Производство кевлара

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Производство кевлара

Многие, вероятно, слышали про кевлар, про изделия из этого полимерного материала, обладающего потрясающими свойствами. На самом деле - «кевлар» - это лишь одна из торговых марок, производящих арамидные волокна. Я расскажу про синтетические волокна арамида в целом.

Итак, Арамид (англ. аббр. aromatic polyamide -- ароматический полиамид) -- поли-пара-фенилен-тере-фталамид, синтетическое волокно высокой механической и термической прочности. Состоит из бензольных колец, соединённых друг с другом через амидную группу -NH-CO- прочными ковалентными химическими связями, обеспечивающими высокую механическую прочность всего волокна. Между водородными и кислородными фрагментами 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.). Наиболее известные в мире мета-арамидные волокна выпускаются под торговыми марками «Номекс» (Dupont, США), а также «Кермель» (Франция).

1.1 Характеристики

Технические характеристики арамидного полимера делают его уникальным материалом. Арамидное волокно на разрыв в 5 раз прочнее стали. У пара-арамидного волокна разрывная прочность достигает 550 кг/ммІ

Такая высокая прочность сочетается с относительно малой плотностью, которая составляет ?1500 кг/мі Для сравнения, плотность стали составляет порядка 8000 кг/мі. Т.о. плотность этого полимерного материала всего на 40-50% превышает плотность чистой воды.

Кевлар сохраняет прочность и эластичность при низких температурах, вплоть до криогенных (?196°C), причем, при низких температурах прочность увеличивается.

Благодаря своей химической структуре арамидный полимер, в частности, кевлар, не горит и ДАЖЕ НЕ ПЛАВИТСЯ при нагреве. У данного материала вообще отсутствует точка плавления. При сравнительно высоких Т свыше 430°С кевлар начинает разлагаться. Мета-арамидные волокна способны длительно выдерживать температуры в 250 °C, а также кратковременно выдерживать пиковые температуры до 1000 °C. Эти свойства широко используются при производстве огнестойкой защитной спецодежды. Ткани из таких волокон не воспламеняются при контакте с открытым пламенем, а лишь обугливаются, образуя огнезащитный карбонизированный каркас.

При нагревании свыше 150°С прочность уменьшается, но лишь при постепенном и при длительном температурном воздействии. Например, при температуре 160°C прочность на разрыв уменьшается на 10% только после 500 часов (т.е. ? 20 суток)

Дополнительные свойства ткани из арамидного волокна придает вакуумное ламинирование алюминием. Защитная алюминиевая оболочка отражает до 90% тепла.

Данная ткань способна обеспечить защиту:

от теплового излучения мощностью 20кВт/м2 и более;

· при контакте с поверхностями, нагретыми до температуры 500°С и выше;

· от брызг металла, находящегося в расплавленном состоянии.

Арамидное волокно является также отличным теплоизоляционным материалом (теплопроводность 0,04 -- 0,1 Вт/м*°К) - что сопоставимо с ТП пенопласта или стекловаты. Обладает высокой хим. стойкостью к распространенным неорганическим щелочам и кислотам.

Арамидные материалы способны поглощать механич. вибрации и звук в 2- 4 раза выше, чем стеклопластики, и в 10-40 раз выше, чем у алюминиевых сплавов.

По виду и на ощупь Кевлар - это очень легкая мягкая ткань с отличной гигроскопичностью (Т.е …) и отличными дышащими свойствами.

Арамидные полимеры (они же органопластики), естественно, являются изоляторами, причем характеризуются низкой диэлектрич. проницаемость (е 3,7-4,2) в широком диапазоне частот (1 кГц-10 ГГц). Т.е. плохо пропускает ЭМ волны.

Открытие

Материал Полиарамид - это результат случайного открытия фирмы DuPont. Данный полимер может существовать только в форме волокна. Главный исследователь Стефани Кволек решила вытянуть волокно из смеси, которая по внешним признакам не подходила для этого.

Выяснилось, что при вытягивании полимер полностью перестроился, цепочки молекул вытянулись по направлению волокон и намертво схватились между собой. Так открыли волокно, из которого теперь делают пуленепробиваемые жилеты во всем мире.

В 1964 (шестьдесят четвёртом) году американский химический концерн Dupont, широко известный изобретением нейлона, пытался разработать и наладить в производство прочные, но достаточно легкие полимерные нити, которыми можно было заменить тяжелый стальной скелет автомобильных шин. Команда Стефани Кволек исследовала полиарамиды, молекулы которых имеют стержнеобразную форму.

При производстве полимеров, волокна полимера обычно производят путем прядения при выдавливании жидкого расплава через мелкие отверстия - фильеры. Но полиарамид практически невозможно расплавить, отчего было решено применить прядение из раствора. В конце концов Кволек удалось подобрать необходимый растворитель, однако раствор был мутным и жидким, а не прозрачным и густым, и на ||первый взгляд напоминал самогон.

Инженер-прядильщик решительно отказался заливать непонятный раствор в машину, боясь засорить тонкие фильеры. Кволек с большим трудом убедила его попробовать вытянуть прядь из такого раствора. К общему удивлению, нить легко вытягивалась и была необыкновенно прочной. Полученную нить отправили на тестирование.

После того как Стефани увидела полученные результаты, сначала она подумала что прибор сломался - настолько высокими были цифры. Но повторные замеры подтвердили необыкновенные свойства материала: он во много раз превосходил по прочности на разрыв сталь.

Совершенно новый материал, новый полимер, который назвали кевлар, был выпущен на рынок в (!) 1975 году. Сегодня он производится во многих странах и применяется практически всюду: его используют для изготовления тросов, кузова автомобилей и катеров, изготовления паруса, фюзеляжа самолетов и деталей космических кораблей и т.д. Кевлар это основа для пуленепробиваемых жилетов для полиции и костюмов пожарных. Производство полимеров пережило поистине триумфальную революцию - открытие кевлара - очень важный шаг в мире полимеров.

У нас

Высокопрочные волокна на основе ароматических полиамидов несколькими годами позднее независимо были созданы в СССР.

В СССР в начале 1970-х годов было разработано волокно на основе полиамид-бензи-мидазол-тере-фталамида, превосходящее Кевлар по ряду показателей. Это волокно первоначально называлось Вниивлон по названию института где оно было разработано (ВНИИВ - Всесоюзный научно-исследовательский институт искусственного волокна), затем название волокна изменили на СВМ. Волокна СВМ получают из другого полимера и по иной технологии, чем волокна Кевлар, но по свойствам эти волокна близки. Аналогом волокна Кевлар по химическому составу было советское волокно Терлон, опытно-промышленный выпуск которого прекратился в начале 90-х годов.

В СССР для температурных применений была разработана и внедрена в производство на ПО «Химволокно» в г. Светлогорск (Беларусь) технология поли-окса-диа-зОльного волокна «Оксалон» (она же Арселон). Некоторые западные компании называют это волокно «Русский Номекс». По свойствам «Арселон» аналогичен «Номексу», хотя технологии производства существенно отличаются.

В России в настоящее время производство арамидных волокон осуществляет ОАО «Каменскволокно» г. Каменск-Шахтинский (Ростовская область). Предприятие производит такие синтетические высокомодульные нити, как СВМ, Русар, Армос, Artec и АРУС, применяемые в кабельной промышленности, изготовлении композиционных материалов и резинотехнических изделий, при армировании изделий, а также для изготовления специальных термостойких тканей, грузонесущих элементов и средств баллистической защиты (полимерная броня).

1.2 Применение

кевлар арамидный полимер высокопрочный

Изначально, как уже было сказано, материал разрабатывался для армирования автомобильных шин, для чего он используется и теперь. Кроме того, кевлар используют не только в чистом виде, но и как армирующее волокно в композитных материалах (т.е. входит в состав …), которые получаются прочными и лёгкими. Получаемые таким образом смесовые изделия называют органопластик.

Из арамидных волокон могут быть получены почти все типы волокнистых армирующих наполнителей: нити, ткани разного плетения, бумага и тому подобное.

Кевлар используется для армирования медных и волоконно-оптических кабелей (это нитка по всей длине кабеля, предотвращающая растяжение и разрыв кабеля), в диффузорах акустических динамиков и в протезно-ортопедической промышленности для увеличения износостойкости частей углепластиковых стоп.

Кевларовое волокно также используется в качестве армирующего компонента в смешанных тканях, придающего изделиям из них стойкость по отношению к абразивным и режущим воздействиям, из таких тканей изготовляются, в частности, защитные перчатки и защитные вставки в спортивную одежду (для мотоспорта, сноубординга и т. п.). Также он используется в обувной промышленности для изготовления антипрокольных стелек. ((видео - перчатки))

Другим распространенным применением мета-арамидных волокон является очистка горячих дымовых газов на предприятиях металлургической промышленности, цементных и асфальто-бетонных и др. производствах. Для таких применений используется специальная разновидность нетканного иглопробивного полотна, из которого изготавливаются фильтровальные элементы для рукавных фильтров. Необходимость в таком применении обусловлена термостойкостью, химостойкостью и высокой механической прочностью материала. Горячие дымовые газы (до 250 градусов Цельсия), образующиеся из них кислоты, а также повышенная механическая нагрузка хорошо выдерживаются фильтровальными материалами на основе арамидов.

Современной тенденцией в применении арамидов является диверсификация в специализированные технические применения в самых разных отраслях промышленности -- от микроэлектроники, до авиастроения.

1.3 Получение

Как я понял, исходным сырьем д. производства полиарамидов, так же как и для производства пластмасс, являются нефтепродукты.

Органические волокнообразующие полимеры получают методом поликонденсации диаминов и галоген-ангидридов дикарбоновых кислот в растворе при низкой температуре. Образующийся при этом полимер в виде крошки или геля измельчается, промывается и высушивается.

Получившийся полимер представляет собой поли-пара-фенилен-тере-фталамид. Далее его растворяют в 100%-ной серной кислоте, после чего полученный в результате прядильный раствор продавливают через фильеру - тонкое отверстие, при температуре 50... 100 С. Скорость выдавливания волокна через фильеры составляет 60 м/с.

После прохождения воздушной прослойки (толщиной 5 ... 19 мм) полученное волокно попадает в осадительную ванну с холодной водой (0 ... 4 С ), где происходит удаление серной кислоты из волокна путем промывки его водой.

В результате чего получают готовое волокно и разбавленный раствор, содержащий приблизительно 10-15% H2SO4 как побочный продукт.

Разбавленный раствор серной кислоты обычно нейтрализовывают и сливают в отходы, в результате получая значительный сброс сульфатов в СВ.

Т.О. технологический процесс требует больших энергозатрат, большого потребления воды, большие потребности в серной кислоте и реактивах.

В ходе производства неизбежны испарения и поступления в воздух опасных веществ, в частности, углеводородов и паров Н2SO4. Поэтому на таких предприятиях должны быть предусмотрены средства очистки воздуха от такого рода загрязнителей - адсорберы и абсорберы.

Также, как уже было сказано, образуется большое количество загрязненных СВ, которые перед сбросом в гор. коллектор предприятию необходимо предварительно очистить и обезвредить, что предполагает наличие собственных очистных сооружений на производстве.

Недостатки

Наряду с такими потрясающими качествами у арамида есть и серьёзные недостатки, которые следует учитывать при выборе сферы его применения: это цена, «боязнь» воды, сложности в обработке и старение.

Во-первых: арамид очень дорогой. Куртка из него будет стоить как крыло боинга.

Далее. При намокании в волокне нарушаются водородные связи, что снижает его механическую прочность почти в два раза. К счастью, при высыхании оно восстанавливает свои качества.

Кроме того, со временем механическая прочность волокна теряется безвозвратно. Как правило, производители дают 5 лет гарантии на сохранение волокном своих свойств.

Однако, применяя различные способы обработки, можно добиться практически полного устранения двух последних недостатков. Так, например, производители волокна Twaron утверждают, что добились надёжной защиты от воды и гарантируют не менее десяти лет стабильной эксплуатации.

Так же к недостаткам ткани из арамидных волокон следует отнести ее плохую окрашиваемость.

По умолчанию она имеет жёлтый цвет. Это не имеет значения при техническом применении, однако может помешать при изготовлении из него повседневной одежды.

И, наконец, из-за своей прочности материалы из арамида трудно обрабатывать. Инструменты (даже промышленные) для его обработки быстро выходят из строя - поэтому часто его приходится резать лазером.

Перспективы

Прогресс не стоит на месте, поэтому указанные недостатки вероятно в будущем удастся устранить.

Интерес к этому волокну проявляют врачи и учёные, изучающие возможности применения углеродного нановолокна при проведении хирургических операций и других медицинских манипуляций. Предполагается, что это волокно сможет заменить медь в кабелях передачи данных и силовых кабелях, используемых в авиационно-космической и автомобильной отраслях. Благодаря этому воздушные суда и автомобили высокого класса будут одновременно легче, прочнее и надёжнее.

Размещено на Allbest.ru