Арамидное волокно: способ получения, свойства, применение

Арамид (англ. aramid аббр. aromatic polyamide — ароматический полиамид) — полипарафенилентерефталамид, синтетическое волокно высокой механической и термической прочности. Состоит из бензольных колец, соединённых друг с другом через группу -NH-CO- прочными химическими связями, обеспечивающими высокую механическую прочность всего волокна. Между водородными и кислородными отростками молекул соседних цепей образуются слабые водородные связи, не играющие особой роли.

Наиболее распространены пара- и мета- изомеры арамида — пара-арамид (известный под торговыми марками Кевлар, Twaron и др.) и мета-арамид (известный под торговой маркой Номекс).

Разработчиком технологии получения арамидных волокон и нитей в России (СССР) являлось Государственное Предприятие Всесоюзный научно-исследовательский институт полимерных волокон (ГП ВНИИПВ). НИОКР были начаты в конце 60-х годов прошлого века, а в 70-х годах по исходным данным ГП ВНИИПВ были созданы опытно-промышленные и промышленные производства в Ленинграде, Калинине (Твери), Каменск-Шахтинском, а также опытное производство на промплощадке ГП ВНИИПВ, г.Мытищи.

На сегодняшний день в России производителями арамидных волокон и нитей являются ОАО «Каменскволокно» (г. Каменск–Шахтинский), ООО НПП «Термотекс» (г. Мытищи) и ООО «Лирсот» (г. Мытищи).

Среди данных предприятий наиболее успешным является ОАО «Каменскволокно», выпускающее 20 тонн арамидных волокон в год. Основной производитель арамидного волокна ОАО «Каменскволокно» работает преимущественно на государственный заказ.

Получение арамидных волокон

Сильное межмолекулярное взаимодействие ароматических полиамидов обеспечивает высокие температуры переходов, что практически исключает возможность их переработки из расплава. Поэтому формование волокон проводят из растворов.

Рассмотрим основные стадии традиционной технологии получения арамидного волокна [3]:

1) Синтез волокнообразующего полимера;

2) Формование нитей из поликондиционных растворов;

3) Термообработка и термовытяжка нитей.

Арамидные волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации в растворе при низкой температуре (5-10 °C). Полимер получают добавлением к раствору реагентов при интенсивном перемешивании. Полимер выделяется из исходного раствора в виде геля или крошки, затем он промывается и высушивается.

Полученный полимер растворяется в одной из сильных кислот, например, в концентрированной серной кислоте. Из раствора полимера методом экструзии через фильеры формуются волокна и нити. Температура формования 50-100 °C. Экструдированные волокна проходят небольшую воздушную прослойку (5-20 мм) и попадают в осадительную ванну с холодной водой (менее 4 °C). Волокно промывается, собирается на приемном устройстве и высушивается.

Свойства волокна могут варьироваться при изменении природы использованного растворителя, условий нитеобразования, а также при последующих термических обработках свежесформованных волокон.

Кристаллическая природа полимера обеспечивает высокую термическую стабильность волокон, а наличие ароматических колец в структуре макромолекулы обусловливает химическую стабильность волокон. Благодаря жесткой сетчатой структуре макромолекул арамидные волокна при нагревании не испытывают никаких фазовых превращений вплоть до температуры термического разложения [3].

Свойства арамидных волокон

Главным отличием арамидного волокна является его высочайшая механическая прочность. В зависимости от марки, разрывная прочность волокна может колебаться от 280 до 550 кг/мм² (у стали, для сравнения, этот параметр находится в пределах 50-150 кг/мм², лишь самые высокопрочные сорта стали со специальной обработкой приближаются по прочности к наименее прочным сортам арамида) [10].

Кроме того, арамидное волокно отличается высокой термической стойкостью. Оно способно длительное время работать при температуре 250°C, на короткое время температура может повышаться до 400°C, а при достаточном запасе прочности – ещё выше. Арамид, как и подавляющее большинство других органических соединений, горит в атмосфере кислорода, но концентрации кислорода в воздухе недостаточно для устойчивого горения – волокно быстро самостоятельно гаснет, если находится вне пламени.

Свойства арамидных волокон представлены в таблице 9.1.

Таблица 9.1 – Свойства арамидных волокон

Для пара-арамидного волокна характерна высокая механическая прочность. Такая высокая прочность сочетается с относительно малой плотностью – 1400-1500 кг/м³ (плотность чистой воды 1000 кг/м³, плотность стали порядка 7800 кг/м³) [10].

Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики, отличаются наиболее высокими значениями прочности и модуля упругости. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению с углеродными и стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании текстильных производств.

Повышение температуры приводит к снижению прочности арамидных волокон от 3,5 ГПа до 2,7 ГПа. Волокна практически не проявляют ползучести под нагрузкой. Во всем интервале нагрузок вплоть до разрушения зависимость напряжений от деформаций является линейной. На свойства арамидных волокон заметное влияние оказывает скручивание нитей: при повышении степени кручения модуль упругости и прочность волокон заметно снижаются. Полагают, что этот эффект связан с поверхностным повреждением волокон при скручивании. Это предположение подтверждается результатами испытаний волокон на усталость, которые показывают, что волокна могут выдерживать большое число циклов нагружения, если они не испытывают поверхностного трения.

Применение арамидного волокна

Изначально арамидное волокно было создано для армирования автомобильных шин, оно и сейчас с успехом применяется для этого, но за счёт своих высоких характеристик оно нашло самое широкое применение в самых различных отраслях.

Чистое арамидное волокно применяется для изготовления сверхпрочных тросов и тканей, оплётки оптических и иных кабелей.

Композиты на основе арамида имеют высокую прочность при малой массе, что делает их незаменимыми в производстве авиационной и космической техники, спортивных снарядов.

Уникальные механические свойства арамидных волокон, нитей и тканей, разрывная нагрузка которых выше, чем разрывная нагрузка многих сортов стали, сверхвысокая стойкость к истиранию и срабатыванию, обуславливают возможность использования изделий из них в самых суровых условиях эксплуатации, например, в насосах перекачивающих сильно абразивные и агрессивные жидкости.

Арамидные волокна могут применяться там, где использование других материалов невозможно, либо крайне ограничено.

Особенно ценятся уникальные свойства арамидных волокон в производстве бронежилетов и огнезащитной одежды – это применение арамидных волокон уже спасло много человеческих жизней.

Наибольшее распространение при изготовлении специальной защитной одежды получили пара- и метаарамидные волокна. Параарамидные – в баллистике и защитной одежде. Метаарамидные – в защитной одежде.

ОАО «Каменскволокно» производит синтетические высокомодульные нити СВМ, Руслан®, Армос, АРУС® и Artec® для производства различных материалов:

- средств индивидуальной бронезащиты;

- композиционных материалов;

- лент специального назначения;

- кабельной продукции;

- резинотехнических изделий;

- термостойкой защитной одежды.

СВМ, Руслан®, Армос, АРУС® и Artec® относятся к классу параарамидных волокон и обладают уникальными свойствами, основные из которых высокая прочность (в десятки раз прочнее стальной проволоки аналогичной толщины), высокая термическая и химическая стойкость и длительное хранение без изменения свойств.

Параарамидное волокно используется для производства уплотнительных изделий и материалов, технических тканей, в резинотехнике, для пошива специализированной одежды и т.д. Изделия из арамидных волокон значительно ослабляют трение и уменьшают износ.

Арамидное волокно используется в металлургической, кабельной, радиотехнической промышленностях, производстве армированных композиционных материалов, погрузочно-разгрузочного и берегового оборудования, в самолето-, ракето- и автомобилестроении, в шинной и рыболовной отраслях, для изготовления систем безопасности, спортивного оборудования и инвентаря.

Невысокая плотность, хорошие демпфирующие свойства, гибкость способствуют применению кевлара при изготовлении спортивного снаряжения: лодок, клюшек и т. д.

Арамидные волокна и ткани являются перспективным материалом для изготовления композитов. Они используются в производстве полимерных композиционных материалов (КМ), поскольку температура переработки и эксплуатации полимерных матриц ниже температуры деструкции арамидных волокон [11].

Волокна кевлара в чистом виде либо в сочетании с каучуком используются при изготовлении канатов, которые находят применение в судостроении и горном деле, где они используются вместо стальных канатов. Достоинствами таких канатов являются малый вес, высокая прочность, высокая коррозионная стойкость и хорошие электроизоляционные свойства. Кевлар находит применение при изготовлении шин в качестве корда, где сочетание таких свойств, как малая плотность, хорошая вибростойкость, высокая прочность и коррозионная стойкость делают его более выгодным по сравнению с кордом из вискозных, полиэфирных волокон и стальной проволоки.

К недостаткам арамидных волокон следует отнести их плохую окрашиваемость. Это не имеет значения при техническом применении, однако может помешать при изготовлении из него одежды и изделий быта.