Высокопрочные и высокомодульные волокна из жидкокристаллических полимеров

 

Впервые высокопрочные и высокомодульные волокна из растворов жидкокристаллических полимеров поли-n-бензамида и поли-n-фенилентерефталата были получены в 1960-х гг. Синтез этих полимеров описан в разд. 5.6.8. Волокна из пара-амидных полимеров объединяются в группу арамидных, волокна из упомянутых выше полимеров получили товарное название «Кевлар» и «Таврон», ставшие к настоящему времени широко известными. В том случае, когда жесткоцепной полимер не плавится вплоть до температуры разложения, формование волокон возможно лишь из лиотропных жидкокристаллических систем, как это имеет место в описанных примерах. К настоящему времени синтезированы термотропные волокнообразующие полимеры - ароматические сополиэфиры, ароматические полиазометины. Из расплава указанных полимеров также получены высокопрочные волокна. Однако, их промышленное производство (менее 100 тыс.т в год) освоено в основном первым методом. Область применения - армирование резинотехнических изделий, легкие композиты для авиации и космоса, сверхпрочные тросы, мягкая броневая защита (бронежилеты).

Ароматические полиамиды в процессе синтеза растворяются в амидных растворителях. Для переработки в волокно высаженный и очищенный полимер растворяется в 100%-ной серной кислоте. Растворению способствует кислотно-основное взаимодействие, так как амиды являются по отношению к кислоте сильными основаниями.

Для того, чтобы усилить ориентационный эффект, обусловленный жидкокристаллическим упорядочением прядильного раствора, формование волокна проводят через воздушную прослойку. Высокая кратность растяжения струй в воздушной прослойке обусловливает значительный дополнительный ориентационный эффект. Оптимальная температура переработки 18-20%-х растворов полиамидов заключена в пределах 75-85 °С. Высокоориентированное состояние полимера фиксируется при его попадании в осадительную ванну (водный раствор серной кислоты концентрацией 0-30%) с низкой температурой (0-5 °С). Из табл. 3.5, где представлены свойства разных типов волокон, видно явное преимущество волокон из жидкокристаллических полимеров (Кевлар-49, Терлон), за исключением такого показателя, как прочность в узле.

 

Таблица 3.5 Механические свойства основных типов волокон технического назначения

 

Показатели	Кевлар-49	Терлон	Нейлон 6,6	Полиэфирное	Вискозное
Разрывная прочность, сН/текс		250-260
Разрывное удлинение, %	2,4-4,0	2-4	21,0-25,0	14,5	11,0
Начальный модуль упругости, ГПа	130,0	135-145	5,0-5,5	13,4	16,5
Прочность в узле	30-50		60-80	55.0

 

Преимущества формования высокопрочных волокон из растворов жидкокристаллических полимеров обусловлены тем, что достигается высокая степень ориентации макромолекулярных цепей и, следовательно, высокие прочностные показатели, благодаря жидкокристаллическому упорядочению прядильных растворов и фильерному вытягиванию. Последующая тепловая обработка приводит к существенному повышению их модуля.

Вслед за арамидными были освоены в производстве высокомодульные волокна из жидкокристаллических растворов гетероциклических полиари-ленов общей формулы:

 

 

получение которых описано в разд. 5.6.8. При X = S получен полимер, превосходящий Кевлар по величине модуля (300 ГПа), что связано с большей жесткостью цепи. Персистентная длина его макромолекул составляет 64 нм против 15-20 нм у арамидов.