Арамидные волокна, сокращение от ароматического полиамида , представляют собой класс термостойких и прочных синтетических волокон . Они используются в аэрокосмической и военной промышленности, в производстве бронежилетов и баллистических композитов, в морской веревке , в армировании морских корпусов , в качестве заменителя асбеста [1] и в различных легких потребительских товарах, начиная от чехлов для телефонов и заканчивая теннисными ракетками .
Цепные молекулы в волокнах сильно ориентированы вдоль оси волокна. В результате более высокая доля химической связи в большей степени способствует прочности волокна, чем во многих других синтетических волокнах. Арамиды имеют очень высокую температуру плавления (>500 °C (932 °F)).
Распространенные торговые марки арамидов включают Kevlar , Nomex и Twaron .
Арамид — укороченная форма ароматического полиамида . Этот термин был введен в 1972 году, [2] принят в 1974 году Федеральной торговой комиссией США как название общей категории волокон, отличных от нейлона , [3] [4] и принят Международной организацией по стандартизации в 1977 году. [ нужна цитата ]
Ароматический в названии означает наличие ароматических колец из шести атомов углерода. В арамидах эти кольца соединены амидными связями, каждая из которых содержит группу CO, присоединенную к группе NH.
Чтобы соответствовать определению арамида, данному Федеральной торговой комиссией [4] , по крайней мере 85% этих связей должны быть присоединены к двум ароматическим кольцам. [5]
Арамиды делятся на два основных типа в зависимости от того, где связи крепятся к кольцам. Если нумеровать атомы углерода последовательно по кольцу, то у параарамидов связи прикреплены в положениях 1 и 4, а у метаарамидов они расположены в положениях 1 и 3. [6] То есть точки присоединения диаметрально противоположны друг другу в пара-арамидах. -арамиды, а в метаарамидах - два атома друг от друга. Таким образом, на иллюстрации показан параарамид.
Ароматические полиамиды были впервые использованы в коммерческих целях в начале 1960-х годов, когда компания DuPont производила метаарамидное волокно под названием HT-1, а затем под торговым названием Nomex . [7] Это волокно, с которым обращаются так же, как и с обычными волокнами текстильной одежды, характеризуется превосходной устойчивостью к нагреву, поскольку оно не плавится и не воспламеняется при нормальном уровне кислорода. Он широко используется в производстве защитной одежды, фильтрации воздуха, тепло- и электроизоляции, а также в качестве заменителя асбеста .
Метаарамиды также производятся в Нидерландах и Японии компаниями Teijin Aramid под торговой маркой Teijinconex [7] и Toray под торговой маркой Arawin, в Китае компанией Yantai Tayho под торговой маркой New Star и компанией SRO Group под торговой маркой название X-Fiper и вариант метаарамида во Франции от Kermel под торговым названием Kermel.
На основе более ранних исследований компаний Monsanto и Bayer параарамидное волокно с гораздо более высокой прочностью и модулем упругости было также разработано в 1960-х и 1970-х годах компаниями DuPont и AkzoNobel , которые использовали свои знания в области обработки вискозы , полиэстера и нейлона. В 1973 году DuPont была первой компанией, представившей параарамидное волокно, назвав его кевларом ; это остается одним из самых известных параарамидов и /или арамидов .
В 1978 году компания Akzo представила похожее волокно примерно с такой же химической структурой, назвав его Twaron . Из-за более ранних патентов на производственный процесс Akzo и DuPont в 1980-х годах вступили в патентный спор. Впоследствии Тварон перешел в собственность компании Teijin Aramid. В 2011 году Yantai Tayho представила в Китае аналогичное волокно под названием Taparan (см. «Производство»).
Параарамиды используются во многих высокотехнологичных приложениях, таких как аэрокосмическая и военная промышленность, для изготовления «пуленепробиваемых » бронежилетов .
Для изготовления арамидной бумаги можно использовать как метаарамидное, так и параарамидное волокно. Арамидная бумага используется в качестве электроизоляционного материала и строительного материала для изготовления сотового заполнителя. Компания Dupont производила арамидную бумагу в 1960-х годах, называя ее бумагой Nomex. В 2007 году компания Yantai Metastar Special Paper представила арамидную бумагу, которая называется метастар- бумагой. И Dupont, и Yantai Metastar производят бумагу из метаарамида и параарамида. [ нужна цитата ]
В 1990-х годах испытания арамидных волокон in vitro показали, что они оказывают «многие из тех же эффектов на эпителиальные клетки , что и асбест , включая повышенное включение радиоактивно меченных нуклеотидов в ДНК и индукцию активности фермента ODC ( орнитиндекарбоксилазы ), что повышает вероятность канцерогенные последствия. [8] Однако в 2009 году было показано, что вдыхаемые арамидные фибриллы укорачиваются, быстро выводятся из организма и представляют небольшой риск. [9] Позже автор исследования предоставил заявление об исправлении процентов, в котором говорилось, что «этот обзор был заказан и профинансирован DuPont и Тейджином Арамидом, но ответственность за содержание и написание статьи нес только автор». [10]
Мировая мощность производства параарамида оценивалась примерно в 41 000 т (40 000 длинных тонн; 45 000 коротких тонн) в год в 2002 году и ежегодно увеличивается на 5–10%. [11] В 2007 году это означает, что общая производственная мощность составит около 55 000 тонн в год. [ нужна цитата ]
Арамиды обычно получают реакцией между аминогруппой и галогенидом карбоновой кислоты . Простые гомополимеры AB обладают связностью −(NH−C 6 H 4 −CO) n −.
Хорошо известные арамидные полимеры, такие как кевлар , тварон , номекс , New Star и Teijinconex), получают из предшественников диамина и двухосновной кислоты (или их эквивалентов). Эти полимеры можно дополнительно классифицировать по связям в ароматических субъединицах. Номекс, Тейджинконекс и Нью Стар содержат преимущественно метасвязь. Их называют полиметафениленизофталамидами (MPIA). Напротив, кевлар и тварон имеют парасвязи. Их называют п -фенилентерефталамидами (ППТА). PPTA представляет собой продукт п -фенилендиамина (PPD) и терефталоилдихлорида (TDC или TCl) .
Производство ППТА основано на использовании сорастворителя с ионным компонентом ( хлорид кальция , CaCl 2 ), который занимает водородные связи амидных групп, и органическим компонентом ( N -метилпирролидон , NMP), чтобы растворить ароматический полимер . Этот процесс был изобретен Лео Фоллбрахтом в компании Akzo. Помимо канцерогенного HMPT , до сих пор не известна практическая альтернатива растворению полимера. Использование системы NMP/CaCl 2 привело к расширенному патентному спору между Akzo и DuPont.
После производства полимера арамидное волокно производят путем прядения растворенного полимера в твердое волокно из жидкой химической смеси. Полимерным растворителем для прядения ППТА обычно является 100% безводная серная кислота (H 2 SO 4 ).
Помимо метаарамидов, таких как Номекс, к арамидным волокнам относятся и другие варианты. В основном это сополиамиды , наиболее известные под торговой маркой Technora , разработанные Teijin и представленные в 1976 году. В процессе производства Technora происходит взаимодействие PPD и 3,4'-диаминодифенилового эфира (3,4'-ODA) с терефталоилхлоридом. (ТСл) . [12] В этом относительно простом процессе используется только один амидный растворитель, поэтому прядение можно проводить сразу после производства полимера.
Арамиды имеют высокую степень ориентации с другими волокнами, такими как полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы , и эта характеристика доминирует в их свойствах.
Параарамид
Мета-арамид
Другие
