Арамидные волокна: свойства и применение¶
Арамид — общее название класса синтетических ароматических полиамидов, получаемых поликонденсацией ароматических диаминов с ароматическими дикарбоновыми кислотами или их хлорангидридами. Арамидные волокна характеризуются высокой прочностью при растяжении, малой плотностью, термостойкостью и химической инертностью. Термин «арамид» является сокращением от «ароматический полиамид».
¶Химическое строение
Арамиды относятся к полимерам с цепью, содержащей ароматические кольца, связанные амидными группами (—CO—NH—). Наличие бензольных колец в основной цепи обеспечивает жёсткость макромолекул, что обусловливает высокую модуль упругости и температурную стабильность. Амидные связи формируют межмолекулярные водородные связи, усиливающие упаковку цепей и повышающие прочность материала.
Ключевые представители класса:
- Поли-п-фталамид (ППТА) — основе волокна кевлар;
- Поли-п-фталамид-терефталамид (сополимер) — основа волокна номекс;
- Поли-п-фенилен-терефталамид (ППТФТА) — основа волокна тварон.
¶Свойства
Арамидные волокна обладают рядом характеристик, определяющих их применение:
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Плотность | 1,38–1,45 г/см³ |
| Прочность при растяжении | 2,5–3,6 ГПа |
| Модуль упругости | 70–180 ГПа |
| Температура разложения | 420–500 °C |
| Растяжение при разрыве | 2–4 % |
Прочность арамида на разрыв в 5–6 раз превышает прочность стали при в 1,5 раза меньшей плотности. Волокно не плавится и не поддерживает горение на воздухе, однако разрушается при длительном воздействии ультрафиолетового излучения и минеральных кислот. Арамиды гигроскопичны: при 65 % относительной влажности влагопоглощение составляет около 3,5–7 %.
¶Производство
Промышленный синтез арамидов осуществляется двумя основными способами:
- Межфазная поликонденсация — взаимодействие ароматических диаминов с ароматическими дикарбоновыми кислотами в полярных растворителях (диметилацетамид, N-метилпирролидон) в присутствии солей-активаторов.
- Сополиконденсация диаминов с хлорангидридами кислот — проводится при низких температурах (0–20 °C) в инертных растворителях.
Волокно формируют из раствора полимера методом сухого или мокрого прядения. Для получения высокопрочных волокон проводят дополнительную протяжку (драфтинг) при повышенных температурах, что повышает ориентацию макромолекул вдоль оси волокна. Ориентированное арамидное волокно имеет супрамолекулярную структуру с параллельным расположением цепей и обширной сетью межмолекулярных водородных связей.
¶История
Первые арамидные волокна были разработаны в конце 1950-х годов в лабораториях DuPont. В 1961 году компанией было запущено производство волокна номекс (мета-арамид), предназначенного для жаростойкой одежды. В 1966 году химик Стефани Кволек при исследовании сверхконцентрированных растворов полимеров получила волокно с необычно высокой прочностью, которое в 1971 году вышло на рынок под названием кевлар (пара-арамид).
В СССР разработка арамидных волокон велась с 1960-х годов. В 1972 году на Кемеровском химкомбинате было начато промышленное производство волокна терлон (пара-арамид), а позднее — волокна фенолон. В России арамидные волокна выпускаются предприятиями «Каменскволокно» (Свердловская область) и «Термофил» (Тверская область).
¶Применение
Арамидные волокна применяются в широком спектре отраслей:
- Защитная экипировка — бронежилеты, шлемы, защитная одежда;
- Авиастроение и космос — композитные материалы для корпусов, обшивки, топливных баков;
- Шинная промышленность — армирующий корд шин;
- Резинотехнические изделия — конвейерные ленты, шланги, ремни;
- Композитные материалы — армирование пластиков, ламинатов, спортивного инвентаря;
- Кабельная промышленность — армирование подводных кабелей;
- Морское дело — тросы, канаты, защита от обледенения.
В России арамидные волокна применяются в производстве бронежилетов, композитных материалов для авиатехники, а также в нефтегазовой отрасли для армирования рукавов высокого давления.
¶Классификация
По химическому строению арамиды делятся на:
- Пара-арамиды — амидные группы расположены в пара-положении бензольного кольца (кевлар, тварон, терлон);
- Мета-арамиды — амидные группы в мета-положении (номекс, фенолон);
- Сополимерные арамиды — содержат звенья обоих типов.
Пара-арамиды обладают более высокой прочностью и модулем упругости, мета-арамиды — более высокой термостойкостью и стойкостью к открытому пламени.
¶Экология и утилизация
Арамидные волокна устойчивы к биологическому разложению. Способы утилизации включают регенерацию из изношенных изделий и термическую переработку. Проблема вторичной переработки арамидных композитов остаётся предметом научных исследований.
Источники:
- Белов П. А. Синтетические волокна. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.
- Козлов П. В., Морозов Ю. С. Физико-механические свойства арамидных волокон. — М.: Химия, 1985.
- DuPont Technical Information: Kevlar Aramid Fiber Properties.
- Мещеряков И. В., Кузьмин Н. И. Арамидные волокна и материалы на их основе. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009.