Арамид

Арамид (англ. aramid, аббр. aromatic polyamide — ароматический полиамид) — длинная цепочка синтетического полиамида, в которой по меньшей мере 85 % амидных связей прикреплены непосредственно к двум ароматическим кольцам.[1] Свойства арамидных волокон определяются одновременно и химической, и физической микроструктурой. Амидные связи обеспечивают высокую энергию диссоциации (на 20 % выше алифатических аналогов, например, нейлона), а арамидные кольца дают превосходную термостабильность. Различают 3 основных типа коммерческих арамидных волокон, присутствующих на рынке: параарамиды (п-арамиды), метаарамиды (м-арамиды) и сополимеры полиамида.[2]

Параарамиды

Наиболее известные в мире параарамиды производятся под торговыми марками «Kevlar» («DuPont») и «Twaron» («AkzoNobel») из парафенилендиамина и терефталоилхлорида в растворе N-метилпирролидона и хлористого кальция.[2]. Серийно производимые волокна «Kevlar 29», «Kevlar 49» и «Kevlar 149» имеют прогрессивно высокую ориентацию полимерных молекул и обладают высокой кристалличностью, благодаря чему отличаются большим модулем упругости и прочностью до разрыва (до 260 сН/текс).[2]

Арамидные волокна не уступают по прочности стали, но при этом в пять раз легче её. Это обуславливает основное применение параарамидов в качестве корда для шин, а также для изготовления облегченных баллистических материалов.[1] Существуют серии первого, второго и третьего поколения параарамидов. Например, «Kevlar HT», имеющий на 20 % большую прочность до разрыва, и «Kevlar HM», обладающий на 40 % большим модулем упругости, чем оригинальный «Kevlar 29», широко используются в аэрокосмической промышленности и производстве композитных материалов. Как правило, параарамиды имеют высокие температуры стеклования около 370 °C, практически не горят и не плавятся. Температура начала карбонизации — около 425 °C. Кислородный индекс волокон «Kevlar 129» равен 30.[3] Все параарамиды, однако, предрасположены к фоторазложению и нуждаются в защите от попадания прямых солнечных лучей при использовании вне помещений.[4]

В СССР в начале 1970-х годов было разработано волокно на основе полиамидбензимидазолтерефталамида, превосходящее кевлар по ряду показателей. Это волокно первоначально называлось «вниивлон» по названию института, где оно было разработано (ВНИИВ), затем название изменили на «синтетический высокопрочный материал» (СВМ). Нити и волокна СВМ — гетероароматический полимер, получаемый в результате поликонденсации амина с терефталоилхлоридом[5], но по свойствам эти волокна близки.

Аналогом кевлара по химическому составу было советское волокно «Терлон», опытно-промышленный выпуск которого прекратился в начале 1990-х годов. Однако из-за высокой себестоимости производство нитей и волокон СВМ в промышленности широкого распространения не получило. Проблему решили А. Т. Серков и В. Б. Глазунов, получив модифицированное волокно СВМ, названное «Армосом», из изотропных прядильных растворов на производственном объединении «Химволокно» в 1985 году. Сополиамидная нить армос по модулю упругости превосходила волокно СВМ, а по прочности и разрушающему напряжению в микропластике — и СВМ и «Терлон».[6]

Нить «Армос» получали так же, как и СВМ, принципиальная схема: мономеры → поликонденсация → фильтрация → дегазация → прядение, отделка, сушка, крутка → термообработка, термовытяжка. Далее изготовление шло по двум схемам: для получения жгута нить подвергали трощению; для получения нити после крутки и термообработки — замасливанию. Вследствие неплавкости парополиамидов формование осуществляется из растворов 100%-й серной кислоты или в амидных растворителях с добавками лиофильных солей, в частности, в диметилацетамиде (ДМАА) с добавкой хлористого лития. Формование велось по мокрому методу, часто — через воздушную прослойку.[7] Впоследствии совместно с ВНИИПВ и ВНИИСВ в АО «Каменскволокно» были разработаны параарамидные нити «Русар» «Русар-С» и «Руслан»[8].

Метаарамиды

Наиболее известные в мире метаарамиды выпускаются под торговыми марками «Nomex» («DuPont»), «Teijinconex» («Teijin»), «Newstar» («Yantai Tayho») Первый значимый метаарамид был представлен в 1961 году компанией «DuPont» под маркой «Nomex». Это поли-м-фениленизофталамид, полученный в результате межфазной поликонденсации м-фенилендиамина и дихлорангидрида изофталевой кислоты.[2]

Метаарамиды обугливаются при температурах свыше 400 °C и способны выдержать короткое воздействие температур до 700 °C. Метаарамиды преимущественно разрабатывались для защитной спецодежды пилотов истребителей, танкистов, астронавтов, а также для защиты от термических рисков в промышленности. Нетканые материалы из волокон «Nomex» используются также для высокотемпературной фильтрации дымовых газов и теплоизоляции. Метаарамиды обладают стойкостью к высоким температурам: «Nomex» при выдерживании при температуре 250 °C в течение 1000 часов сохраняет 65 % прочности на разрыв. Как правило, метаарамиды используются в защитной спецодежде от теплового излучения, однако для интенсивного теплового излучения предпочтительнее использовать «Nomex III» (бленд из «Nomex» и «Kevlar 29» с весовым соотношением 95:5). Такая композиция обеспечивает большую механическую стабильность при обугливании. Кислородный индекс полиметаарамида «Nomex» равен 30[3].

В СССР для температурных применений была разработана и внедрена в производство на производственном объединении «Химволокно» в Светлогорске в Белоруссии технология полиоксадиазольного волокна «Оксалон» («Арселон»). Некоторые западные компании называют это волокно «Русский Номекс». По свойствам «Арселон» аналогичен «Номексу», хотя технологии производства существенно различаются.

В 2005 году в ООО «Лирсот» создано метапараарамидное волокно «Арлана»[9], которое обладает химической и морфологической структурами, обеспечивающими хорошие механические свойства (удельная разрывная нагрузка 65 сН/текс), высокие значения кислородного индекса (КИ 35—37 %) и способность выдерживать длительное воздействие температур 180—200 °C. В отличие от других арамидов, материалы на основе волокна «Арлана» легко окрашиваются, обладают хорошими сорбционными свойствами, положительно себя зарекомендовали при использовании в огнезащитных текстильных изделиях гражданского и военного назначения, фильтрах для очистки промышленных выбросов, декоративно-отделочных материалах.[10].

Сополимеры полиамида

В 1972 году компанией «Rhone Poulenc» начато производство огнестойких термостабильных волокон под торговым названием «Kermel», разработкой которых компания занималась с 1960 года. «Kermel» — полиамид-имид (PAI) семейства метаарамидов или т. н. сополимер полиамида.[3]

Полиамид-имидные волокна «Kermel» известны в двух исполнениях: 234 AGF — окрашенное в массе штапельное волокно для текстильных технологий, 235 AGF — волокно для нетканых текстильных материалов. Во Франции «Kermel» используется в боевой одежде пожарных и защитной спецодежде военнослужащих, где риски поражения открытым пламенем выше обычного. Кислородный индекс «Kermel» равен 32. При воздействии температуры 250 °C в течение 500 часов «Kermel» теряет только 33 % механической прочности. Благодаря высокому кислородному индексу «Kermel» не горит, не плавится, а медленно карбонизируется.[3] «Kermel» выдерживает температуры до 1000 °C в течение нескольких секунд.[11] Важным преимуществом «Kermel» является нулевая усадка в горячей воде и 0,2 % — в горячем паре.[2]. Полиамид-имид «Kermel» отличается от мета- и параарамидов очень низкой теплопроводностью, почти в 4 раза меньшей, чем у «Nomex» и кевлара[3], что широко применяется для производства защитной спецодежды от термических рисков, а также современных изоляционных материалов.

Смесь 25—50 % волокон «Kermel» и огнестойкой вискозы обеспечивает дополнительную защиту от ультрафиолетового излучения, контроль термовентиляции за счет отведения влаги от тела, а также высокий комфорт пользователя. «Kermel» используется ведущими нефтегазовыми компаниями, в том числе работающими на шельфе. ВВС, ВМВ, сухопутные войска, полиция и спецслужбы многих стран мира используют огнестойкую униформу и огнестойкий трикотаж на его основе. В 2008 году армия Франции выбрала огнестойкий камуфляж «Kermel» V50 и VMC40 для комплекта обмундирования пехотинца французской армии «FELIN» («Комплект солдата будущего»)[12]

Примечания

  1. ↑ 1 2 Chanda M., Roy S. K. Industrial Polymers, Specialty Polymers, and Their Applications. — Boca Raton; London; New York: «CRC Press», 2008. — 432 p. — P. 1—80.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 High Performance Textiles and Their Applications. Ed. C. Lawrence. — Cambridge: «Woodhead Publishing», 2014. — 437 p. — P. 99—100.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 Horrocks A. R., Anand S. C. Handbook of technical textiles. — Cambridge: «Woodhead Publishing», 2000. — 559 p. — P. 230—232.
  4. ↑ Horrocks A. R., Anand S. C. Handbook of technical textiles. — Cambridge: «Woodhead Publishing», 2000. — 559 p. — P. 30.
  5. ↑ Шаяхметов А. И. Методы получения терефталоилхлорида и пути совершенствования технологии Архивная копия от 4 января 2019 на Wayback Machine // «Молодой ученый». — 2014. — № 19 (78). — С. 69—76.
  6. ↑ Курылева Н. Н., Стольберг С. З., Андриюк И. А. и др. Некоторые аспекты развития предприятия // Химические волокна. — 2000. — № 2. — С. 64.
  7. ↑ Перепелкин К. Е. Тверские волокна типа армос: получение, свойства // Химические волокна. — 2000. — № 5. — С. 19—20.
  8. ↑ Нить РУСЛАН
  9. ↑ Бахтеева К. Ю., Мусина Т. К., Дянкова Т. Ю. Волокно арлана — перспективное сырьё для производства огнестойких материалов // Известия СПбГТИ (ТУ). — 2022. — № 62 (88). — С. 21—24.
  10. ↑ Прокорова Н. П., Киселев М. Г., Савинов В. С. и др. Основные направления и концепции развития производства и модификации отечественных химических волокон // III Международный научно-практический симпозиум «Научно-производственное партнерство: взаимодействие науки и текстильных предприятий и новые сферы применения технического текстиля» (г. Москва, 21 марта 2018 г.). Сборник докладов. — М.: «БОС», 2018. — 484 с. — С. 274—286. — ISBN 978-5-905117-27-5.
  11. ↑ Production of High Tech non-flammable Fibres
  12. ↑ French Army Chooses Kermel For Fatigues Архивная копия от 3 ноября 2014 на Wayback Machine.

Литература

  • Кудрявцев Г. И., Варшавский В. Я. Армирующие химические волокна для комозиционных материалов. — М.: «Химия», 1992. — 236 с.
  • Кудрявцев Г. И., Токарев А. В., Авророва Л. В. и др. Сверхпрочное высокомодульное синтетическое волокно СВМ // «Химические волокна». — 1974. — № 6. — С. 70—71.
  • Кудрявцев Г. И., Щетинин A. M. Термостойкие волокна // Термо-, жаростойкие и негорючие волокна. Под ред. А. А. Конкина. — М.: «Химия», 1978. — 424 с. — С. 11—216.
  • Сверхпрочное синтетическое волокно вниивлон. Информация ВНИИВ // «Химические волокна». — 1971. — № 1. — С. 76.
  • Yang H. H. Aromatic high-strength fibers. — New York: «John Wiley & Sons», 1989. — 873 p.
Эта статья взята у (из) Википедия. Текст лицензируется по Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0. К медиа файлам могут применятся дополнительные условия.