Кіріспе
Ароматты полиамидтің қысқартылған атауы – арамид талшықтары – жоғары температураға төзімді және берік синтетикалық талшықтар класы. Олар әуе-ғарыш және әскери салаларда, баллистикалық қорғаныс маталары мен баллистикалық композиттерде, теңіз арқандарында, қайық корпусын күшейтуде, асбестке балама ретінде, сондай-ақ телефон жамылғыштарынан теннис ракеткаларына дейінгі түрлі жеңіл тұтыну тауарларында қолданылады. Талшықтардағы тізбекті молекулалар талшық осі бойымен жоғары деңгейде бағытталған. Осының салдарынан, химиялық байланыстың үлкен бөлігі көптеген басқа синтетикалық талшықтарға қарағанда талшықтың беріктігіне көбірек үлес қосады. Арамидтердің балқу температурасы өте жоғары (>). Арамидтердің танымал брендтері – Кевлар, Номекс және Тварон.
Aramid fibers, short for aromatic polyamide, are a class of heat resistant and strong synthetic fibers. They are used in aerospace and military applications, for ballistic rated body armor fabric and ballistic composites, in marine cordage, marine hull reinforcement, as an asbestos substitute, and in various lightweight consumer items ranging from phone cases to tennis rackets. The chain molecules in the fibers are highly oriented along the fiber axis. As a result, a higher proportion of the chemical bond contributes more to fiber strength than in many other synthetic fibers. Aramids have a very high melting point (>). Common aramid brand names include Kevlar, Nomex, and Twaron.
Терминология және химиялық құрылым
Арамид термині ароматты полиамид сөзінің қысқартылған түрі. Ол 1972 жылы пайда болды, ал 1974 жылы АҚШ Федералды сауда комиссиясы оны найлоннан ерекшеленетін талшықтардың жалпы түрінің атауы ретінде бекітті, мұндағы байланыстардың кемінде 85% екі ароматтық сақинаға тікелей жалғануы тиіс. Егер 85%-дан төмен болса, материал нейлон ретінде жіктеледі.
Пара-арамидтер мен мета-арамидтер
Арамидтер байланыстардың сақиналарға қалай бекітілетініне қарай екі негізгі түріне бөлінеді. Сақинадағы көміртек атомдарын тізбектеп нөмірлесек, параарамидтерде байланыстар 1-ші және 4-ші орындарда, ал метаарамидтерде 1-ші және 3-ші орындарда орналасады. Яғни, параарамидтерде жалғау нүктелері диаметрлік бағытта қарама-қарсы, ал метаарамидтерде екі атом қашықтықта болады. Суретте осылайша параарамид көрсетілген.
Тарих
Ароматты полиамидтер алғаш рет 1960 жылдардың басында коммерциялық қолдануға енгізілді, DuPont компаниясы HT 1 ретінде, ал кейін Nomex сауда белгісімен шығарған метаарамидті талшықтармен. Бұл талшық, әдеттегі киімдік талшықтар сияқты қолданылатын, жоғары жылу төзімділігімен ерекшеленеді, себебі қалыпты оттегі деңгейінде ерімейді де, тұтанбайды да. Ол қорғаныш киімдерін, ауа сүзгілерін, жылу және электр оқшаулағыштарын жасауда, сондай-ақ асбестке балама ретінде кеңінен қолданылады. Метаарамидтерді Teijin Aramid компаниясы Нидерланды мен Жапонияда Teijinconex сауда белгісімен де өндіреді. Дегенмен, 2009 жылы тыныс алған кездегі арамидті фибрилдердің қысқарып, организмнен жылдам шығатыны және аз қауіпті екені анықталды. Зерттеу авторы кейіннен "Бұл шолу DuPont және Teijin Aramid компанияларының тапсырысымен және қаржыландыруымен жасалды, бірақ мақаланың мазмұны мен жазылуына автор ғана жауапты" деп түсіндірді.
Өндіріс
2002 жылы пара-арамид өндірісінің әлемдік қуаты шамамен жылына белгілі бір көлемде болды және әр жыл сайын 5–10% артады. 2007 жылы бұл шамамен жылына 55 000 тоннаға дейін жалпы өндірістік қуаттылықты құрады.
Полимерлік препарат
Арамидтер әдетте амин тобы мен карбоксил қышқылы галоид тобының арасындағы реакция арқылы дайындалады. Қарапайым AB гомополимерлері −(NH−C6H4−CO)n− байланыстылығына ие. Кевлар, Тварон, Номекс, Нью Стар және Тейжинконекс сияқты белгілі арамидтік полимерлер диамин мен диакислоталық (немесе эквивалентті) прекурсорлардан дайындалады. Бұл полимерлерді ароматты кішібірліктердегі байланыстарға сәйкес жіктеуге болады. Nomex, Teijinconex және New Star құрамында негізінен мета-байланыстар бар. Олар полиметафениленизофталамидтер (ПМФИА) деп аталады. Керісінше, Кевлар мен Тварон екеуінде де пара-байланыстар бар. Олар p-фенилентерефталамидтер (ППТТ) деп аталады. PPTA – p-фенилендиамин (PPD) және терефталоил дихлоридінің (TDC немесе TCl) өнімі. PPTA өндірісі иондық компоненті (кальций хлориді, CaCl2) бар қосымша еріткішті пайдаланады, ол амид топтарының сутекті байланыстарын бұзып, ал органикалық компонент (N-метилпирролидон, NMP) ароматты полимерді ерітеді. Бұл процесті Akzo компаниясында Лео Воллбрахт ойлап тапты. Карциногенді HMPT-ден басқа, полимерді ерітудің практикалық баламасы әлі күнге дейін табылған жоқ. NMP/CaCl2 жүйесін қолдану Akzo мен DuPont арасындағы патенттік даудың кеңеюіне әкелді.
Орау
Полимер өндірілгеннен кейін, арамид талшығы ерітілген полимерді сұйық химиялық қоспадан қатты талшыққа айналдыру арқылы өндіріледі. PPTA-ны иіруге арналған полимерлік еріткіш әдетте 100% сусыз күкірт қышқылынан (H2SO4) тұрады.
Арамидтердің басқа түрлері
Номекс сияқты метаарамидтерден өзге, арамидтік талшықтар қатарына жататын тағы да бірнеше түрлер бар. Бұлар негізінен кополиамид түрінде болады, олардың ең танымал бренді – Teijin компаниясы 1976 жылы әзірлеген және енгізген Technora. Technora өндірісінің процесінде PPD және 3,4'-диаминодифенил эфирі (3,4'-ODA) терефталоил хлоридімен (TCl) реакцияға түседі. Бұл салыстырмалы түрде қарапайым процесс тек бір ғана амид еріткішін қолданады, сондықтан полимер өндірісінен кейін тікелей иіру жүргізілуі мүмкін.
Арамид талшығының сипаттамасы
Арамидтер ультра жоғары молекулалық полиэтилен сияқты басқа талшықтармен де салыстырмалы түрде жоғары бағдарлану деңгейіне ие, бұл олардың қасиеттерін анықтайтын ерекшелік.