elastómero de poliuretano y urea

El elastómero de poliuretano-urea ( PUU ), o elastómero de poli(uretano-urea), es un material polimérico flexible compuesto por enlaces formados por compuestos de poliuretano y poliurea . Debido a sus propiedades hiperelásticas, es capaz de rebotar proyectiles balísticos de alta velocidad como si el material se hubiera "endurecido" al impactar. Los PUU fueron desarrollados por investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) y del Instituto de Nanotecnología para Soldados del Ejército en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) para reemplazar potencialmente los materiales de polietileno en chalecos antibalas y otros equipos de protección, como cascos de combate , protectores faciales y chalecos antibalas . ^{[ 1 ]}

En general, los poliuretanos (PUU) se componen de segmentos duros y blandos, cada uno de los cuales influye en las propiedades físicas del material. Los segmentos blandos constan de dos tipos de compuestos químicos: polioles de cadena larga y diisocianatos , que reaccionan y se unen mediante enlaces de uretano. Por otro lado, las diaminas de cadena corta reaccionan con los diisocianatos para formar los segmentos duros, que se mantienen unidos mediante enlaces de urea. Las propiedades mecánicas del PUU dependen en gran medida de los diisocianatos, polioles de cadena larga y diaminas de cadena corta específicos, ya que la interacción de estos componentes determina la cristalización y la separación de microfases de los segmentos blandos y duros del elastómero . Como resultado, se ha demostrado que las variaciones en esta disposición molecular de los compuestos químicos afectan significativamente la morfología del elastómero y sus propiedades mecánicas macroscópicas. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

En 2017, investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército y del MIT informaron que los PUU son capaces de demostrar propiedades hiperelásticas, lo que significa que el material se endurece extremadamente al deformarse en un tiempo muy corto. Como resultado, el material puede resistir impactos balísticos a velocidades excepcionalmente altas. ^{[ 4 ]}

Para el estudio, los investigadores analizaron el rendimiento de diferentes variantes de PUU, donde se eligió el diisocianato de 4,4'-diciclohexilmetano ( HMDI ) como compuesto diisocianato, la dietiltoluendiamina (DETA) como compuesto diamina de cadena corta y el poli(óxido de tetrametileno) (PTMO) como compuesto poliol de cadena larga. A pesar de estar compuestos por los mismos compuestos químicos con la misma proporción estequiométrica de 2:1:1 de [HMDI]:[DETA]:[PTMO], las muestras diferían en cuanto al peso molecular de su respectivo componente PTMO, a saber, 650 g/mol (10 400 oz/lbmol) , 1000 g/mol (16 000 oz/lbmol) y 2000 g/mol (32 000 oz/lbmol) , para los segmentos blandos de los elastómeros. ^{[ 5 ]}      

Cada una de las tres muestras fue sometida a una prueba de impacto de proyectil inducido por láser (LIPIT), que probó la respuesta dinámica del material usando un láser pulsado para dispararle con micropartículas hechas de sílice a velocidades que van de 200 a 800 m/s (660 a 2620 ft/s) . ^{[ 5 ] [ 6 ]} Los investigadores encontraron que la muestra con PTMO de 650 g/mol (10 400 oz/lbmol) era la variante más rígida, con la partícula exhibiendo una penetración superficial de aproximadamente 4 μm (0,00016 in) al impactar a pesar de viajar a 790 m/s (2600 ft/s) antes de rebotar a 195 m/s (640 ft/s) . En contraste, la muestra con PTMO de 2000 g/mol (32 000 oz/lbmol) mostró una penetración más profunda de aproximadamente 9 μm (0,00035 pulg) , pero tuvo un rebote de partículas más lento de 80 m/s (260 ft/s) , lo que la convierte en la más similar al caucho entre las muestras de PUU. Las tasas de deformación asociadas con estos impactos fueron del orden de 2,0 x 10⁸/s para la primera y 8,1 x 10⁷/s para la segunda. ^{[ 5 ]}                

Sin embargo, las tres variantes de PUU demostraron capacidades de rebote sin signos de daño post mortem después del impacto de las micropartículas. En contraste, cuando el LIPIT se realizó en un policarbonato dúctil y vítreo a velocidades similares a la de la variante PTMO PUU de 650 g/mol (10,400 oz/lbmol) , el policarbonato mostró una deformación predominante al impacto, a pesar de su alta tenacidad a la fractura y resistencia balística. ^{[ 5 ] [ 7 ]} Según los investigadores, la efectividad de los PUU puede provenir de cómo las moléculas “resuenan” de manera similar a una cota de malla al impacto, con cada oscilación a frecuencias específicas disipando la energía absorbida. En comparación, el policarbonato carecía del amplio rango de tiempos de relajación , una característica que refleja la eficiencia con la que las moléculas en las cadenas de polímero responden a un impulso externo, que se sabe que tienen los PUU. ^{[ 7 ]} Como resultado, los investigadores concluyeron que incluso la variante más parecida al caucho del PUU, específicamente la muestra de PTMO de 2000 g/mol (32 000 oz/lbmol) , demostró mayor robustez y rigidez dinámica que el policarbonato vítreo. ^{[ 5 ]}    

Investigadores del ARL han afirmado que el principal beneficio del PUU no reside en su mayor resistencia, sino en su flexibilidad similar a la de un tejido, lo que demuestra su potencial como material de reemplazo para las placas rígidas de cerámica y metal que se encuentran habitualmente en los chalecos antibalas militares. Sin embargo, a fecha de 2018, el PUU aún se encuentra en fase de desarrollo y pruebas. ^{[ 8 ]}

• Correas abiertas de poliuretano (PU)