Нано и микроволокна из арамида

Арамид — это ароматический полиамид, синтетический полимер, в котором прочные ароматические кольца соединены амидными связями. Это придаёт материалу уникальные свойства:

Прочность на разрыв — в 5 раз выше, чем у стали при равной массе;
Высокая термостойкость;
Малый вес;
Гибкость и устойчивость к ударным нагрузкам.

Арамиды — не просто материал, а технологическая платформа для будущих инноваций. Основное назначение — получение сверхпрочных волокон. Получают их тремя основными методами: мокрое формование, сухое формование и гелевое прядение. Наиболее распространённый метод — мокрое формование из жидкокристаллического раствора. В результате получаются пучки из сотен непрерывных волокон. Ровинг из волокон имеет диаметр 0.1–1 мм. Обычно диаметр одиночного волокна 10–15 мкм. Оно, в свою очередь, состоит из структурных элементов — нано- и микрофибрилл с диаметром 0.1–1 мкм.

Нановолокна из арамида — это волокна с диаметром в диапазоне от 50 до 500 нанометров (0,05–0,5 мкм), что в 20–200 раз тоньше традиционного арамидного волокна (10–15 мкм). Они не являются просто уменьшенной копией арамидного волокна (Кевлара), а представляют собой новый класс материалов, получаемых с помощью передовых методов, таких как электропрядение (electrospinning). При этом получаются нановолокна длиной всего 2–3 мм. Масштабирование: электропрядение — медленный процесс, не подходит для массового производства. Однако представляет значительный интерес получить нано- и микроволокна арамида приемлемой длины для большего технологического применения.

На нашем предприятии проведена успешная дефибриллизация арамидных волокон с использованием ультразвука и раствора смачивающего полярного растворителя (диметилсульфоксид, DMSO). В результате получено микро- и нановолокно в виде перепутанной ваты с диаметром волокон 50–500 микрометров и длиной 50–70 мм.

Преимущества нановолокон

Преимущества нановолокон перед классическими арамидными волокнами — в их огромной удельной поверхности. Отсюда вытекают и области применения.

Основное применение микро- и нановолокон из арамида

Фильтрация. Улавливание тонких частиц, вирусов, дыма. Наноматы эффективны в респираторах нового поколения.
Защитная одежда. Многослойные ткани: микроволокна — прочность, нановолокна — барьер против химикатов и биоагентов; противопожарные набивки; одежда из нетканого полотна для пожарников.
Электроника. Диэлектрические подложки, изоляция в гибких печатных платах, суперконденсаторы.
Композиты. Нановолокна как «наноармирование» полимеров — повышают прочность и трещиностойкость.
Биомедицина. Каркасы для тканевой инженерии (ограниченно — из-за биосовместимости).
Антикоррозионные покрытия. Барьерные слои на металлах.

Мировые исследования и прорывы (на 2020–2024 гг.)

За рубежом проводятся интенсивные работы по поиску промышленных технологий получения и исследования микро- и нановолокон арамида.

Китай (2022): учёные из Цзилиньского университета впервые получили нановолокна из модифицированного Кевлара с помощью ионных жидкостей.
Россия (НИТУ «МИСиС»): разработаны гибридные наномембраны из арамида и оксида графена для защиты от химических угроз.
США (MIT, 2021): созданы прозрачные арамидные наноплёнки для защиты экранов и оптики.
Европа (Horizon Europe): проекты по созданию умных тканей с нановолокнами арамида и датчиками.

Ближайшие перспективы

Нанокомпозиты «next generation»: арамидные нановолокна + углеродные нанотрубки / графен + нановолокна из СВМПЭ + термореактивная смола.
3D-наноструктуры: каркасы для лёгких сверхпрочных материалов.
«Умные» защитные ткани: сенсоры напряжения, самовосстанавливающиеся покрытия.
Переработка: получение нановолокон из отработанных бронежилетов — экологичное вторичное использование.

На фото — микро- и нановолокна арамида, полученные на нашем предприятии (общий вид и макроснимок).

Вывод. Микро- и нановолокна из арамида — это новое поколение высокотехнологичных материалов, которое пока находится на стадии активных исследований, но уже демонстрирует огромный потенциал. Они не заменяют традиционные арамидные волокна, а дополняют их, расширяя функциональность: от сверхтонких фильтров до гибкой электроники.