Арамид

Арамидные волокна, сокращенно от ароматического полиамида , представляют собой класс термостойких и прочных синтетических волокон . Они используются в аэрокосмической и военной промышленности, для изготовления ткани для бронежилетов и баллистических композитов с баллистическими характеристиками, в морских снастях , для усиления корпуса морских судов и в качестве заменителя асбеста . ^[1]

Цепные молекулы в волокнах сильно ориентированы вдоль оси волокна. В результате более высокая доля химической связи способствует большей прочности волокна, чем во многих других синтетических волокнах. Арамиды имеют очень высокую температуру плавления (> 500 ° C).

Общие торговые марки арамида включают Kevlar , Nomex и Twaron .

Терминология и химическая структура

Структура тварона и кевлара . Ароматические кольца выглядят как шестиугольники. Кольца присоединены поочередно либо к двум группам NH, либо к двум группам CO. Точки крепления на каждом кольце диаметрально противоположны друг другу, что означает, что это классифицируется как пара -арамид.

Арамид – это укороченная форма ароматического полиамида . Термин был введен в 1972 г. ^[2] , принят в 1974 г. Федеральной торговой комиссией США в качестве названия родовой категории волокна, отличного от нейлона , ^[3]^[4] и принят Международной организацией по стандартизации в 1977 г. ^{[ нужна ссылка ]}

Ароматический в 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 FTC арамида ^[4] , по крайней мере 85% этих связей должны быть присоединены к двум ароматическим кольцам. ^[5]

Параарамиды и метаарамиды

Арамиды делятся на два основных типа в зависимости от того, где связи прикрепляются к кольцам. Если атомы углерода пронумеровать последовательно вокруг кольца, параарамиды имеют связи, присоединенные в положениях 1 и 4, а метаарамиды — в положениях 1 и 3. ^[6] То есть точки присоединения диаметрально противоположны друг другу в пара- -арамиды и два атома друг от друга в мета-арамидах. Таким образом, на иллюстрации показан параарамид.

История

Ароматические полиамиды были впервые введены в коммерческое применение в начале 1960-х годов с мета -арамидным волокном, произведенным DuPont как HT-1, а затем под торговой маркой Nomex . ^[7] Это волокно, с которым обращаются так же, как с обычными волокнами для текстильной одежды, характеризуется превосходной термостойкостью, 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 .

Мета-арамиды также производятся в Нидерландах и Японии компанией Teijin Aramid под торговой маркой Teijinconex ^[7] , в Корее компанией Toray под торговой маркой Arawin, в Китае компанией Yantai Tayho под торговой маркой New Star и SRO Group под торговой маркой New Star. торговое название X-Fiper и вариант метаарамида во Франции от Kermel под торговым названием Kermel.

Основываясь на более ранних исследованиях, проведенных компаниями Monsanto и Bayer , пара -арамидное волокно с гораздо более высокой прочностью и модулем упругости было также разработано в 1960-х и 1970-х годах компаниями DuPont и AkzoNobel , которые извлекли выгоду из своих знаний об обработке вискозы , полиэстера и нейлона. В 1973 году DuPont первой представила параарамидное волокно, назвав его кевларом ; это остается одним из самых известных параарамидов и/или арамидов.

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

Параарамиды используются во многих высокотехнологичных приложениях, таких как аэрокосмическая и военная промышленность, для изготовления «пуленепробиваемой» ткани для бронежилетов .

Для изготовления арамидной бумаги можно использовать как метаарамидное, так и параарамидное волокно. Арамидная бумага используется в качестве электроизоляционных материалов и строительных материалов для изготовления сотового заполнителя. Dupont производила арамидную бумагу в 1960-х годах, называя ее бумагой Nomex. В 2007 году Yantai Metastar Special Paper представила арамидную бумагу, которая называется метастарной бумагой. И Dupont, и Yantai Metastar производят метаарамидную и параарамидную бумагу.

Здоровье

В течение 1990-х годов испытания арамидных волокон in vitro показали, что они проявляют «многие из тех же эффектов на эпителиальные клетки , что и асбест , включая повышенное включение радиоактивно меченых нуклеотидов в ДНК и индукцию ферментативной активности ОДК ( орнитиндекарбоксилазы )». канцерогенные последствия. ^[8] Однако в 2009 г. было показано, что вдыхаемые арамидные фибриллы укорачиваются, быстро выводятся из организма и представляют небольшой риск. ^[9]Позже автор исследования представил заявление об исправлении интересов, в котором говорилось, что «этот обзор был заказан и профинансирован DuPont и Тейджином Арамидом, но только автор несет ответственность за содержание и написание статьи». ^[10]

Производство

Мировые мощности по производству параарамидов оценивались примерно в 41 000 тонн в год в 2002 г. и ежегодно увеличиваются на 5–10%. ^[11] В 2007 году это означает, что общая производственная мощность составит около 55 000 тонн в год.

Подготовка полимера

Арамиды обычно получают реакцией между аминогруппой и галогенидной группой карбоновой кислоты . Простые гомополимеры AB имеют связность -(NH-C ₆ H ₄ -CO) _n -.

Хорошо известные арамидные полимеры, такие как Kevlar , Twaron , Nomex , New Star и Teijinconex, получают из предшественников диамина и двухосновной кислоты (или эквивалентных). Эти полимеры можно дополнительно классифицировать в соответствии со связями ароматических субъединиц. Nomex, Teijinconex и New Star содержат преимущественно метасвязь. Их называют полиметафениленизофталамидами (MPIA). Напротив, кевлар и тварон имеют парасвязь. Они называются п -фенилентерефталамиды (ППТА). PPTA является продуктом п - фенилендиамина ( PPD ) и терефталоилдихлорида (TDC или TCl) .

Производство PPTA зависит от сорастворителя с ионным компонентом ( хлорид кальция , CaCl ₂ ) для заполнения водородных связей амидных групп и органическим компонентом ( N-метилпирролидон, NMP ) для растворения ароматического полимера . Этот процесс был изобретен Лео Фоллбрахтом в Akzo . Помимо канцерогенного гексаметилфосфорного триамида ( HMPT ), до сих пор не известна практическая альтернатива растворению полимера. Использование системы NMP/CaCl ₂ привело к длительному патентному спору между Akzo и DuPont.

Спиннинг

После производства полимера арамидное волокно получают путем прядения растворенного полимера в твердое волокно из жидкой химической смеси. Полимерный растворитель для формования ПФТА обычно представляет собой 100% безводную серную кислоту (H ₂ SO ₄ ).

Появления

Волокно
Рубленое волокно
Пудра
Мякоть

Другие виды арамидов

Помимо метаарамидов, таких как Nomex, к диапазону арамидных волокон относятся и другие варианты. В основном это сополиамидный тип, наиболее известный под торговой маркой Technora , разработанный Teijin и представленный в 1976 году. В производственном процессе Technora PPD и 3,4'-диаминодифениловый эфир (3,4'-ODA) реагируют с терефталоилхлоридом . (ТСl) . ^[12] В этом относительно простом процессе используется только один амидный растворитель, поэтому прядение можно проводить сразу после производства полимера.

Характеристики арамидного волокна

Арамиды разделяют высокую степень ориентации с другими волокнами, такими как полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы , характеристика, которая доминирует в их свойствах.

Общий

хорошая стойкость к истиранию
хорошая стойкость к органическим растворителям
непроводящий
очень высокая температура плавления (> 500 ° C)
низкая воспламеняемость
хорошая целостность ткани при повышенных температурах
чувствителен к кислотам и солям
чувствителен к ультрафиолетовому излучению
склонен к накоплению электростатического заряда, если не закончен ^[13]

Параарамиды

параарамидные волокна, такие как кевлар и тварон, обеспечивают выдающееся соотношение прочности и веса
высокий модуль хорды
высокая прочность
низкая ползучесть
низкое удлинение при разрыве (~3,5%)
трудно окрашивается - обычно окрашивается в растворе ^[13]

Использование

огнеупорная одежда
теплозащитная одежда и шлемы
бронежилеты , ^[14] конкурирующие с изделиями из волокна на основе полиэтилена , такими как Dyneema и Spectra.
композитные материалы
замена асбеста (например , тормозные колодки )
ткани для фильтрации горячего воздуха
шины , новые как Sulfron (модифицированный серой Twaron )
армирование РТИ _
канаты и тросы ^[15]
Клиновые ремни (автомобильные, машины, оборудование и др.)
фитили для танцев с огнем
волоконно-оптические кабельные системы
парусная ткань (не обязательно паруса для гоночных лодок )
спортивные товары
барабанные пластины
трости для духовых инструментов , такие как бренд Fibracell
диафрагмы громкоговорителей
материал корпуса лодки
фибробетон
армированные термопластиковые трубы
теннисные струны , например теннисных компаний Ashaway и Prince
хоккейные клюшки (обычно в составе таких материалов, как дерево и углерод)
сноуборды
корпуса реактивных двигателей
системы перетаскивания рыболовных катушек
армирование асфальта
Прусики для скалолазов (которые скользят по основной веревке и в противном случае могут расплавиться из-за трения).

Смотрите также

Параарамид

кевлар
Технора
Тварон
Геракрон

Мета-арамид

Номекс
Тейджинконекс

Другие

Иннегра С
Нейлон
Текстиль
Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы
вектран

Примечания и ссылки

^ Хиллермайер, Карлхайнц (1984). «Перспективы арамида как заменителя асбеста». Журнал текстильных исследований . 54 (9): 575–580. дои : 10.1177/004051758405400903 . S2CID 136433442 .
^ Гуч, Дж. В., изд. (2006). Энциклопедический словарь полимеров . Нью-Йорк: Спрингер. doi : 10.1007/978-0-387-30160-0_760 . ISBN 978-0-387-31021-3. Проверено 16 сентября 2021 г.
^ Вингейт, Изабель Барнум (1979). Текстильный словарь Фэирчайлда . Интернет-архив. Нью-Йорк: публикации Fairchild. п. 25. ISBN 978-0-87005-198-2.
^ a b Коммерческая практика, часть 303, §303.7 Общие названия и определения для промышленных волокон.
^ Полное определение арамидного волокна - это «искусственное волокно, в котором волокнообразующее вещество представляет собой длинноцепочечный синтетический полиамид, в котором не менее 85% амидных связей () присоединены непосредственно к двум ароматическим кольцам», с диаграмма в скобках, которая показывает вертикально ориентированную группу CO, присоединенную горизонтально к группе NH. Есть входящая связь к атому C и исходящая от группы NH.
^ Позиция 1 просто выбирается как точка, к которой прикреплена одна из цепей. Затем мы считаем по кольцу в кратчайшем направлении, пока не достигнем другого.
^ a b Джеймс А. Кент, изд. (2006). Справочник по промышленной химии и биотехнологии . Спрингер. п. 483 . ISBN 978-0-387-27842-1.
^ Марш, JP; Моссман, БТ; Дрисколл, К.Е.; Щинс, РФ; Борм, PJA (1 января 1994 г.). «Влияние арамида, высокопрочного синтетического волокна, на респираторные клетки in vitro». Лекарственная и химическая токсикология . 17 (2): 75–92. дои : 10.3109/01480549409014303 . PMID 8062644 .
^ Дональдсон, К. (1 июля 2009 г.). «Ингаляционная токсикология п-арамидных фибрилл». Критические обзоры по токсикологии . 39 (6): 487–500. CiteSeerX 10.1.1.468.7557 . дои : 10.1080/10408440902911861 . PMID 19545198 . S2CID 6508943 .
↑ Дональдсон, Кен (22 июля 2009 г.). «Исправление: Ингаляционная токсикология - арамидных фибрилл». Критические обзоры по токсикологии . 39 (6): 540. doi : 10.1080/10408440903083066 . S2CID 218987849 .
^ Комитет по высокоэффективным конструкционным волокнам для усовершенствованных полимерных матричных композитов, Национальный исследовательский совет (2005 г.). Высокоэффективные конструкционные волокна для современных композитов с полимерной матрицей . Издательство национальных академий . п. 34. ISBN 978-0-309-09614-0.
^ Одзава С. (1987). «Новый подход к высокомодульным и высокопрочным волокнам» . Полимерный журнал . 19 : 199. doi : 10.1295/polymj.19.119 .
^ a b Кадольф, Сара Дж. Анна Л. Лэнгфорд (2002). «Текстиль». Pearson Education, Inc. Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси .
^ Райш, Марк С. (2005). «Производители высокопроизводительных волокон реагируют на спрос со стороны военных и служб безопасности» . Новости химии и техники . 83 (31): 18–22. doi : 10.1021/cen-v083n050.p018 .
^ "Арамидные кабели" . ФайберМакс . Архивировано из оригинала 01.12.2021.

дальнейшее чтение

Дж. А. Реглеро Руис; М Триго-Лопес; ФК Гарсия; Дж. М. Гарсия (2017). «Функциональные ароматические полиамиды» . Полимеры . 9 (12): 414. doi : 10.3390/polym9090414 . ПВК 6419023 . PMID 30965723 .
Дж. В. С. Херл (2000). Высокоэффективные волокна . Woodhead Publishing LTD., Абингтон, Великобритания – Текстильный институт . ISBN 978-1-85573-539-2.
Дутце Дж. Сиккема (2002). «Искусственные волокна сто лет: полимеры и полимерный дизайн». J Appl Polym Sci (83): 484–488.
Х. Хиллермайер и Х. Г. Вейланд (1977). «Арамидная пряжа для армирования пластмасс». Пластика (11): 374–380.
DuPont и Teijin расширят производство арамида - сентябрь 2004 г.

[Hillermeier-1] Хиллермайер, Карлхайнц (1984). «Перспективы арамида как заменителя асбеста». Журнал текстильных исследований . 54 (9): 575–580. дои : 10.1177/004051758405400903 . S2CID 136433442 .

[2] Гуч, Дж. В., изд. (2006). Энциклопедический словарь полимеров . Нью-Йорк: Спрингер. doi : 10.1007/978-0-387-30160-0_760 . ISBN 978-0-387-31021-3. Проверено 16 сентября 2021 г.

[3] Вингейт, Изабель Барнум (1979). Текстильный словарь Фэирчайлда . Интернет-архив. Нью-Йорк: публикации Fairchild. п. 25. ISBN 978-0-87005-198-2.

[FTC-4] Коммерческая практика, часть 303, §303.7 Общие названия и определения для промышленных волокон.

[5] Полное определение арамидного волокна - это «искусственное волокно, в котором волокнообразующее вещество представляет собой длинноцепочечный синтетический полиамид, в котором не менее 85% амидных связей () присоединены непосредственно к двум ароматическим кольцам», с диаграмма в скобках, которая показывает вертикально ориентированную группу CO, присоединенную горизонтально к группе NH. Есть входящая связь к атому C и исходящая от группы NH.

[6] Позиция 1 просто выбирается как точка, к которой прикреплена одна из цепей. Затем мы считаем по кольцу в кратчайшем направлении, пока не достигнем другого.

[Kent-7] Джеймс А. Кент, изд. (2006). Справочник по промышленной химии и биотехнологии . Спрингер. п. 483 . ISBN 978-0-387-27842-1.

[toxicology-effects-8] Марш, JP; Моссман, БТ; Дрисколл, К.Е.; Щинс, РФ; Борм, PJA (1 января 1994 г.). «Влияние арамида, высокопрочного синтетического волокна, на респираторные клетки in vitro». Лекарственная и химическая токсикология . 17 (2): 75–92. дои : 10.3109/01480549409014303 . PMID 8062644 .

[toxicology-review-9] Дональдсон, К. (1 июля 2009 г.). «Ингаляционная токсикология п-арамидных фибрилл». Критические обзоры по токсикологии . 39 (6): 487–500. CiteSeerX 10.1.1.468.7557 . дои : 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 .

[capacity-11] Комитет по высокоэффективным конструкционным волокнам для усовершенствованных полимерных матричных композитов, Национальный исследовательский совет (2005 г.). Высокоэффективные конструкционные волокна для современных композитов с полимерной матрицей . Издательство национальных академий . п. 34. ISBN 978-0-309-09614-0.

[12] Одзава С. (1987). «Новый подход к высокомодульным и высокопрочным волокнам» . Полимерный журнал . 19 : 199. doi : 10.1295/polymj.19.119 .

[textiles-13] Кадольф, Сара Дж. Анна Л. Лэнгфорд (2002). «Текстиль». Pearson Education, Inc. Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси .

[bulletproof-14] Райш, Марк С. (2005). «Производители высокопроизводительных волокон реагируют на спрос со стороны военных и служб безопасности» . Новости химии и техники . 83 (31): 18–22. doi : 10.1021/cen-v083n050.p018 .

[15] "Арамидные кабели" . ФайберМакс . Архивировано из оригинала 01.12.2021.

[1]