stringtranslate.com

Арамид

Катушки арамидной нити, предназначенной для бронежилетов
Гибридная ткань из стекловолокна и арамида

Арамидные волокна, сокращенно от ароматического полиамида , представляют собой класс термостойких и прочных синтетических волокон . Они используются в аэрокосмической и военной промышленности, для изготовления бронежилетов с баллистической защитой и баллистических композитов, в морских канатах , для усиления корпусов судов , в качестве заменителя асбеста [1] и в различных легких потребительских товарах, начиная от чехлов для телефонов и заканчивая теннисными ракетками .

Молекулы цепи в волокнах сильно ориентированы вдоль оси волокна. В результате более высокая доля химической связи вносит больший вклад в прочность волокна, чем во многих других синтетических волокнах. Арамиды имеют очень высокую температуру плавления (>500 °C (932 °F)).

Распространенные торговые марки арамида включают Kevlar , Nomex и Twaron .

Терминология и химическая структура

Структура Twaron и Kevlar . Ароматические кольца выглядят как шестиугольники. Кольца присоединены поочередно либо к двум группам NH, либо к двум группам CO. Точки присоединения на каждом кольце диаметрально противоположны друг другу, что является характеристикой структуры, называемой пара -арамид.

Термин арамид является сокращением от ароматический полиамид . Он 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. [ необходима цитата ]

Ароматический в более длинном названии относится к наличию 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 FTC [4] , по крайней мере 85% этих связей должны быть присоединены к двум ароматическим кольцам. [5] При показателе ниже 85% материал классифицируется как нейлон. [4]

Пара-арамиды и мета-арамиды

Арамиды делятся на два основных типа в зависимости от того, где связи прикрепляются к кольцам. Нумеруя атомы углерода последовательно вокруг кольца, параарамиды имеют связи, прикрепленные в положениях 1 и 4, в то время как метаарамиды имеют их в положениях 1 и 3. [6] То есть, точки присоединения диаметрально противоположны друг другу в параарамидах и на расстоянии двух атомов друг от друга в метаарамидах. Таким образом, на рисунке показан параарамид.

История

Арамидный канат марки Кевлар

Ароматические полиамиды впервые были введены в коммерческое применение в начале 1960-х годов с мета -арамидным волокном, произведенным DuPont как HT-1, а затем под торговым названием Nomex . [7] Это волокно, которое обрабатывается так же, как и обычные текстильные волокна одежды, характеризуется превосходной устойчивостью к теплу, поскольку оно не плавится и не воспламеняется при нормальном уровне кислорода. Оно широко используется в производстве защитной одежды, фильтрации воздуха, тепловой и электрической изоляции, а также в качестве заменителя асбеста .

Мета-арамиды также производятся в Нидерландах и Японии компанией Teijin Aramid под торговой маркой Teijinconex [ 7] и компанией Toray под торговой маркой Arawin , в Китае компанией Yantai Tayho под торговой маркой New Star и компанией SRO Group под торговой маркой X-Fiper , а также вариант мета-арамида во Франции компанией Kermel под торговой маркой Kermel.

На основе более ранних исследований Monsanto Company 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 , обе извлекли выгоду из своих знаний в области обработки вискозы , полиэстера и нейлона. В 1973 году DuPont была первой компанией, которая представила параарамидное волокно, назвав его кевларом ; оно остается одним из самых известных [ нужна цитата ] параарамидов и/или арамидов.

В 1978 году компания Akzo представила похожее волокно с примерно такой же химической структурой, назвав его Twaron . Из-за более ранних патентов на процесс производства, Akzo и DuPont вступили в патентный спор в 1980-х годах. Впоследствии Twaron перешел во владение компании Teijin Aramid. В 2011 году компания Yantai Tayho представила похожее волокно, которое в Китае называется Taparan (см. Производство).

Параарамиды используются во многих высокотехнологичных областях, таких как аэрокосмическая и военная промышленность, для создания «пуленепробиваемых» бронежилетных тканей .

Для изготовления арамидной бумаги можно использовать как мета-арамидное, так и пара-арамидное волокно. Арамидная бумага используется в качестве электроизоляционных материалов и строительных материалов для изготовления сотового сердечника. Компания Dupont производила арамидную бумагу в 1960-х годах, называя ее бумагой Nomex. Компания Yantai Metastar Special Paper представила арамидную бумагу в 2007 году, которая называется бумагой metastar . И Dupont, и Yantai Metastar производят мета-арамидную и пара-арамидную бумагу. [ необходима цитата ]

Здоровье

Углерод и арамид, углеродная пряжа и текстиль, композитный материал, арамидная перчатка (Twaron), кабель (плетеное стекловолокно, арамидный сердечник), арамидная пряжа, плетеный текстиль (арамид и углерод). Поднос и образцы текстильного шкафа в Текстильном музее в Тилбурге .

В 1990-х годах испытание арамидных волокон in vitro показало, что они оказывают «многие из тех же эффектов на эпителиальные клетки, что и асбест , включая повышенное включение радиоактивно меченых нуклеотидов в ДНК и индукцию активности фермента ODC ( орнитиндекарбоксилазы )», что повышает вероятность канцерогенных последствий. [8] Однако в 2009 году было показано, что вдыхаемые арамидные фибриллы укорачиваются и быстро выводятся из организма и представляют небольшой риск. [9] Позднее автор исследования предоставил исправление декларации о заинтересованности, в котором говорилось, что «Этот обзор был заказан и профинансирован DuPont и Teijin Aramid, но только автор несет ответственность за содержание и написание статьи». [10]

Производство

Схема процесса арамида

Мировая мощность производства параарамида оценивалась в 41 000 тонн (40 000 длинных тонн; 45 000 коротких тонн) в год в 2002 году и увеличивается каждый год на 5–10%. [11] В 2007 году это означает общую производственную мощность около 55 000 тонн в год. [ необходима цитата ]

Приготовление полимера

Арамиды обычно получаются путем реакции между аминогруппой и группой галогенида карбоновой кислоты . Простые гомополимеры AB имеют связь −(NH−C 6 H 4 −CO) n −.

Хорошо известные арамидные полимеры, такие как Kevlar , Twaron , Nomex , New Star и Teijinconex), изготавливаются из диамина и дикислоты (или эквивалентных) предшественников. Эти полимеры можно дополнительно классифицировать в соответствии со связями в ароматических субъединицах. Nomex, Teijinconex и New Star содержат преимущественно мета-связь. Они называются полиметафениленизофталамидами (MPIA). Напротив, Kevlar и Twaron оба имеют пара-связь. Они называются п -фенилентерефталамидами (PPTA). PPTA является продуктом п -фенилендиамина (PPD) и терефталоилдихлорида (TDC или TCl) .

Производство PPTA основано на использовании сорастворителя с ионным компонентом ( хлорид кальция , CaCl2 ) для занятия водородных связей амидных групп и органического компонента ( N -метилпирролидон , NMP) для растворения ароматического полимера . Этот процесс был изобретен Лео Фолльбрахтом в Akzo. Помимо канцерогенного HMPT , до сих пор не известно ни одной практической альтернативы растворению полимера. Использование системы NMP/CaCl2 привело к длительному патентному спору между Akzo и DuPont.

Прядение

После производства полимера арамидное волокно производится путем прядения растворенного полимера в твердое волокно из жидкой химической смеси. Полимерным растворителем для прядения PPTA обычно является 100% безводная серная кислота (H 2 SO 4 ).

Появления

Другие типы арамидов

Помимо мета-арамидов, таких как Nomex, другие вариации принадлежат к диапазону арамидных волокон. Они в основном относятся к типу сополиамида , наиболее известного под торговой маркой Technora , разработанному Teijin и представленному в 1976 году. Процесс производства Technora заключается в реакции PPD и 3,4'-диаминодифенилового эфира (3,4'-ODA) с терефталоилхлоридом (TCl) . [12] Этот относительно простой процесс использует только один амидный растворитель, и поэтому прядение может быть выполнено непосредственно после производства полимера.

Характеристики арамидного волокна

Арамидный якорный канат, используемый на борту судна MV Bornholm в порту Делфзейл , июнь 2006 г.

Арамиды имеют высокую степень ориентации, как и другие волокна, такие как сверхвысокомолекулярный полиэтилен , что является характеристикой, определяющей их свойства.

Общий

Пара-арамиды

Использует

Смотрите также

Пара-арамид

Мета-арамид

Другие

Примечания и ссылки

  1. ^ Хиллермейер, Карлхайнц (1984). «Перспективы арамида как заменителя асбеста». Textile Research Journal . 54 (9): 575–580. doi :10.1177/004051758405400903. S2CID  136433442.
  2. ^ Gooch, JW, ed. (2006). «Арамид». Энциклопедический словарь полимеров. Нью-Йорк: Springer. С. 64–65. doi :10.1007/978-0-387-30160-0_760. ISBN 978-0-387-31021-3. Получено 16 сентября 2021 г. .
  3. ^ Wingate, Isabel Barnum (1979). Fairchild's dictionary of textiles. Архив Интернета. Нью-Йорк: Fairchild Publications. стр. 25. ISBN 978-0-87005-198-2.
  4. ^ abc Коммерческая практика, часть 303, §303.7 Общие наименования и определения для искусственных волокон.
  5. ^ Полное определение арамидного волокна — «изготовленное волокно, в котором волокнообразующим веществом является длинноцепочечный синтетический полиамид, в котором не менее 85% амидных связей ( ) присоединены непосредственно к двум ароматическим кольцам», со схемой в скобках, на которой показана вертикально ориентированная группа CO, присоединенная горизонтально к группе NH. Имеется входящая связь с атомом C и исходящая связь с группой NH.
  6. ^ Позиция 1 просто выбирается как точка, где крепится одна из цепей. Затем мы считаем по кольцу в кратчайшем направлении, пока не достигнем другой.
  7. ^ ab Джеймс А. Кент, ред. (2006). Справочник по промышленной химии и биотехнологии . Springer. стр. 483. ISBN 978-0-387-27842-1.
  8. ^ Марш, Дж. П.; Моссман, Б. Т.; Дрисколл, К. Э.; Шинс, Р. Ф.; Борм, П. Я. А. (1 января 1994 г.). «Влияние арамида, высокопрочного синтетического волокна, на респираторные клетки in vitro». Drug and Chemical Toxicology . 17 (2): 75–92. doi :10.3109/01480549409014303. PMID  8062644.
  9. ^ Дональдсон, К. (1 июля 2009 г.). «Ингаляционная токсикология p-арамидных фибрилл». Критические обзоры по токсикологии . 39 (6): 487–500. CiteSeerX 10.1.1.468.7557 . doi :10.1080/10408440902911861. PMID  19545198. S2CID  6508943. 
  10. ^ Дональдсон, Кен (22 июля 2009 г.). "Исправление: ингаляционная токсикология арамидных фибрилл". Критические обзоры по токсикологии . 39 (6): 540. doi : 10.1080/10408440903083066 . S2CID  218987849.
  11. ^ Комитет по высокопроизводительным структурным волокнам для современных полимерных матричных композитов, Национальный исследовательский совет (2005). Высокопроизводительные структурные волокна для современных полимерных матричных композитов. The National Academies Press . стр. 34. ISBN 978-0-309-09614-0.
  12. ^ Озава С. (1987). «Новый подход к высокомодульным, высокопрочным волокнам». Polymer Journal . 19 : 199. doi : 10.1295/polymj.19.119 .
  13. ^ ab Kadolph, Sara J. Anna L. Langford (2002). "Текстиль". Pearson Education, Inc. Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси .
  14. ^ Райш, Марк С. (2005). «Производители высокопроизводительных волокон отвечают спросу со стороны военных и пользователей служб безопасности». Chemical and Engineering News . 83 (31): 18–22. doi :10.1021/cen-v083n050.p018.
  15. ^ "Aramid Cables". FibreMax . Архивировано из оригинала 2021-12-01.

Дальнейшее чтение

На Викискладе есть медиафайлы по теме Арамиды .