Производительность

Арамидные волокна, сокращение от ароматического полиамида , представляют собой класс термостойких и прочных синтетических волокон . Они используются в аэрокосмической и военной промышленности, для баллистических бронежилетов для и баллистических композитов, в морских снастях , корпуса морских судов усиления , в качестве заменителя асбеста , ^[1] и в различных легких потребительских товарах - от чехлов для телефонов до теннисных ракеток .

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)).

арамидов Распространенные торговые марки включают Kevlar , Nomex и Twaron .

Терминология и химическая структура

Термин арамид является сокращением от ароматического полиамида . Он был представлен в 1972 году, ^[2] принято 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 ссылка ]}

Ароматическое 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, данному FTC, ^[4] по крайней мере 85% этих связей должны быть присоединены к двум ароматическим кольцам. ^[5] При содержании ниже 85% материал классифицируется как нейлон. ^[4]

Параарамиды и метаарамиды

Арамиды делятся на два основных типа в зависимости от того, где связи крепятся к кольцам. Если атомы углерода пронумерованы последовательно вокруг кольца, параарамиды имеют связи в положениях 1 и 4, а метаарамиды — в положениях 1 и 3. ^[6] То есть в параарамидах точки крепления диаметрально противоположны друг другу, а в метаарамидах - на расстоянии двух атомов. Таким образом, на иллюстрации показан параарамид.

История

Ароматические полиамиды были впервые использованы в коммерческих целях в начале 1960-х годов, когда метаарамидное производила компания DuPont 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 нагреванию, 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 компанией Teijin Aramid под торговой маркой Teijinconex . ^[7] и Toray под торговым названием Arawin , в Китае Yantai Tayho под торговым названием New Star и SRO Group под торговым названием X-Fiper , а также вариант метаарамида во Франции от Kermel под торговым названием Kermel.

На основе более ранних исследований компаний Monsanto и Bayer параарамидное прочностью волокно с гораздо более высокой 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 ^{[ нужна ссылка ]} параарамиды и/или арамиды.

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. аналогичное волокно под названием Taparan В 2011 году Yantai Tayho представила в Китае (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 ссылка ]}

Здоровье

Углерод и арамид, углеродная пряжа и текстиль, композитный материал, арамидная перчатка (Тварон), трос (плетеное стекловолокно, арамидная сердцевина), арамидная пряжа, плетеная ткань (арамид и карбон). Поднос и образцы текстильного шкафа в Музее текстиля в Тилбурге .

В 1990-х годах in vitro испытания арамидных волокон 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]

Производство

Мировая мощность производства параарамида оценивалась в 41 000 т (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, что общая производственная мощность составит около 55 000 тонн в год. ^{[ нужна ссылка ]}

Подготовка полимера

Арамиды обычно получают реакцией между аминогруппой и галогенидом кислоты карбоновой . AB Простые гомополимеры 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 PPTA 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.

Спиннинг

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 ).

Появления

Волокно
Рубленое волокно
Пудра
Целлюлоза

Другие виды арамидов

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.

Характеристики арамидного волокна

Арамидный якорный трос, используемый на борту парохода «Борнхольм» в порту Делфзейл , июнь 2006 г.

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

Общий

хорошая стойкость к истиранию
хорошая стойкость к органическим растворителям
непроводящий ^{[ двусмысленный ]}
очень высокая температура плавления (>500 °C (932 °F))
низкая воспламеняемость
хорошая целостность ткани при повышенных температурах
чувствителен к кислотам и солям ^{[ как? ]}
чувствителен к ультрафиолетовому излучению ^{[ как? ]}
склонен к накоплению электростатического заряда, если не закончен ^[13]

Пара-арамиды

параарамидные волокна, такие как кевлар и тварон, обеспечивают превосходное соотношение прочности и веса.
высокий модуль хорды
высокая стойкость
низкая ползучесть
низкое удлинение при разрыве (~3,5%)
трудно красить – обычно красят в растворе ^[13]

Использование

огнестойкая одежда
теплозащитная одежда и каски
бронежилет , ^[14] конкурировать с волокнистыми продуктами на основе полиэтилена , такими как Dyneema и Spectra.
композитные материалы
замена асбеста (например, тормозные накладки )
горячего воздуха для фильтрации ткани
шины , новые как Sulfron (модифицированный серой Twaron )
резинотехнических изделий армирование
веревки и тросы ^[15]
Клиновые ремни (автомобилестроение, машины, оборудование и т. д.)
фитили для танцев с огнем
волоконно-оптические кабельные системы
ткань для парусов (не обязательно паруса гоночной лодки )
спортивные товары
пластики
для духовых инструментов трости , например, марки Fibracell
громкоговорителей диафрагмы
материал корпуса лодки
фибробетон
армированные термопластичные трубы
теннисные струны , например теннисных компаний Ashaway и Prince.
хоккейные клюшки (обычно в составе таких материалов, как дерево и карбон)
сноуборды
реактивных двигателей корпуса
рыболовных катушек системы перетаскивания
асфальта армирование
Прусики для скалолазов (которые скользят по основной веревке и в противном случае могут расплавиться из-за трения).
сноуборда Усиление сердечника

См. также

Параарамид

Мета-арамид

Номекс
Тейджинконекс

Другие

Примечания и ссылки

^ Хиллермейер, 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). «Арамид». Энциклопедический словарь полимеров . Нью-Йорк: Спрингер. стр. 64–65. дои : 10.1007/978-0-387-30160-0_760 . ISBN 978-0-387-31021-3 . Проверено 16 сентября 2021 г.
^ Вингейт, Изабель Барнум (1979). Словарь текстиля Фэйрчайлда . Интернет-архив. Нью-Йорк: Публикации Fairchild. п. 25. ISBN 978-0-87005-198-2 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Коммерческая практика, часть 303, §303.7 Общие названия и определения промышленных волокон.
^ Полное определение арамидного волокна — это «промышленное волокно, в котором волокнообразующим веществом является синтетический полиамид с длинной цепью, в котором не менее 85% амидных связей ( ) прикреплены непосредственно к двум ароматическим кольцам», с Диаграмма в скобках, на которой показана вертикально ориентированная группа CO, присоединенная горизонтально к группе NH. Существует входящая связь с атомом С и исходящая связь с группой NH.
^ Позиция 1 просто выбирается как точка крепления одной из цепей. Затем мы считаем вокруг кольца в кратчайшем направлении, пока не доберемся до другого.
^ Перейти обратно: ^а ^б Джеймс А. Кент, изд. (2006). Справочник по промышленной химии и биотехнологии . Спрингер. п. 483 . ISBN 978-0-387-27842-1 .
^ Марш, JP; Моссман, Британская Колумбия; Дрисколл, Кентукки; Шинс, 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 . ПМИД 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 . ПМИД 19545198 . S2CID 6508943 .
^ Дональдсон, Кен (22 июля 2009 г.). «Исправление: ингаляционная токсикология арамидных фибрилл» . Критические обзоры по токсикологии . 39 (6): 540. дои : 10.1080/10408440903083066 . S2CID 218987849 .
^ Комитет по высокоэффективным структурным волокнам для современных композитов с полимерной матрицей, Национальный исследовательский совет (2005). Высокоэффективные структурные волокна для современных композитов с полимерной матрицей . Пресса национальных академий . п. 34. ISBN 978-0-309-09614-0 .
^ Одзава С (1987). «Новый подход к высокомодульным и прочным волокнам» . Полимерный журнал . 19 : 199. дои : 10.1295/polymj.19.119 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Кадольф, Сара Дж. Анна Л. Лэнгфорд (2002). «Текстиль». Pearson Education, Inc. Аппер-Сэддл-Ривер, Нью-Джерси .
^ Райш, Марк С. (2005). «Производители высокопроизводительного волокна 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 декабря 2021 г.

Дальнейшее чтение

Х. А. Реглеро Руис; М. Триго-Лопес; ФК Гарсия; Дж. М. Гарсия (2017). «Функциональные ароматические полиамиды» . Полимеры . 9 (12): 414. дои : 10.3390/polym9090414 . ПМК 6419023 . ПМИД 30965723 .
JWS Херл (2000). Высокопроизводительные волокна . Woodhead Publishing LTD., Абингтон, Великобритания – Текстильный институт. ISBN 978-1-85573-539-2 .
Дутце Дж. Сиккема (2002). «Художественные волокна сто лет: Полимеры и полимерный дизайн». J Appl Polym Sci (83): 484–488.
Х. Хиллермейер и Х.Г. Вейланд (1977). «Арамидная пряжа для армирования пластмасс». Пластик (11): 374–380.
DuPont и Teijin расширяют производство арамидов – сентябрь 2004 г.

[Hillermeier-1] Хиллермейер, 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). «Арамид». Энциклопедический словарь полимеров . Нью-Йорк: Спрингер. стр. 64–65. дои : 10.1007/978-0-387-30160-0_760 . ISBN 978-0-387-31021-3 . Проверено 16 сентября 2021 г.

[3] Вингейт, Изабель Барнум (1979). Словарь текстиля Фэйрчайлда . Интернет-архив. Нью-Йорк: Публикации Fairchild. п. 25. ISBN 978-0-87005-198-2 .

[FTC-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с Коммерческая практика, часть 303, §303.7 Общие названия и определения промышленных волокон.

[5] Полное определение арамидного волокна — это «промышленное волокно, в котором волокнообразующим веществом является синтетический полиамид с длинной цепью, в котором не менее 85% амидных связей ( ) прикреплены непосредственно к двум ароматическим кольцам», с Диаграмма в скобках, на которой показана вертикально ориентированная группа CO, присоединенная горизонтально к группе NH. Существует входящая связь с атомом С и исходящая связь с группой NH.

[6] Позиция 1 просто выбирается как точка крепления одной из цепей. Затем мы считаем вокруг кольца в кратчайшем направлении, пока не доберемся до другого.

[Kent-7] Перейти обратно: ^а ^б 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, Британская Колумбия; Дрисколл, Кентукки; Шинс, 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 . ПМИД 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 . ПМИД 19545198 . S2CID 6508943 .

[10] Дональдсон, Кен (22 июля 2009 г.). «Исправление: ингаляционная токсикология арамидных фибрилл» . Критические обзоры по токсикологии . 39 (6): 540. дои : 10.1080/10408440903083066 . S2CID 218987849 .

[capacity-11] Комитет по высокоэффективным структурным волокнам для современных композитов с полимерной матрицей, Национальный исследовательский совет (2005). Высокоэффективные структурные волокна для современных композитов с полимерной матрицей . Пресса национальных академий . п. 34. ISBN 978-0-309-09614-0 .

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

[textiles-13] Перейти обратно: ^а ^б Кадольф, Сара Дж. Анна Л. Лэнгфорд (2002). «Текстиль». Pearson Education, Inc. Аппер-Сэддл-Ривер, Нью-Джерси .

[bulletproof-14] Райш, Марк С. (2005). «Производители высокопроизводительного волокна 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 декабря 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]