アラミド

防弾チョッキ用アラミド糸のスプール
グラスファイバーとアラミドのハイブリッド生地

アラミド繊維、または芳香族ポリアミド繊維は、強力で耐熱性のある合成繊維の一種で、航空宇宙や軍事用途で一般的に使用されています。例えば、防弾チョッキ生地 や防弾複合材、海洋索具、船体補強材などです。また、アスベストの代替品として[ 1 ] 、携帯電話ケースやテニスラケットなどの軽量消費財にも使用されています。

アラミド鎖を形成する個々のアミド分子は繊維軸方向に重合し、結果として得られる繊維の構造的完全性を高めます。これは、ナイロンなどの他の合成繊維と比較して、物理的強度と耐熱性（融点＞500℃（932℉））に寄与する化学結合の割合が高いためです。

アラミド繊維の有名なブランドとしては、ケブラー、ノーメックス、トワロンなどがあります。

用語と化学構造

トワロンとケブラーの構造。芳香族環は六角形を呈し、2つのNH基または2つのCO基が交互に結合している。[ 2 ]各環の結合点は互いに正反対に位置しており、これはパラアラミドと呼ばれる構造の特徴である。

アラミドという用語は、芳香族ポリアミドの短縮形です。1972年に導入され、[ 3 ] 1974年に 米国連邦取引委員会によってナイロンとは異なる繊維の一般的なカテゴリーの名称として承認され、[ 4 ] [ 5 ] 1977年に国際標準化機構によって採択されました。

より長い用語である「芳香族」とは、6つの炭素原子からなる芳香環の存在を指します。アラミドでは、これらの環はそれぞれCO基とNH基が結合したアミド結合を介して結合しています。

FTCのアラミドの定義を満たすためには、[ 5 ]これらの結合の少なくとも85％が2つの芳香族環に結合されている必要があります。[ 6 ] 85％未満の場合は、その材料はナイロンとして分類されます。[ 5 ]

パラアラミドとメタアラミド

アラミドは、結合が環に結合している位置によって主に2つのタイプに分けられます。環の周りの炭素原子に番号を順に付けると、パラ型アラミドは結合が1位と4位に結合し、メタ型アラミドは結合が1位と3位に結合します。[ 7 ]つまり、パラ型アラミドでは結合点が正反対の位置に、メタ型アラミドでは結合点が2原子離れています。したがって、図はパラ型アラミドを示しています。

歴史

ケブラーブランドのアラミドロープ

芳香族ポリアミドは、1960年代初頭にデュポン社がHT-1として製造し、その後ノーメックスという商標名でメタ-アラミド繊維として初めて商業的に利用されました。[ 8 ]この繊維は、通常の衣料用繊維と同様に扱いやすく、通常の酸素レベルでは溶融も発火もしない優れた耐熱性が特徴です。 防護服、空気ろ過、断熱・電気絶縁材の製造、そしてアスベストの代替品として広く使用されています

メタ系アラミドは、オランダと日本ではテイジンアラミド社がテイジンコーネックス[ 8 ]という商標名で、東レがアラウィンという商標名で生産しているほか、中国では煙台大和社がニュースターという商標名で、SROグループがX-ファイパーという商標名で生産している。また、フランスではケルメル社がメタ系アラミドの変種をケルメルという商標名で生産している。

モンサント社とバイエル社による先行研究に基づき、1960年代と1970年代には、デュポン社とアクゾノーベル社が、レーヨン、ポリエステル、ナイロンの加工に関する知見を活かし、はるかに高い強度と弾性率を持つパラ系アラミド繊維を開発しました。1973年、デュポン社はパラ系アラミド繊維を初めて導入し、ケブラーと名付けました。これは現在でも最もよく知られているパラ系アラミド、あるいはアラミド繊維の一つです。

1978年、アクゾ社はほぼ同じ化学構造を持つ類似の繊維「トワロン」を発表しました。製造プロセスに関する先行特許をめぐり、アクゾ社とデュポン社は1980年代に特許紛争を繰り広げました。その後、トワロンは帝人アラミド社の傘下に入りました。2011年には、烟台大和社が中国で「タパラン」と呼ばれる類似の繊維を発表しました（「生産」参照）。

パラアラミドは、防弾のボディアーマー生地として、航空宇宙や軍事用途など、多くのハイテク用途で使用されています。

メタ系アラミド繊維とパラ系アラミド繊維はどちらもアラミド紙の製造に使用できます。アラミド紙は、電気絶縁材やハニカムコアの建設資材として使用されています。デュポン社は1960年代にノーメックス紙という名称でアラミド紙を製造していました。2007年には、煙台メタスター特殊紙がメタスター紙と呼ばれるアラミド紙を発表しました。デュポン社と煙台メタスター社はどちらもメタ系アラミド紙とパラ系アラミド紙を製造しています。

健康

ティルブルフの繊維博物館におけるアラミド繊維と炭素繊維製品の展示。右上から時計回りに：アラミド繊維と炭素繊維を組み合わせた編組繊維、様々な炭素繊維強化複合材料、炭素糸と織物、アラミドトワロン手袋、アラミド芯を持つ編組ガラス繊維ケーブル、アラミド糸

1990年代、アラミド繊維の試験管内試験では、「アスベストと同様に、上皮細胞に対して多くの影響（放射性標識ヌクレオチドのDNAへの取り込み増加やオルニチン脱炭酸酵素（ODC）活性の誘導など）を示す」ことが示され、発がん性の可能性が示唆されました。[ 9 ] しかし、2009年には、吸入したアラミド繊維は短くなり、体内から速やかに排出されるため、リスクはほとんどないことが示されました。[ 10 ]その後、研究著者は「本レビューはデュポン社と帝人アラミド社から委託・資金提供を受けたが、論文の内容と執筆については著者のみが責任を負う」と利益相反の訂正を行いました。[ 11 ]

生産

アラミド工程図

パラアラミドの世界の生産能力は、2002年には年間41,000トン（40,000ロングトン、45,000ショートトン）と推定され、毎年5～10％増加しています。[ 12 ] 2007年には、総生産能力は年間約55,000トンになります

ポリマーの製造

アラミドは一般的に、アミン基とカルボン酸ハロゲン化物基の反応によって製造されます。単純なABホモポリマーは、−(NH−C 6 H 4 −CO) n − という結合構造を持ちます

ケブラー、トワロン、ノーメックス、ニュースター、テイジンコーネックスなどのよく知られたアラミドポリマーは、ジアミンと二酸（または同等の化合物）の前駆体から製造されます。これらのポリマーは、芳香族サブユニット上の結合によってさらに分類できます。ノーメックス、テイジンコーネックス、ニュースターは主にメタ結合を含み、ポリメタフェニレンイソフタルアミド（MPIA）と呼ばれます。一方、ケブラーとトワロンはどちらもパラ結合を特徴としており、 パラフェニレンテレフタルアミド（PPTA）と呼ばれます。PPTAは、パラフェニレンジアミン（PPD）とテレフタロイルジクロリド（TDCまたはTCl）から生成されます。

PPTAの製造には、アミド基の水素結合を占有するイオン性成分（塩化カルシウム、CaCl 2 ）と、芳香族ポリマーを溶解する有機成分（ N-メチルピロリドン、NMP）を含む共溶媒が用いられます。このプロセスは、アクゾ社のレオ・フォルブラハト氏によって発明されました。発がん性のあるHMPT以外に、ポリマーを溶解する実用的な代替手段は未だ知られていません。NMP/CaCl 2系の使用は、アクゾ社とデュポン社の間で長期にわたる特許紛争を引き起こしました。

紡糸

ポリマーを製造した後、溶解したポリマーを液体の化学混合物から固体繊維に紡糸することでアラミド繊維が製造されます。PPTA紡糸用のポリマー溶媒は、通常、100％無水硫酸（H 2 SO 4） です

外観

その他の種類のアラミド

ノーメックスのようなメタアラミド繊維以外にも、アラミド繊維には様々な種類があります。これらは主に共ポリアミド型で、帝人によって開発され1976年に導入されたテクノーラというブランド名で最もよく知られています。テクノーラの製造工程では、PPDと3,4'-ジアミノジフェニルエーテル（3,4'-ODA）をテレフタロイルクロリド（TCl）と反応させます。[ 13 ] この比較的シンプルな工程では、使用するアミド溶媒は1種類だけであるため、ポリマー製造後すぐに紡糸を行うことができます。

アラミド繊維の特性

2006年6月、デルフザイル港のMVボーンホルム号で使用されたアラミドアンカーロープ

アラミド繊維は、超高分子量ポリエチレンなどの他の繊維と同様に高度な配向性を備えており、これがアラミド繊維の特性を支配する特徴です。

一般

  • 耐摩耗性に優れている
  • 有機溶剤に対する耐性が優れている
  • 非導電性
  • 非常に高い融点（>500℃（932℉））
  • 低可燃性
  • 高温でも生地の完全性が良好
  • 酸や塩に敏感
  • 紫外線に敏感
  • 仕上げを施さないと静電気が発生しやすい[ 14 ]

パラ系アラミド

用途

関連項目

パラアラミド

メタアラミド

その他

注記と参考文献

  1. ^ヒラーマイヤー、カールハインツ (1984). 「アスベスト代替としてのアラミドの展望」.テキスタイル・リサーチ・ジャーナル. 54 (9): 575– 580. doi : 10.1177/004051758405400903 . S2CID  136433442
  2. ^このタイプの図では炭素原子はラベル付けされていないため、CO 基はラベル付けされていないノードに付加されたOとしてのみ表示されます。
  3. ^ Gooch, JW編 (2006). 「アラミド」 .ポリマー百科事典. ニューヨーク: Springer. pp.  64– 65. doi : 10.1007/978-0-387-30160-0_760 . ISBN 978-0-387-31021-32021年9月16日閲覧
  4. ^ウィンゲート、イザベル・バーナム (1979).フェアチャイルドの繊維辞典. インターネットアーカイブ. ニューヨーク: フェアチャイルド出版. p. 25. ISBN 978-0-87005-198-2。{{cite book}}: CS1 maint: publisher location (link)
  5. ^ a b c商務慣行、第303部、 §303.7人工繊維の一般名と定義
  6. ^アラミド繊維の完全な定義は、「繊維形成物質が長鎖合成ポリアミドであり、そのアミド（ −C(=O)−NH−）結合の少なくとも85%が2つの芳香族環に直接結合している合成繊維」です。（構成は小さな図で示されており、便宜上、ここでは式で示されています。）
  7. ^位置1は、片方の鎖が接続されている点として単純に選ばれます。次に、リングの周りを最短方向に数えて、もう片方の鎖に到達します。
  8. ^ a bジェームズ・A・ケント編 (2006). 『工業化学とバイオテクノロジーハンドブック』 シュプリンガー. p.  483. ISBN 978-0-387-27842-1。
  9. ^ Marsh, JP; Mossman, BT; Driscoll, KE; Schins, RF; Borm, PJA (1994年1月1日). 「高強度合成繊維アラミドのin vitro呼吸器細胞への影響」. Drug and Chemical Toxicology . 17 (2): 75–92 . doi : 10.3109/01480549409014303 . PMID 8062644 
  10. ^ Donaldson, K. (2009年7月1日). 「パラアラミド繊維の吸入毒性」. Critical Reviews in Toxicology . 39 (6): 487– 500. CiteSeerX 10.1.1.468.7557 . doi : 10.1080/10408440902911861 . PMID 19545198. S2CID 6508943 .   
  11. ^ドナルドソン、ケン（2009年7月22日）. 「訂正：アラミド繊維の吸入毒性」 . Critical Reviews in Toxicology . 39 (6): 540. doi : 10.1080/10408440903083066 . S2CID 218987849 . 
  12. ^先進ポリマーマトリックス複合材料のための高性能構造繊維委員会、全米研究会議 (2005)。先進ポリマーマトリックス複合材料のための高性能構造繊維。全米科学アカデミー出版。34ページ。ISBN 978-0-309-09614-0。
  13. ^小澤 誠 (1987). 「高弾性率、高強度繊維への新たなアプローチ」 .ポリマージャーナル. 19 : 199. doi : 10.1295/ polymj.19.119
  14. ^ a b Kadolph, Sara J. Anna L. Langford (2002). 「Textiles」. Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, NJ .
  15. ^ Reisch, Marc S (2005). 「高性能繊維メーカーが軍事・安全保障分野の需要に応える」 . Chemical and Engineering News . 83 (31): 18– 22. doi : 10.1021/cen-v083n050.p018 .
  16. ^ 「アラミドケーブル」。FibreMax 。 2021年12月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。

さらに読む

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