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.
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 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.