Aramid - Aramid

Włókna aramidowe , skrót od aromatycznego poliamidu , to klasa odpornych na ciepło i mocnych włókien syntetycznych . Są one stosowane w lotnictwie i zastosowaniach wojskowych, do balistycznego oceniane Body Armor tkanin i kompozytów balistycznych, w powroźniczych morskiego , morskich kadłuba zbrojenia, a jako azbestu substytut.

Cząsteczki łańcucha we włóknach są silnie zorientowane wzdłuż osi włókna. W rezultacie wyższy udział wiązania chemicznego przyczynia się bardziej do wytrzymałości włókna niż w wielu innych włóknach syntetycznych. Aramidy mają bardzo wysoką temperaturę topnienia (>500 °C).

Popularne marki aramidowe to Kevlar , Nomex i Twaron .

Terminologia i budowa chemiczna

Struktura twaronu i kevlaru . Te pierścienie aromatyczne się jako sześciokąty. Pierścienie są przyłączone naprzemiennie do dwóch grup NH lub dwóch grup CO. Punkty mocowania na każdym pierścieniu znajdują się diametralnie naprzeciwko siebie, co oznacza, że ​​jest on klasyfikowany jako para- aramid.

Aramid to skrócona forma aromatycznego poliamidu . Termin ten został wprowadzony w 1972 r., zaakceptowany w 1974 r. przez Federalną Komisję Handlu USA jako nazwa rodzajowej kategorii włókien odrębnych od nylonu i przyjęty przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną w 1977 r.

Aromatyczny w nazwie nawiązuje do obecności pierścieni aromatycznych o sześciu atomach węgla. W aramidach pierścienie te są połączone wiązaniami amidowymi, z których każdy zawiera grupę CO przyłączoną do grupy NH.

Aby spełnić definicję FTC aramidu, co najmniej 85% tych wiązań musi być przyłączonych do dwóch pierścieni aromatycznych.

Para-aramidy i meta-aramidy

Aramidy dzielą się na dwa główne typy w zależności od tego, gdzie wiązania przyczepiają się do pierścieni. Numerując atomy węgla sekwencyjnie wokół pierścienia, para-aramidy mają wiązania przyłączone w pozycjach 1 i 4, podczas gdy meta-aramidy mają je w pozycjach 1 i 3. Oznacza to, że punkty przyłączenia są diametralnie przeciwne w para-aramidach, i dwa atomy od siebie w meta-aramidach. Ilustracja przedstawia zatem para-aramid.

Historia

Poliamidy aromatyczne zostały po raz pierwszy wprowadzone do zastosowań komercyjnych na początku lat sześćdziesiątych, wraz z włóknem meta- aramidowym produkowanym przez DuPont jako HT-1, a następnie pod nazwą handlową Nomex . Włókno to, które zachowuje się podobnie jak zwykłe tekstylne włókna odzieżowe, charakteryzuje się doskonałą odpornością na ciepło, ponieważ przy normalnym poziomie tlenu nie topi się ani nie zapala. Jest szeroko stosowany w produkcji odzieży ochronnej, filtracji powietrza, izolacji termicznej i elektrycznej, a także jako substytut azbestu .

Meta-aramidy są również produkowane w Holandii i Japonii przez Teijin Aramid pod nazwą handlową Teijinconex, w Korei przez Toray pod nazwą handlową Arawin, w Chinach przez Yantai Tayho pod nazwą handlową New Star oraz przez SRO Group pod nazwą X -Fiper oraz wariant meta-aramidu we Francji firmy Kermel pod nazwą handlową Kermel.

Na podstawie wcześniejszych badań Monsanto Company i Bayer , włókno para- aramidowe o znacznie wyższej wytrzymałości na rozciąganie i module sprężystości zostało również opracowane w latach 60. i 70. przez DuPont i AkzoNobel , obydwa korzystające z ich wiedzy na temat przetwarzania sztucznego jedwabiu , poliestru i nylonu. W 1973 roku DuPont była pierwszą firmą, która wprowadziła włókno para-aramidowe, nazywając je Kevlar ; pozostaje to jednym z najbardziej znanych para-aramidów i/lub aramidów.

W 1978 roku Akzo wprowadziło podobne włókno o mniej więcej tej samej strukturze chemicznej, nazywając je Twaron . Ze względu na wcześniejsze patenty na proces produkcji, Akzo i DuPont rozpoczęły spór patentowy w latach 80-tych. Następnie Twaron stał się własnością firmy Teijin Aramid Company. W 2011 roku Yantai Tayho wprowadził podobne włókno, które w Chinach nazywa się Taparan (patrz Produkcja ).

Para-aramidy są używane w wielu zaawansowanych technologicznie zastosowaniach, takich jak lotnictwo i wojsko, do „kuloodpornych” tkanin na pancerze .

Do produkcji papieru aramidowego można stosować zarówno włókno meta-aramidowe, jak i para-aramidowe. Papier aramidowy jest używany jako materiały elektroizolacyjne i materiały budowlane do wykonania rdzenia o strukturze plastra miodu. Dupont wyprodukował papier aramidowy w latach 60., nazywając go papierem Nomex. Yantai Metastar Special Paper wprowadził papier aramidowy w 2007 roku, który nazywa się papierem metastar . Zarówno Dupont, jak i Yantai Metastar produkują papier meta-aramidowy i para-aramidowy.

Zdrowie

W latach 90. test in vitro włókien aramidowych wykazał, że wykazują one „wiele takich samych skutków dla komórek nabłonka, jak azbest , w tym zwiększone włączanie znakowanych radioaktywnie nukleotydów do DNA i indukcję aktywności enzymu ODC ( dekarboksylazy ornityny ), co zwiększa możliwość implikacje rakotwórcze . Jednak w 2009 roku wykazano, że wdychane fibryle aramidowe są skracane i szybko usuwane z organizmu oraz stanowią niewielkie ryzyko. Deklaracja zainteresowania została później dostarczona przez autora badania, stwierdzając, że „Ten przegląd został zamówiony i sfinansowany przez DuPont i Teijin Aramid, ale sam autor był odpowiedzialny za treść i napisanie artykułu”.

Produkcja

Światowa zdolność produkcji para-aramidu została oszacowana na około 41 000 ton rocznie w 2002 roku i wzrasta każdego roku o 5-10%. W 2007 roku oznacza to całkowitą zdolność produkcyjną około 55 000 ton rocznie.

Przygotowanie polimeru

Aramidy na ogół wytwarza się w reakcji pomiędzy grupą aminową a grupą halogenku kwasu karboksylowego . Mogą wyglądać proste homopolimery AB

n NH 2 −Ar−COCl → −(NH−Ar−CO) n − + n HCl

Najbardziej znane aramidy ( Kevlar , Twaron , Nomex , New Star i Teijinconex) to polimery AABB. Nomex, Teijinconex i New Star zawierają głównie wiązanie meta i są polimetafenylenoizoftalamidami (MPIA). Kevlar i Twaron są obydwa p -fenylenotereftalamidami (PPTA), najprostszą formą para-poliaramidu AABB. PPTA jest produktem p -fenylenodiaminy ( PPD ) i dichlorku tereftaloilu (TDC lub TCl) .

Wytwarzanie PPTA opiera się na ko-rozpuszczalnika z jonową składnika ( chlorku wapnia , CaCl 2 ), aby zajmować wiązania wodorowe z grupami amidowymi, a składnik organiczny ( N-metylopirolidon, NMP ) do rozpuszczenia aromatycznego polimeru . Proces ten został wymyślony przez Leo Vollbrachta, który pracował w holenderskiej firmie chemicznej Akzo . Oprócz rakotwórczego triamidu heksametylofosforowego ( HMPT ) nadal nie jest znana praktyczna alternatywa rozpuszczania polimeru. Zastosowanie systemu NMP/CaCl 2 doprowadziło do przedłużającego się sporu patentowego pomiędzy Akzo i DuPont.

Spinning

Po wytworzeniu polimeru włókno aramidowe wytwarza się przez przędzenie rozpuszczonego polimeru w stałe włókno z ciekłej mieszanki chemicznej. Rozpuszczalnik polimeru do przędzenia PPTA zasadniczo 100% bezwodnej t kwas siarkowy (H 2 SO 4 ).

Występy

Inne rodzaje aramidów

Oprócz meta-aramidów, takich jak Nomex, do asortymentu włókien aramidowych należą inne odmiany. Są to głównie kopoliamidy , najlepiej znane pod marką Technora , opracowane przez Teijin i wprowadzone w 1976 roku. W procesie produkcyjnym Technory PPD i 3,4'-diaminodifenyloeter (3,4'-ODA) reaguje z chlorkiem tereftaloilu (TCl) . Ten stosunkowo prosty proces wykorzystuje tylko jeden rozpuszczalnik amidowy, dlatego przędzenie można przeprowadzić bezpośrednio po wytworzeniu polimeru.

Właściwości włókien aramidowych

Aramidy mają wysoki stopień orientacji z innymi włóknami, takimi jak polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej , co jest cechą dominującą w ich właściwościach.

Ogólny

  • dobra odporność na ścieranie
  • dobra odporność na rozpuszczalniki organiczne
  • nie przewodzący
  • bardzo wysoka temperatura topnienia (>500 °C)
  • niska palność
  • dobra integralność tkaniny w podwyższonych temperaturach
  • wrażliwe na kwasy i sole
  • wrażliwy na promieniowanie ultrafioletowe
  • podatne na gromadzenie się ładunków elektrostatycznych, dopóki nie zostanie ukończone

Para-aramidy

Zastosowania

Zobacz też

Para-aramidowy

Meta-aramid

Inni

Uwagi i referencje

Dalsza lektura