Что такое нейлон: материалы, состав, свойства и применение

Подробный обзор нейлона: тип волокна, материал, его технические характеристики, преимущества и недостатки. Экспертные материалы от специалистов центра ПолиЛаб.

Нейлон (Polyamide, PA) — это общее название для семейства синтетических полимеров, относящихся к классу полиамидов. Синтетический полимерный материал выпускают как в виде прочного волокна (нити), так и в виде термопластичных гранул, из которых методом литья или экструзии получают высокопрочные конструкционные детали.

Эпоха нейлона ознаменовалась 28 февраля 1935 года, когда главным химиком американской компании DuPont Уоллесом Карозерсом впервые был синтезирован полигексаметиленадипамид, или Полиамид-66, получивший название нейлон. Есть две версии появления названия — по первым буквам названий городов New York и London, или по первым буквам Нью-Йоркской лаборатории New York Lab of Organic Nitrocompounds, но в большинстве словарей указывается, что нейлон — обычное придуманное слово. В 1938 году компания DuPont официально представила миру нейлон, а первые нейлоновые чулки поступили в продажу в 1940 году, вызвав настоящий ажиотаж. Немецкий химик Пауль Шлак в 1938 году синтезировал поликапролактам (Полиамид-6), ближайший технологический аналог нейлона, который был назван перлоном. Во время Второй мировой войны оба полиамида стали стратегически важным материалами, заменив шелк в парашютах, стропах и шинах.

Исторически термин «нейлон» относился только к полиамиду-66, однако в дальнейшем стал одним из общих названий индустриальных полиамидов наряду с множеством других торговых марок (Zytel, Durethan, Technyl, Akulon, Ultramid, Капрон, Анид и т. д.).

Нейлон выделяется исключительным сочетанием прочности, износостойкости и эластичности, что делает его универсальным в промышленности и быту. Сегодня глобальный рынок оценивают в 8,5 млн тонн с прогнозом дальнейшего роста.

Состав и структура

Химически нейлон — полиамид, гетероцепной полимер, в макромолекулах которого метиленовые группы (-CH2-)x регулярно чередуются с амидными группами (-CONH-). В отличие от полиолефинов межцепное взаимодействие усиливается за счет водородных связей между амидными группами соседних цепочек (см. рисунок), что обуславливает уникальные прочностные и технологические свойства полиамидов.

Основные мономеры: α,ω – аминокислоты или диамины с дикарбоновыми кислотами. Название конкретного типа прямо указывает на количество атомов углерода в мономерах, из которых он синтезирован.

Например, нейлон-6,6 (PA 66) получают из двух мономеров: гексаметилендиамина с 6 атомами углерода и адипиновой кислоты с 6 атомами углерода (4 в цепи + 2 в карбоксильных группах). Повторяющееся звено содержит 12 атомов углерода, но тип нейлона обозначается по числу углеродов в каждом из реагентов.

Большинство полиамидов являются кристаллизующимися полимерами (semi-crystalline). В твердом состоянии длинные цепи молекул стремятся упорядочиться с образованием кристаллических доменов, чередующихся с аморфными областями. Структура зависит от условий кристаллизации. При формовании волокон и нитей молекулы подвергаются ориентационной кристаллизации, образуя водородные связи между амидными группами.

Эта структура обеспечивает высокую прочность и эластичность: кристаллиты дают жесткость, аморфные зоны — упругость. Влага проникает в аморфные области, снижая модуль упругости до 50%, но повышая ударную вязкость. Максимальное водопоглощение алифатических полиамидов сильно зависит от их структуры и варьируется от 1,6% (ПА-12) до 9% (ПА-6).

Технология производства

Промышленные полиамиды производят за счет реакций поликонденсации (диаминов с дикарбоновыми кислотами; α,ω – аминокислот) и полимеризации (лактамов). Нейлон-6,6 синтезируют из «соли АГ» (кристаллической соли адипиновой кислоты и гексаметилендиамина) при 270–280 °C, поликонденсация сопровождается выделением воды из реакционной массы. При производстве нейлона-6 капролактам полимеризуют при 250–270 °C в присутствии катализатора (воды или кислоты). Подобным образом получают и другие полиамиды.

Полученный полимерный расплав далее перерабатывают в конечные формы:

• Гранулирование. Расплав выдавливают через фильеры, охлаждают и нарезают на мелкие гранулы. Эти гранулы являются сырьем для литья под давлением и экструзии;
• Волокнообразование (экструзия). Для производства волокна расплав полиамида продавливают через фильеру с множеством мельчайших отверстий;
• Вытягивание (ориентация). Сразу после формования нити подвергаются ориентационной вытяжке. Этот этап упорядочивает молекулярные цепи вдоль оси волокна, что многократно увеличивает его прочность, эластичность и снижает диаметр.

Типы и модификации

Многообразие типов материала обусловлено выбором исходных мономеров. Классификация ведется по номерам, отражающим химическую природу.

В качестве конструкционного термопласта нейлоны часто модифицируют добавками: стекловолокном (для увеличения жесткости и теплостойкости), антипиренами (для огнестойкости) или пластификаторами (для эластичности), эластомерами (для ударопрочности). Выбор модификации определяется конкретным требованием к нагрузке, температуре и условиям эксплуатации.

Основные свойства материала нейлон

• Высокая прочность на разрыв, износостойкость, эластичность и упругость, феноменальная стойкость к знакопеременным нагрузкам и ползучести;
• Температура длительной работоспособности до 150 °C (для термостабилизированных марок);
• Химически устойчив к маслам, бензину, щелочам, многим органическим растворителям;
• Диэлектрик, но накапливает статику в сухом виде.

Области применения

• Текстильная промышленность — одно из основных направлений: спортивная одежда, обувь, ковровые покрытия, промышленные ткани;
• Технические нити и кордные ткани для армирования автомобильных, авиационных шин, конвейерных лент; для тросов, канатов и сетеснастей;
• Применения в качестве конструкционных пластмасс, особенно армированные стекловолокном: нагруженные изделия и детали подкапотного пространства в автомобильной индустрии, корпуса, патрубки, разъемы, детали подшипников скольжения (сепараторы) и качения, втулки, крыльчатки;
• Трубы – промысловые и газораспределительные, топливные и гидравлические трубки, шланги, кабельная изоляция (нейлон-11 и 12);
• В электротехнике: корпуса электроинструмента, розетки, выключатели, изоляторы, крепеж;
• Бытовые изделия: нити для лесок, посуда, детали бытовой техники, вакуумные и пищевые пленки;
• 3D-печать (нейлон-11 и 12).

Преимущества и недостатки нейлона

Среди достоинств материала баланс прочности и эластичности, малый вес, стойкость к нефтепродуктам, и износу, легкость окрашивания. Стоимость при серийном производстве ниже, чем у металлов. Проблема стойкости к термо-и фотохимической деструкции легко решается вводом термо-и светостабилизаторов.

К минусам относится гигроскопичность, горючесть, чувствительность к гидролизу при T > 100 °C, пониженная стойкость к минеральным и некоторым органическим кислотам, более высокая цена в сравнении с полиолефинами и ПЭТФ.

Переработка и устойчивое развитие

Нейлон является термопластичным материалом, что делает его пригодным для механической переработки:

• Механическая переработка (рециклинг). Отходы измельчают, повторно расплавляют и формуют в новые изделия. Степень деградации полимера при каждом цикле расплавления ограничивает количество таких циклов;
• Химический рециклинг. Перспективное направление для полиамидов. Процесс включает химический гидролиз или гликолиз, который разлагает полимер обратно до исходных мономеров. Эти мономеры затем очищают и используют для синтеза первичного нейлона, бесконечно замыкая цикл.

ПолиЛаб развивает устойчивые технологии с фокусом на вторичном сырье для полимеров (rPET, rPE), внедряет производство замкнутого цикла. Экспертиза ПолиЛаб в импортозамещении ПВХ/ПЭ применима к полиамидам — рецептуры с наполнителями, добавки для снижения углеродного следа.

Заключение

Нейлон остается краеугольным камнем материаловедческой науки. Полиамид доказал незаменимость благодаря уникальному балансу прочности, упругости и химической стойкости, подкрепленному силой межмолекулярных водородных связей.