2 del DOT/FAA, enero de 2008. Consultado el 23 de agosto de 2013.
  9. ↑ Accidente mortal de helicóptero causado por cableado Kapton www.military.com Consultado el 17 de febrero de 2015.
  10. ↑ Alta tecnología en la década de 1970: los transbordadores espaciales sienten el paso del tiempo . New York Times (25 de julio de 2005)
  11. ↑ Diario de vuelo del Apolo 11 – Día 6, parte 4: Inyección trans-terrestre . History.nasa.gov (15 de marzo de 2011). Consultado el 28 de abril de 2012.
  12. ↑ Jerome L. Wright (1 de enero de 1992). Space Sailing . Taylor & Francis US. págs. 100–. ISBN  978-2-88124-842-9Consultado el 28 de abril de 2012 .
  13. ↑ Misión New Horizons de la NASA a Plutón, Diseño de la misión. Archivado el 8 de junio de 2015 en Wayback Machine. Consultado el 23 de abril de 2015.
  14. ↑ NASA, Misión New Horizons, Control térmico
  15. ↑ "Recubrimientos de membrana Sunshield" . Telescopio espacial James Webb . Centro de vuelo espacial Goddard; NASA . Consultado el 27 de diciembre de 2021 .
  16. ↑ Blog "Estado de la ISS" en el sitio web de la NASA . Consultado el 30 de agosto de 2018.
  17. ↑ Neilson, Susie (19 de octubre de 2020). "Los miembros de la tripulación de la estación espacial acaban de encontrar una fuga de aire difícil de detectar al observar hojas de té flotando en microgravedad" . Business Insider .
  18. ↑ Janez Megusar (1997). "Irradiación con neutrones rápidos y rayos gamma a baja temperatura de películas de poliimida Kapton". Journal of Nuclear Materials . 245 ( 2– 3): 185– 190. Bibcode : 1997JNuM..245..185M . doi : 10.1016/S0022-3115(97)00012-3 .
  19. ↑ "Superficies de la cama: Aplicación de cinta Kapton" . MatterHackers .
  20. ↑ "¿Kapton o PEI? ¿Qué es mejor para la impresión 3D de escritorio?" . Fabbaloo . 17 de julio de 2017.
  21. ↑ Hegde, Maruti; Meenakshisundaram, Viswanath; Chartrain, Nicholas; Sekhar, Susheel; Tafti, Danesh; Williams, Christopher B.; Long, Timothy E. (19 de junio de 2017). "Impresión 3D de poliimidas totalmente aromáticas mediante estereolitografía por proyección de máscara: Procesamiento de lo no procesable" . Advanced Materials . 29 (31). 1701240. Bibcode : 2017AdM....2901240H . doi : 10.1002/adma.201701240 . PMID 28626968 . 
    • Beau Jackson (29 de agosto de 2017). "Estudio sobre la impresión 3D de lo imposible en material Kapton por parte de Virginia Tech" . Industria de la impresión 3D .
  22. ↑ Herzberger, Jana; Meenakshisundaram, Viswanath; Williams, Christopher B.; Long, Timothy E. (4 de abril de 2018). "Impresión 3D de poliimidas totalmente aromáticas mediante impresión 3D estereolitográfica de sales de ácido poliamídico". ACS Macro Letters . 7 (4): 493– 497. doi : 10.1021/acsmacrolett.8b00126 . PMID 35619348 . 
  23. ↑ Peter Kittel (30 de septiembre de 1998). Avances en ingeniería criogénica . Birkhäuser. págs. 1366–. ISBN  978-0-306-45807-1Consultado el 29 de abril de 2012 .
  • Películas de poliimida en DuPont