Aramide

Allgemeine Struktur von Aramiden

Wiederholeinheiten von aromatischen Polyamiden, die aus einem Diamin und einem Dicarbonsäurechlorid hergestellt wurden. Ar1 steht für den „Aryl-Rest“ des eingesetzten Dicarbonsäurechlorids, Ar2 für den Aryl-Rest der eingesetzten Diaminverbindung. Die Carbonsäureamid-Gruppen sind blau gekennzeichnet.

Aramide, auch Polyaramide oder aromatische Polyamide genannt, sind Polyamide, bei denen die Amidgruppen an aromatischen Gruppen gebunden sind. Die wichtigsten Typen sind Poly(p-phenylenterephthalamid) (PPTA, Handelsnamen: Kevlar, Twaron) und Poly(m-phenylenisophthalamid) (PMPI, Handelsnamen: Nomex, Teijinconex).

Übersicht

Poly(p-phenylenterephthalamid)

Poly(m-phenylenisophthalamid)

Nach der Definition der US-amerikanischen Federal Trade Commission für Textilfasern sind Aramide Polyamide mit aromatischen Gruppen in der Hauptkette, bei denen mindestens 85 % der Amidgruppen direkt an zwei aromatische Ringe gebunden sind. Die europäische Textilkennzeichnungsverordnung fordert dies ebenfalls, bezeichnet jedoch auch aromatische Polyamidimide als Aramide.

Man unterscheidet zwischen meta-Aramiden, para-Aramiden und para-Aramid-Copolymeren. Bekannte Markennamen für Aramide sind Nomex und Kevlar von DuPont, sowie Teijinconex, Twaron und dem para-Aramid-Copolymer Technora von Teijin.

Anfang der 50er Jahre wurden die ersten Aramide von P.W. Morgan bei DuPont entwickelt und Anfang der 60er Jahre kam Poly(m-phenylenterephthalamid) auf den Markt. Die Synthese von Poly(p-phenylenterephthalamid) wurden dann 1965 von Stephanie Kwolek ebenfalls bei DuPont entwickelt.

Aramide werden hauptsächlich als Fasern und seltener als Folien hergestellt. Die Fasern zeichnen sich durch sehr hohe Festigkeit, hohe Schlagzähigkeit, hohe Bruchdehnung und gute Schwingungsdämpfung aus. Sie sind darüber hinaus sehr hitze- und feuerbeständig. Aramide schmelzen bei hohen Temperaturen nicht, sondern beginnen ab etwa 400 °C zu verkohlen.

Synthese

Aramidprozess (Melliand Textilberichte 1982) von Blumberg/Hillermeier

Zwei „para“-Aramidpolymere mit Wasserstoffbrückenbindungen

Bei der Synthese der Aramiden wird meist von einem aromatischen Dicarbonsäurehalogenid und einem Phenylendiamin ausgegangen, so z. B. von Paraphenylendiamin und Terephthaloyldichlorid.

Polykondensation bei der Herstellung von PPTA

Die Synthese erfolgt nach der Schotten-Baumann-Methode bei Temperaturen im Bereich von 0 bis −40 °C, um Nebenreaktionen zu vermeiden. Als Lösungsmittel wird N-Methylpyrrolidon, Dimethylacetamid oder Tetramethylharnstoff verwendet, die mit Salzen wie beispielsweise Calciumchlorid versetzt sind.

Spinnen

Die Verarbeitung zu Fasern kann nur aus Lösungen erfolgen, da der Schmelzpunkt meist weit über dem thermischen Zersetzungspunkt liegt. Eine hohe Polymerkonzentration in der Spinnlösung ist vorteilhaft für die Filamentherstellung und kann zu hohen Orientierungen führen. Ein gutes Lösungsmittel für Aramide in hoher Konzentration und damit anisotropem Charakter ist konzentrierte Schwefelsäure. Der Weg des Direktspinnens aus der Polymerlösung hat sich nicht als praktikabel erwiesen, ökonomischer sind Polymere vom Typ para-orientierter, aromatischer Dicarbonsäuren und Diamine. Die Faserherstellung über Polykondensation und der Gebrauch von Schwefelsäure als Lösungsmittel wird im Bild gezeigt.

Der Spinnprozess ist der übliche klassische Nassspinnprozess. Die Verwendung eines Luftspalts zwischen Spinndüsen und Spinnbad, wie es u. a. vom Acryl-Spinnen her bekannt ist, hat Vorteile. Nach dem Trocknen hat das Garn eine hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul. In einer zweiten Prozessstufe kann das Garn bei Temperaturen von 300 bis 400 °C verstreckt werden. Dies führt zu einem noch höheren Modul bei gleicher Festigkeit und geringerer Bruchdehnung. Dieser Aramid-Fasertyp wird in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt.

Eigenschaften

p-Aramid-Gewebe mit charakteristischer goldgelber Farbe

Die Fasern haben, ähnlich wie Kohlenstofffasern, einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten in Faserrichtung, werden also bei Erwärmung kürzer und dicker. Ihre spezifische Festigkeit und ihr Elastizitätsmodul sind deutlich niedriger als jene von Kohlenstofffasern. In Verbindung mit dem positiven Ausdehnungskoeffizienten des Matrixharzes lassen sich hoch maßhaltige Bauteile fertigen. Gegenüber kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ist die Druckfestigkeit von Aramidfaser-Verbundwerkstoffen deutlich geringer; die Schlagzähigkeit aber wesentlich höher.

Aramide sind überaus hitzebeständig, sie überstehen problemlos Temperaturen über 370 °C ohne zu schmelzen und sind stark hitzeresistent.

Beim Umgang und der Verarbeitung muss auf die leichte Feuchtigkeitsaufnahme und die geringe UV-Beständigkeit Rücksicht genommen werden. Die Fasern verlieren bei UV-Einstrahlung (Sonnenlicht) ihre Festigkeit. Die Fasern können je nach Lagerung bis zu 7 % Wasser aufnehmen. Fasern mit einer zu hohen Feuchtigkeit können getrocknet werden. Zum Schneiden von Aramidfasern sind spezielle mikroverzahnte Schneidwerkzeuge notwendig. Auch die mechanische Bearbeitung fertiger Faserverbundbauteile erfolgt mit hochwertigen Bearbeitungswerkzeugen oder durch Wasserstrahlschneiden. Faserverbundteile werden in der Regel mit Epoxidharzen hergestellt.

Verwendung

• Poly(p-phenylenterephthalamid): para-Aramidfasern werden in Faser-Kunststoff-Verbunden verwendet. Sie dienen im Sicherheitsbereich als Splitterschutz, beschusshemmende Westen, Schutzhelme, Panzerungen für Fahrzeuge und Schnittschutzhandschuhe. Weiterhin werden sie in Faserverbundkunststoffen im Flugzeugbau, vor allem für den Bau von Segelflugzeugen verwendet. Bei nahezu allen modernen Strahltriebwerken kommen Aramidgewebe in der Triebwerksverkleidung vor. Aramidfasern werden als Asbestersatz in Brems- und Kupplungsbelägen und Dichtungen sowie als Verstärkungsmaterial zum Beispiel für Glasfaserkabel oder Gummimaterialien eingesetzt. Aramidgewebe kommen auch im Bauwesen zum Einsatz, unter anderem für Stadionüberdachungen.

Auch bei Sportgeräten werden wegen ihrer Zähigkeit und Zugfestigkeit und ihrer geringen Masse oft Aramidfasern verwendet, so zum Beispiel für Reepschnüre, Fangleinen bei Gleitschirmen, für Segel von Segelbooten. Bestimmte Fahrradreifen werden mit Aramideinlagen vor dem Eindringen von Glasscherben und ähnlichem geschützt. Faltreifen enthalten statt eines Drahtes ein Kevlargarn. Aufgrund der nicht ausreichenden Dehnfähigkeit im Falle eines Sturzes können Kletterseile nicht aus Aramid hergestellt werden.

• Poly(m-phenylenisophthalamid): Meta-Aramidfasern werden speziell für den Brandschutz eingesetzt. Sie sind in feuersicherer Bekleidung (etwa Schutzanzüge bei Feuerwehren, Rennfahrerkombi u. ä.) bekanntgeworden. Eine weitere Anwendung für Aramid ist die Verarbeitung im Faserverbundwerkstoffen zu Sandwich-Wabenkernen. Ein weites Anwendungsfeld für Aramidpapiere (Laminate mit Papier) ist zudem die Elektro-Isolation. Die Produkte werden als Deckschieber, Nutisolation und Phasenisolation in Elektromotoren sowie als Lagenisolation in Transformatoren eingesetzt.

Siehe auch

• Flüssigkristallpolymer

Literatur

• VDI-Gesellschaft Kunststoffe, Philip G. Rose und Karlheinz Hillermeier: Kohlenstoff- und aramidfaserverstärkte Kunststoffe. VDI-Verlag 1977
• Aramid-Prozess. Blumberg, Hillermeier, Krüger, Melliand Textilberichte, 1982
• Fachinformationszentrum Karlsruhe, Karlheinz Hillermeier, Ulrich Stöcker, Werner Damerau, Joachim Granal: Substitution von Asbest durch Aramidfasern... Bundesministerium für Forschung und Technologie. ISSN 0340-7608.
• Aramid Fibres as Substitute for Asbestos in Seals, Packings and Compensators H. Rohrens, K. Hillermeier - Magazin: Gummi Fasern Kunststoffe, 1984 - csa.com.

Weblinks

 Commons: Aramids – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien