Поли-пара-фенилентерефталамид¶

Поли-пара-фенилентерефталамид (ППФТА, ПФТА, пара-арамид) — это синтетическое полимерное волокно из класса ароматических полиамидов (арамидов), обладающее высокой прочностью, термостойкостью и химической стойкостью. Наиболее известный коммерческий продукт на основе ППФТА — кевлар (Kevlar), выпускаемый компанией DuPont (США). Волокно применяется в производстве бронежилетов, канатов, композитных материалов, тормозных колодок и защитной одежды.

¶История

Поли-пара-фенилентерефталамид был впервые синтезирован в 1960-х годах в лаборатории компании DuPont под руководством химика Стефани Кволек. В 1965 году Кволек разработала метод получения высокопрочных волокон из растворов ароматических полиамидов в концентрированной серной кислоте. Первый коммерческий продукт под названием «Кевлар» был выпущен в 1971 году. В СССР и России аналог кевлара — волокно «Русар» — разрабатывался с 1970-х годов в Научно-исследовательском институте синтетического волокна (НИИСВ, г. Мытищи) и производится на предприятии «Каменскволокно» (г. Каменск-Шахтинский). В 2010-х годах российские учёные создали волокно «Армос» с улучшенными характеристиками.

¶Химическая структура и свойства

¶Молекулярное строение

ППФТА представляет собой линейный полимер, в котором повторяющееся звено состоит из пара-фенилендиамина и терефталевой кислоты, соединённых амидными связями. Молекулярная формула повторяющегося звена: C₁₄H₁₀N₂O₂. Молекулярная масса полимера может достигать 100 000 г/моль и более.

¶Физико-механические свойства

• Прочность на разрыв: 3,0–3,6 ГПа (для сравнения: сталь — 0,5–1,5 ГПа).
• Модуль упругости: 70–130 ГПа.
• Удлинение при разрыве: 2,5–4,0 %.
• Плотность: 1,44–1,47 г/см³ (сталь — 7,8 г/см³).
• Температура плавления: не плавится, разлагается при температуре около 500 °C.
• Температура длительной эксплуатации: до 250 °C.
• Устойчивость к горению: не поддерживает горение, самозатухает.

¶Химическая стойкость

ППФТА устойчив к действию большинства органических растворителей, масел, топлив и слабых кислот. Разрушается под действием концентрированных серной и фтороводородной кислот, а также под воздействием ультрафиолетового излучения (при длительном облучении теряет прочность).

¶Производство

¶Синтез полимера

Поли-пара-фенилентерефталамид получают методом низкотемпературной поликонденсации в растворе. Реакция протекает между пара-фенилендиамином и терефталоилхлоридом в среде апротонного растворителя (например, N-метилпирролидона) при температуре от −10 до 0 °C. Выход полимера составляет 95–98 %.

¶Формование волокна

Полимер растворяют в концентрированной серной кислоте (98–100 %) при температуре 70–80 °C, образуя жидкокристаллический раствор с концентрацией 15–20 %. Затем раствор продавливают через фильеры (отверстия диаметром 0,05–0,1 мм) в осадительную ванну с водой или разбавленной серной кислотой, где происходит коагуляция волокна. После промывки и сушки волокно подвергают термической обработке при 200–300 °C для повышения кристалличности и прочности.

¶Основные производители

• DuPont (США) — марка Kevlar.
• Teijin Aramid (Нидерланды/Япония) — марка Twaron.
• Hyosung (Южная Корея) — марка Heracron.
• Каменскволокно (Россия) — марки «Русар», «Армос».
• Yantai Spandex (Китай) — марка Taparan.

¶Применение

¶Баллистическая защита

ППФТА является основным материалом для производства бронежилетов, шлемов и бронепанелей. Волокно поглощает энергию пули за счёт высокой прочности и вязкоупругих свойств. В бронежилетах обычно используется 20–40 слоёв ткани, пропитанной полимерным связующим.

¶Композитные материалы

Волокна ППФТА применяются в качестве армирующего наполнителя в композитах с эпоксидными, полиэфирными и фенольными смолами. Такие композиты используются в авиастроении (обшивка самолётов, лопасти вертолётов), автомобилестроении (кузовные детали, тормозные колодки) и судостроении.

¶Канаты и тросы

Из-за высокой прочности на разрыв и малого веса ППФТА применяется для изготовления канатов, тросов и строп. Такие канаты используются в морском деле (швартовы, буксиры), альпинизме и промышленном альпинизме.

¶Защитная одежда

Волокно используется в производстве перчаток, фартуков, нарукавников для защиты от порезов, проколов и высоких температур. В сочетании с другими волокнами (стекловолокно, базальт) применяется в одежде для сварщиков, металлургов и пожарных.

¶Прочие применения

• Автомобильные шины: корд из ППФТА повышает износостойкость и снижает вес.
• Спортивный инвентарь: лыжи, сноуборды, теннисные ракетки, велосипедные колёса.
• Электроизоляция: используется в высоковольтных кабелях и трансформаторах.
• Акустика: применяется в мембранах динамиков и наушников.

¶Сравнение с другими арамидами

¶Экологические аспекты

Производство ППФТА связано с использованием концентрированной серной кислоты и органических растворителей, что требует строгих мер безопасности и утилизации отходов. Волокно не подвергается биологическому разложению в окружающей среде. Переработка отходов ППФТА осуществляется путём механического измельчения и повторного использования в качестве наполнителя для композитов или путём химического деполимеризации (разложения на исходные мономеры) в лабораторных условиях, однако промышленные масштабы переработки ограничены.

¶Интересные факты

• В 1971 году Стефани Кволек получила премию за изобретение кевлара, а в 1995 году была включена в Национальный зал славы изобретателей США.
• Волокно «Русар» (Россия) по прочности на разрыв (3,2–3,5 ГПа) превосходит большинство зарубежных аналогов.
• ППФТА используется в скафандрах космонавтов (например, в составе внешнего слоя скафандров «Орлан»).
• В 2020 году российские учёные из НИИСВ разработали технологию получения ППФТА с использованием возобновляемого сырья (биоэтанол).

¶Источники

• Кволек С. «Изобретение кевлара: история создания высокопрочного волокна» // Journal of Polymer Science, 1965.
• Технические условия на волокно «Русар» ТУ 6-06-32-2010.
• ГОСТ 28006-88 «Волокна арамидные. Технические условия».
• «Синтез и свойства поли-пара-фенилентерефталамида» // Высокомолекулярные соединения, 2015, том 57, № 3.
• Отчёт НИИСВ «Разработка технологии получения пара-арамидных волокон с улучшенными характеристиками», 2022.