Da die Klasse der aromatischen Polyamide völlig andere Eigenschaften als die aliphatischen Polyamide hat, wurden sie 1974 von der amerikanischen Federal Trade Commission definiert. „Aramid“ benannt wurde. Die erste kommerziell erhältliche Aramidfaser wurde 1965 von DuPont in den USA eingeführt. Der Name dieses Meta-Aramids war Nomex. McIntyre hat Hochleistungsfasern grob in zwei Gruppen eingeteilt.
- Nicht brennbare Fasern der ersten Gruppe,
- Fasern der zweiten Gruppe mit hoher Festigkeit und hohem Modul
Es bedeckt.
In der Gruppe der Aramide gibt es Fasern, die für beide Klassen geeignet sind. Derzeit gibt es zwei Arten von Aramiden, die kommerziellen Erfolg gefunden haben. Beide fallen technisch gesehen unter Hochleistungsfasern. Die erste Gruppe ist wieder in der Meta-Aramid-Gruppe, und obwohl es einen mittleren Modul und eine mittlere Festigkeit hat, hat es eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit. Bis 600 –800 C wird keine Zersetzung oder Schmelzen beobachtet. Es zeigt eine hervorragende Leistung bei Anwendungen, bei denen Schutz vor Hitze und Elektrizität erforderlich ist. Beispiele dafür sind Nomex von Dupont und Conex von Teijin. Diese Aramide können in die erste Klasse von McIntyre eingeordnet werden.
Die zweitklassigen Aramide sind Kevlar, eine der Para-Aramid-Fasern, die von DuPont in den frühen 1970er Jahren eingeführt wurden. Diese Faser zeichnete sich als eine Faser aus, die hohen Temperaturen in der Klasse der Fasern mit hohem Modul und hoher Festigkeit widerstehen konnte. Unter den damaligen Marktbedingungen stellte die Herstellung einer Faser, die „hitzebeständig wie Asbest und hart wie Glas“ ist, eine riesige Marktlücke dar. Der Gesamtverbrauch an p-Aramidfasern lag 1992 bei 18.000 Tonnen. Obwohl dies wie eine große Zahl erschien, war es nur die Hälfte der Kapazität an diesem Tag. Die Aramide von Dupont bestehen aus Poly(p-phenylenterephthalamid) und sind in verschiedenen Typen erhältlich. Diese:
Kevlar 29,
Kevlar 49,
Kevlar 149
Kevlar 981
Sie.
Neben Dupont traten die Firma Akzo Nobel mit ihrem Produkt Twaron und die Firma Teijin mit Technora, einem Copolymer-Aramid, auf den Markt. Technora bestand aus einer Copolymerisation von Poly(p-phenylenterephthalamid) und Poly(3,4-oxydiphenylenterephthalamid). Später trat Hoechst in diesem Sektor mit einem Produkt auf den Markt, das Technora in seiner Struktur sehr ähnlich war.
Meta-Aramide
Meta-Aramide sind Fasern, die sich durch ihre thermische Beständigkeit auszeichnen.. Daher werden sie häufig bei der Herstellung von hitze- und flammfester Schutzkleidung und in verschiedenen thermischen und elektrischen Isolationsanwendungen eingesetzt. Die wichtigste dieser Fasern ist Nomex von DuPont. Auch die Firma Teijin ist mit einem Produkt namens Conex auf diesem Markt vertreten.
Para-Aramide
Para-Aramide haben allgemein Verwendung in Anwendungen gefunden, die eine hohe Festigkeit erfordern.
Kevlar wird aus para-Phenylendiamin und Terephthaloylchlorid hergestellt. Diese Substanzen werden zunächst mit einem Lösungsmittel gelöst und dann mit H2SO4, einer starken Säure, versetzt. Die Konzentration dieser Mischung ist sehr wichtig. Im Allgemeinen nimmt mit zunehmender Konzentration die Festigkeit der gebildeten Faser direkt proportional zu. In Bezug auf die Festigkeit sind jedoch auch der Ziehprozess und die Viskosität zu berücksichtigen. Aus dieser Schmelze werden bei einer Temperatur von 70 – 90 °C Filamente gezogen. Danach werden sie einem Koagulationsbad mit anschließender kurzer Belüftung unterzogen. Dieses Bad kann aus Wasser oder verdünnter Schwefelsäure bestehen. Es ist zweckmäßig, dass die Badtemperatur 25 °C beträgt.
Wenn sehr hochfeste Fasern hergestellt werden sollen, kann diese Temperatur auf 5 °C erhöht werden. Nach diesem Bad werden die Fasern gewaschen, getrocknet und auf eine Spule gewickelt. Nachträgliche Wärmebehandlung Kevlara kann auf unterschiedliche Weise aufgebracht werden. Im Allgemeinen wird eine Wärmebehandlung angewendet, indem das belastete Material durch eine ruhige Atmosphäre wie heißen Stickstoff bei 150 – 550 Grad Celsius geführt wird. Die Wärmebehandlungsbedingungen wirken sich direkt auf die Festigkeitseigenschaften aus.
Technora entsteht durch die Reaktion und Polykondensation von para-Phenylendiamin und 3-4 ODA (Diaminodiphenylether) mit Terephthaloylchlorid in Lösung. Diese Mischung wird mit Ca(OH)2 oder CaO neutralisiert, um eine stabile, für die Extraktion geeignete Lösung zu erhalten. Die Extraktion erfolgt in einem wässrigen Koagulationsbad, das N-Methylpyrrolidon oder Calciumchlorid enthält, und bei hoher Temperatur. Diese Temperatur liegt bei etwa 500 OC und das Verzugsverhältnis beträgt etwa 10.
p-Aramide sind im Handel in einer Vielzahl von Strukturen erhältlich. PPTA [Poly(p-phenylenterephtalamid)]* ist eine viel weniger flexible Faser als andere synthetische Fasern. Normalerweise ist p-Aramid unlöslich und in keiner Lösung löslich. PPTA-Fasern sind hochkristalline Strukturen. Die strenge Linearität des PPTA-Moleküls und die gleichmäßige Anordnung der Amidgruppen bieten eine gute Umgebung für Wasserstoffbrückenbindungen und ermöglichen eine hochkristalline Struktur.
Para-ständige Bindungen der aromatischen Kette erlauben nur ein geringes Maß an Flexibilität. Außerdem zeigen die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen Doppelbindungscharakter und verleihen dem Molekül Rotationssteifigkeit. Während der Faserherstellung wird die Polymerschmelze einer sehr hohen Schrumpfung unterzogen, wodurch Orientierung und Kristallisation maximiert werden.
Ein weiterer Faktor, der die Kristallinität von p-Aramiden beeinflusst, ist die Kristallanordnung. Die radiale Kristallstruktur ist die allgemeine Struktur von aromatischen Polyamidfasern, die durch ein Trockenstrahl-Nassspinnsystem erhalten werden, und ist für diese Fasern einzigartig. Diese Struktur wurde für keine synthetische Faser erhalten.
Alle anderen hochorientierten Fasern haben normalerweise eine oben gezeigte dispergierte Struktur.
Der wichtigste Faktor, der die Eigenschaften von p-Aramidfasern beeinflusst, ist ihr Endverwendungszweck. Denn je nach Einsatzzweck werden die Fasereigenschaften bestimmt und die passende Faser ausgewählt. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Beziehung zwischen Faserstruktur und mechanischen Eigenschaften zu verstehen. Durch geringfügige Änderungen an Eigenschaften wie Festigkeit, Dehnung und Steifheit kann die Faser für den Endgebrauch geeigneter gemacht werden.
Während beispielsweise der theoretische Modul von PPTA 1500 dN/tex beträgt, liegen heute kommerziell hergestellte Fasern zwischen 440 – 900 dN/tex. Dies ist auf den Spannungs- und Temperaturunterschied während der Produktion zurückzuführen. Zudem liegt die theoretische Festigkeit von p-Aramiden bei etwa 120 dN/tex. Die durchschnittliche Festigkeit kommerziell hergestellter p-Aramide liegt jedoch bei 21 dN/tex. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden Typen mit einer Festigkeit von 25 dN/tex eingesetzt.
P-Aramide wurden als „hitzebeständig wie Asbest und hart wie Glas“ beschrieben. Dank dieser Eigenschaften haben p-Aramide vielfältige Anwendungen gefunden. Wie bei anderen Fasern hängt die Zugfestigkeit von p-Aramiden von ihrem Molekulargewicht, ihrer Kristallinität, ihrer molekularen Orientierung und dem Vorhandensein verschiedener Defekte in der Molekülstruktur ab. Im Gegensatz zu anderen Fasern hängt die Festigkeit von p-Aramiden jedoch auch von ihrer äußeren Hüllen- und Kernstruktur ab. Was damit zu erklären ist, sind Werte wie Orientierungswinkel, parakristallin.
Röntgenuntersuchungen haben gezeigt, dass es eine umgekehrte Beziehung zwischen dem parakristallinen Änderungsfaktor und der Stärke von Kevlar gibt. Studien haben gezeigt, dass dieser Orientierungswinkel für eine Paramidfaser, die eine sehr hohe Festigkeit erfordert, unter 12º liegen sollte. Wärmebehandlungen unter Spannung erhöhen die Kristallinität von Aramiden. Durch solche Verfahren wurden Aramide mit besseren mechanischen Eigenschaften erhalten. Beispielsweise ist Kevlar 981 das Kevlar-Derivat mit der höchsten Festigkeit.
Aus PPTA hergestellte Fasern haben keine bestimmte Glasübergangstemperatur wie andere synthetische Fasern. Allerdings werden die Fasern durch die Wärmebehandlung unter Spannung angegriffen. Wie andere Fasern, die bei der gleichen Temperatur gezogen werden, ist es nicht möglich, eine Aramidfaser zu strecken, die durch das Dry-Jet-Nassspinnverfahren hergestellt wurde. Bei Temperaturen wie 500 °C kann höchstens eine Schrumpfung von 5 % erreicht werden. Unter diesen Bedingungen kann die Orientierung der Aramidfaser (von 12-15 bis 9 und darunter) und ihre Kristallisation noch gesteigert werden. Die größte so erzielte Steigerung liegt im Modul. (von 500 dN/tex bis 900 dN/tex).
Das PPTA-Molekül wird einer optischen und nicht-isotropen Auflösung in 8 – 9 %iger Schwefelsäurelösung unterzogen. Es eignet sich zum Einschießen in eine 20%ige Lösung bei 90 OC. Dry-Jet Beim Nassspinnen werden Fasern mit hoher Festigkeit und hohem Modul erhalten, selbst wenn das Streckverfahren bei der gleichen Temperatur wie das Spinnen durchgeführt wird. Auch das senkt die Kosten. Je nach gewünschten Fasereigenschaften kann die Molekularstruktur auf verschiedene Weise variiert werden.
Unterrichtsstoff