Введение

Арамидные волокна, сокращенно от ароматического полиамида, – это класс жаропрочных и прочных синтетических волокон. Они применяются в аэрокосмической и военной областях, для изготовления бронежилетов и баллистических композитов, в морских канатах, для усиления корпусов судов, в качестве замены асбеста, а также в различных легких потребительских товарах, от чехлов для телефонов до теннисных ракеток. Молекулярные цепи в этих волокнах высокоориентированы вдоль оси волокна. Благодаря этому большая часть химических связей вносит вклад в прочность волокна, чем во многих других синтетических волокнах. Арамиды обладают очень высокой температурой плавления (>). Наиболее известные торговые марки арамидов – Kevlar, Nomex и Twaron.

Терминология и химическая структура

Термин «арамид» является сокращением от «ароматический полиамид». Он был введён в 1972 году и принят Федеральной торговой комиссией США в 1974 году в качестве названия обобщающей категории волокон, отличных от нейлона, при этом не менее 85% этих связей должны быть присоединены к двум ароматическим кольцам. При содержании менее 85% материал классифицируется как нейлон.

Пара-арамиды и мета-арамиды

Арамиды делятся на два основных типа в зависимости от того, к каким позициям кольца присоединены связи. Если пронумеровать атомы углерода последовательно по кольцу, то в пара-арамидах связи прикреплены к позициям 1 и 4, а в мета-арамидах – к позициям 1 и 3. Иными словами, точки прикрепления в пара-арамидах находятся диаметрально противоположно друг другу, а в мета-арамидах – на расстоянии двух атомов. На иллюстрации показан пример пара-арамеда.

История

Ароматические полиамиды впервые нашли коммерческое применение в начале 1960-х годов, когда компания DuPont начала производство метаарамидного волокна под названием HT 1, а затем под торговой маркой Nomex. Это волокно, по своим свойствам обработки схожее с обычными текстильными волокнами, характеризуется превосходной термостойкостью, так как не плавится и не воспламеняется при нормальном содержании кислорода. Оно широко используется при производстве защитной одежды, систем фильтрации воздуха, тепло- и электроизоляции, а также в качестве замены асбесту. Метаарамидные волокна также производятся в Нидерландах и Японии компанией Teijin Aramid под торговой маркой Teijinconex. Однако в 2009 году было установлено, что вдыхаемые арамидные фибриллы укорачиваются и быстро выводятся из организма, представляя незначительный риск. Позднее автор исследования предоставил уточнение о конфликте интересов, заявив, что "Данный обзор был заказан и финансирован компаниями DuPont и Teijin Aramid, однако автор несет единоличную ответственность за содержание и написание статьи".

Производство

Мировой объем производства пара-арамида оценивался примерно в год в 2002 году и увеличивается ежегодно на 5–10%. В 2007 году это соответствует общей производственной мощности около 55 000 тонн в год.

Полимерный препарат

Арамиды обычно получают в результате реакции между аминной группой и галогенангидридом карбоновой кислоты. Простые AB-гомополимеры имеют структуру −(NH−C6H4−CO)n−. Широко известные арамидные полимеры, такие как кевлар, тварон, номекс, New Star и теижинконекс, производятся из прекурсоров диамина и дикислоты (или их эквивалентов). Эти полимеры могут быть дополнительно классифицированы в зависимости от типа связей в ароматических звеньях. Номекс, теижинконекс и New Star содержат преимущественно мета-связи. Они называются полиметафениленизофталамидами (MPIA). В отличие от них, кевлар и тварон характеризуются пара-связями. Они называются п-фенилентерефталамидами (PPTA). PPTA является продуктом реакции п-фенилендиамина (PPD) и терефталоилдихлорида (TDC или TCl). Производство PPTA требует использования сорастворителя, состоящего из ионного компонента (хлорида кальция, CaCl2), который разрушает водородные связи амидных групп, и органического компонента (N-метилпирролидона, NMP), обеспечивающего растворение ароматического полимера. Этот процесс был разработан Лео Фоллбрахтом в компании Akzo. Помимо канцерогенного HMPT, практической альтернативы для растворения полимера на данный момент не существует. Использование системы NMP/CaCl2 привело к длительному патентному спору между компаниями Akzo и DuPont.

Прокат

После производства полимера арамидное волокно получают путем формования растворенного полимера в твердое волокно из жидкой химической смеси. Полимерный растворитель для формования PPTA обычно представляет собой 100% безводную серную кислоту (H2SO4).

Другие виды арамидов

Кроме метаарамидов, таких как Номекс, к семейству арамидных волокон относятся и другие виды. В основном это кополиамиды, наиболее известные под торговой маркой Technora, разработанной компанией Teijin и представленной в 1976 году. В процессе производства Technora поликонденсируют PPD и 3,4'-диаминодифениловый эфир (3,4'-ODA) с терефталоилхлоридом (TCl). Этот относительно простой процесс использует только один амидный растворитель, что позволяет проводить прядение непосредственно после получения полимера.

Характеристики арамидных волокон

Арамиды обладают высокой степенью ориентации, схожей с ориентацией других волокон, таких как полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы, что является определяющей характеристикой их свойств.