Нейлон - Nylon

Нейлон 6,6
Плотность	1,15 г / см 3
Электропроводность (σ)	10 −12  См / м
Теплопроводность	0,25  Вт / (м · К )
Температура плавления	463–624 K 190–350 ° C 374–663 ° F

Нейлон - это общее обозначение семейства синтетических полимеров, состоящих из полиамидов ( повторяющиеся звенья, связанные амидными звеньями). Нейлон представляет собой подобный шелку термопласт , обычно изготавливаемый из нефти , который можно перерабатывать в расплаве в волокна, пленки или формы. Полимеры нейлона можно смешивать с широким спектром добавок для достижения множества различных вариаций свойств. Нейлоновые полимеры нашли широкое коммерческое применение в тканях и волокнах (одежда, полы и резиновая арматура), в формах (формованные детали для автомобилей, электрического оборудования и т. Д.) И в пленках (в основном для упаковки пищевых продуктов).

Нейлон был первым коммерчески успешным синтетическим термопластичным полимером. DuPont начала свой исследовательский проект в 1927 году. Первый образец нейлона ( нейлон 66 ) был синтезирован с использованием диаминов 28 февраля 1935 года Уоллесом Хьюмом Карозерсом в исследовательском центре DuPont на экспериментальной станции DuPont . В ответ на работу Карозерса 29 января 1938 года Пол Шлак из IG Farben разработал нейлон 6 , другую молекулу на основе капролактама .

Впервые нейлон был коммерчески использован в зубной щетке с нейлоновой щетиной в 1938 году, затем более известен в женских чулках или нейлоне, которые были показаны на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году и впервые коммерчески проданы в 1940 году, после чего они мгновенно приобрели коммерческий успех. миллионов пар продано в течение первого года их существования на рынке. Во время Второй мировой войны почти все производство нейлона было передано военным для использования в парашютах и парашютном шнуре . Использование нейлона и других пластиков в военное время значительно увеличило рынок новых материалов.

История

DuPont и изобретение нейлона

Компания DuPont, основанная Элеутером Ирене дю Пон , сначала производила порох, а затем краски на основе целлюлозы. После Первой мировой войны DuPont производила синтетический аммиак и другие химические вещества. DuPont начала экспериментировать с разработкой волокон на основе целлюлозы, в конечном итоге производя синтетическое волокно вискозы . Опыт DuPont с вискозой стал важным предшественником ее разработки и маркетинга нейлона.

Компания DuPont изобрела нейлон в течение одиннадцати лет - от первоначальной программы исследований полимеров в 1927 году до ее объявления в 1938 году, незадолго до открытия Всемирной выставки в Нью-Йорке в 1939 году . Проект вырос из новой организационной структуры DuPont, предложенной Чарльзом Стайном в 1927 году, в которой химический отдел будет состоять из нескольких небольших исследовательских групп, которые будут сосредоточены на «новаторских исследованиях» в химии и «приведут к практическим применениям». Инструктор из Гарварда Уоллес Хьюм Карозерс был нанят, чтобы руководить исследовательской группой полимеров. Первоначально ему было разрешено сосредоточиться на чистых исследованиях, опираясь на теории немецкого химика Германа Штаудингера и проверяя их . Он добился больших успехов, поскольку проводимые им исследования значительно расширили знания о полимерах и внесли свой вклад в науку.

Весной 1930 года Карозерс и его команда уже синтезировали два новых полимера. Одним из них был неопрен , синтетический каучук, широко использовавшийся во время Второй мировой войны. Другой был белой эластичной, но прочной пастой, которая позже стала нейлоном. После этих открытий команда Карозерса сместила свои исследования с более чистого исследовательского подхода, исследующего общую полимеризацию, на более практическую цель - найти «одну химическую комбинацию, пригодную для промышленного применения».

Только в начале 1935 года был наконец получен полимер под названием «полимер 6-6». Сотрудник Карозерса, выпускник Вашингтонского университета Джулиан У. Хилл использовал метод холодного волочения для производства полиэстера в 1930 году. Этот метод холодного волочения позже был использован Каротерсом в 1935 году для полной разработки нейлона. Первый образец нейлона (нейлон 6,6) был произведен 28 февраля 1935 года в исследовательском центре DuPont на экспериментальной станции DuPont. Он обладал всеми желаемыми свойствами эластичности и прочности. Однако для этого также требовался сложный производственный процесс, который в будущем стал бы основой промышленного производства. DuPont получила патент на полимер в сентябре 1938 года и быстро стала монополистом на это волокно. Карозерс умер за 16 месяцев до объявления о нейлоне, поэтому он так и не смог увидеть свой успех.

Производство нейлона требовало межведомственного сотрудничества между тремя отделами DuPont: отделом химических исследований, отделом аммиака и отделением района. Некоторые ключевые ингредиенты нейлона должны были быть произведены с использованием химии высокого давления , основной области знаний Департамента аммиака. Нейлон считался «находкой для Департамента аммиака», который испытывал финансовые затруднения. Реагенты нейлона вскоре составили половину продаж отдела аммиака и помогли им выйти из периода Великой депрессии , создав рабочие места и увеличив прибыль в DuPont.

Нейлоновый проект DuPont продемонстрировал важность химического машиностроения в промышленности, помог создать рабочие места и способствовал развитию технологий химического машиностроения. Фактически, он разработал химический завод, который обеспечил 1800 рабочих мест и использовал новейшие технологии того времени, которые до сих пор используются в качестве модели для химических заводов. Возможность быстро найти большое количество химиков и инженеров стала огромным вкладом в успех нейлонового проекта DuPont. Первый нейлон завод был расположен в Сифорде, штат Делавэр, начало коммерческого производства на 15 декабря 1939 года 26 октября 1995 года завод Seaford был назначен Национальным исторический памятник Химического от Американского химического общества .

Ранние маркетинговые стратегии

Важная часть популярности нейлона проистекает из маркетинговой стратегии DuPont. DuPont продвигала волокно для увеличения спроса до того, как продукт стал доступен для широкого рынка. Коммерческое объявление Нейлон произошла 27 октября 1938 года на заключительном заседании Herald Tribune ' S ежегодный „Форум по текущим проблемам“, на месте приближающегося Нью - Йорка мире выставки. «Первое искусственное органическое текстильное волокно», которое было получено из «угля, воды и воздуха» и обещало быть «прочным, как сталь, и тонким, как паутина», было встречено аудиторией с энтузиазмом, многие из которых были средними. класс женщин, и попал в заголовки большинства газет. Нейлон был представлен в рамках выставки «Мир завтрашнего дня» на Всемирной выставке в Нью-Йорке 1939 года и был представлен на выставке DuPont «Чудо-мир химии» на международной выставке Golden Gate в Сан-Франциско в 1939 году. Настоящие нейлоновые чулки не поставлялись избранным магазинов на национальном рынке до 15 мая 1940 года. Однако до этого было выпущено ограниченное количество для продажи в Делавэре. Первая публичная продажа нейлоновых чулок состоялась 24 октября 1939 года в Уилмингтоне, штат Делавэр. Было доступно 4000 пар чулок, и все они были проданы в течение трех часов.

Еще одним дополнительным бонусом к кампании стало сокращение импорта шелка из Японии, и этот аргумент убедил многих осторожных покупателей. Кабинет президента Рузвельта даже упомянул нейлон , который рассмотрел его «обширные и интересные экономические возможности» через пять дней после официального объявления материала.

Однако ранний ажиотаж по поводу нейлона также вызвал проблемы. Это подпитывало необоснованные ожидания, что нейлон будет лучше шелка, чудо-ткани, прочной, как сталь, которая прослужит вечно и никогда не истечет. Осознавая опасность таких заявлений, как «Новые чулочно-носочные изделия, прочные, как сталь» и «Больше не выпускаются», DuPont сократила сроки первоначального объявления, особенно те, в которых говорилось, что нейлон будет обладать прочностью стали.

Кроме того, руководители DuPont, рекламирующие нейлон как революционный искусственный материал, сначала не осознавали, что некоторые потребители испытывают чувство беспокойства и недоверия, даже страха, по отношению к синтетическим тканям. Особенно разрушительная новость, основанная на патенте DuPont 1938 года на новый полимер, предполагает, что одним из методов производства нейлона может быть использование кадаверина (пентаметилендиамина), химического вещества, извлекаемого из трупов. Хотя ученые утверждали, что кадаверин также извлекали путем сжигания угля, публика часто отказывалась слушать. Женщина столкнулась с одним из ведущих ученых DuPont и отказалась признать, что слухи не соответствовали действительности.

DuPont изменила стратегию своей кампании, подчеркнув, что нейлон производится из «угля, воздуха и воды», и сосредоточила внимание на личных и эстетических аспектах нейлона, а не на его внутренних качествах. Таким образом, был одомашнен нейлон, и внимание переключилось на материал и потребительский аспект волокна с лозунгами вроде «Если это нейлон, он красивее и ох! Как быстро он сохнет!».

Производство нейлоновой ткани

После общенационального выпуска нейлона в 1940 году производство было увеличено. В 1940 году было произведено 1300 тонн ткани. За первый год на рынке было продано 64 миллиона пар нейлоновых чулок. В 1941 году второй завод был открыт в Мартинсвилле, штат Вирджиния, благодаря успеху ткани.

Хотя нейлон продавался как прочный и неразрушимый материал, он продавался почти в два раза дороже шелковых чулок (4,27 доллара за фунт нейлона против 2,79 доллара за фунт шелка). Продажи нейлоновых чулок были высокими отчасти из-за изменений в женской моде. Как объясняет Лорен Олдс: «к 1939 году [подол] снова поднялся до колен, завершив десятилетие так же, как оно началось». Более короткие юбки сопровождались спросом на чулки, которые обеспечивали более полную защиту без использования подвязок, чтобы удерживать их.

Однако с 11 февраля 1942 года производство нейлона было перенаправлено из потребительского материала в военный. DuPont прекратила производство нейлоновых чулок и другого нижнего белья, и большая часть произведенного нейлона использовалась для изготовления парашютов и палаток во время Второй мировой войны . Хотя нейлоновые чулки, уже сделанные до войны, можно было купить, они обычно продавались на черном рынке по цене до 20 долларов.

Когда война закончилась, с нетерпением ждали возвращения нейлона. Хотя DuPont прогнозировала ежегодное производство 360 миллионов пар чулок, возникли задержки с переходом на потребительское, а не на военное производство. В 1946 году спрос на нейлоновые чулки не мог быть удовлетворен, что привело к нейлоновым бунтам . В одном случае около 40 000 человек выстроились в очередь в Питтсбурге, чтобы купить 13 000 пар нейлоновых чулок. Тем временем женщины разрезают оставленные с войны нейлоновые палатки и парашюты, чтобы шить блузки и свадебные платья. С конца войны до 1952 года для производства чулок и нижнего белья использовалось 80% мирового нейлона. DuPont сосредоточила внимание на удовлетворении гражданского спроса и постоянно расширяла производство.

Введение нейлоновых смесей

По мере того, как чулочно-носочные изделия из чистого нейлона продавались на более широком рынке, проблемы становились очевидными. Нейлоновые чулки оказались хрупкими в том смысле, что нить часто растягивалась по длине, создавая «потеки». Люди также сообщали, что чистый нейлоновый текстиль может быть неудобным из-за его недостаточной впитывающей способности. Влага оставалась внутри ткани рядом с кожей в жарких или влажных условиях, вместо того, чтобы «уноситься». Нейлоновая ткань также может вызывать зуд, прилипание и иногда искрение в результате статического электрического заряда, создаваемого трением. Кроме того, при некоторых условиях чулки могут разлагаться, превращаясь обратно в исходные компоненты нейлона: воздух, уголь и воду. Ученые объяснили это загрязнением воздуха, связав это с лондонским смогом 1952 года, а также плохим качеством воздуха в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе.

Решение проблем с чистой нейлоновой тканью состояло в том, чтобы смешать нейлон с другими существующими волокнами или полимерами, такими как хлопок , полиэстер и спандекс . Это привело к развитию широкого спектра смесовых тканей. Новые смеси нейлона сохранили желаемые свойства нейлона (эластичность, долговечность, способность окрашивать) и сделали одежду низкими и доступными. С 1950 года Агентство по закупкам квартирмейстера Нью-Йорка (NYQMPA), которое разработало и испытало ткани для армии и флота, взяло на себя обязательство разработать смесь шерсти и нейлона. Не только они представили смеси как натуральных, так и синтетических волокон. Американский текстильный репортер назвал 1951 год «Годом смешивания волокон». Смеси тканей включали такие смеси, как «Бунара» (шерсть-кролик-нейлон) и «Касмет» (шерсть-нейлон-мех). В Великобритании в ноябре 1951 года в речи на открытии 198-й сессии Королевского общества поощрения искусства, производства и торговли было сосредоточено внимание на смешивании текстильных изделий.

Отдел разработки тканей DuPont ловко нацелился на французских модельеров, снабдив их образцами тканей. В 1955 году такие дизайнеры, как Коко Шанель , Жан Пату и Кристиан Диор, показали платья, созданные из волокон DuPont, а фотограф моды Хорст П. Хорст был нанят, чтобы задокументировать использование ими тканей DuPont. American Fabrics считала, что смеси открывают «творческие возможности и новые идеи для моды, о которых раньше даже не мечтали».

Происхождение названия

DuPont прошел через обширный процесс создания названий для своего нового продукта. В 1940 году Джон У. Эккельберри из DuPont заявил, что буквы «nyl» были произвольными, а «on» было скопировано с суффиксов других волокон, таких как хлопок и вискоза . В более поздней публикации DuPont ( Context , vol. 7, no. 2, 1978) объяснялось, что изначально предполагалось, что это название будет "No-Run" ("run", что означает "распутывать"), но было изменено, чтобы избежать такого необоснованная претензия. Поскольку продукты не были действительно устойчивыми к запуску, гласные были заменены местами, чтобы получить «нурон», который был изменен на «нилон», «чтобы он не звучал как тонизирующее средство для нервов». Для ясности произношения букву «i» заменили на «y».

Существует стойкая городская легенда о том, что название происходит от «Нью-Йорк» и «Лондон»; однако ни одна организация в Лондоне никогда не занималась исследованиями и производством нейлона.

Долгосрочная популярность

Несмотря на нехватку нефти в 1970-х годах, потребление нейлоновых тканей продолжало расти на 7,5% в год в период с 1960-х по 1980-е годы. Однако общее производство синтетических волокон упало с 63% мирового текстильного производства в 1965 году до 45% мирового текстильного производства в начале 1970-х годов. Привлекательность «новых» технологий сошла на нет, и нейлоновая ткань «вышла из моды в 1970-е годы». Кроме того, потребителей стали беспокоить экологические издержки на протяжении всего производственного цикла: получение сырья (масла), использование энергии во время производства, отходы, образующиеся при создании волокна, и возможное удаление отходов материалов, не поддающихся биологическому разложению. Синтетические волокна не доминировали на рынке с 1950-х и 1960-х годов. По состоянию на 2020 год мировое производство нейлона оценивается в 8,9 миллиона тонн. Как одно из крупнейших семейств инженерных полимеров, мировой спрос на нейлоновые смолы и компаунды в 2013 году оценивался примерно в 20,5 млрд долларов США. Ожидается, что к 2020 году рынок достигнет 30 млрд долларов США при среднем ежегодном росте на 5,5%.

Хотя чистый нейлон имеет много недостатков и в настоящее время используется редко, его производные сильно повлияли на общество и внесли свой вклад в его развитие. От научных открытий, касающихся производства пластмасс и полимеризации, до экономического воздействия во время депрессии и изменения женской моды, нейлон был революционным продуктом. Флаг Ассамблея Lunar , первый флаг посадил на Луне в символическом жесте торжества, была сделана из нейлона. Сам флаг стоил 5,50 доллара, но должен был иметь специально разработанный флагшток с горизонтальной перекладиной, чтобы он выглядел «летящим». Один историк описывает нейлон как «объект желания», сравнивая изобретение с кока-колой в глазах потребителей 20-го века.

Химия

Внешнее видео
"Making Nylon" , Боб Берк, CHEM 1000, Карлтонский университет, Оттава, Канада
"Изготовление нейлона 6,6"
«Производство нейлона» , Королевское химическое общество
«Производство нейлона и вискозы, 1949» , Encyclopedia Britannica Films

Нейлоны представляют собой конденсационные полимеры или сополимеры , образованные реакцией бифункциональных мономеров, содержащих равные части амина и карбоновой кислоты , так что амиды образуются на обоих концах каждого мономера в процессе, аналогичном полипептидным биополимерам . Большинство нейлонов получают в результате реакции дикарбоновой кислоты с диамином (например, PA66), лактамом или аминокислотой с самим собой (например, PA6). В первом случае «повторяющееся звено» состоит из одного мономера каждого мономера, так что они чередуются в цепи, подобно так называемой структуре ABAB полиэфиров и полиуретанов . Поскольку каждый мономер в этом сополимере имеет одну и ту же реактивную группу на обоих концах, направление амидной связи между каждым мономером меняется на противоположное, в отличие от природных полиамидных белков , которые имеют общую направленность: С-конец  → N-конец . Во втором случае (так называемый AA) повторяющееся звено соответствует одиночному мономеру.

Номенклатура

В общем случае приставка «PA» ( полиамид ) или название «нейлон» взаимозаменяемы и эквивалентны по значению.

Номенклатура, используемая для нейлоновых полимеров, была разработана во время синтеза первых простых алифатических нейлонов и использует числа для описания количества атомов углерода в каждой мономерной единице, включая углерод (атомы) карбоновой кислоты (кислот). Последующее использование циклических и ароматических мономеров потребовало использования букв или наборов букв. Одно число после "PA" или "Nylon" указывает на гомополимер, который является монадным или основан на одной аминокислоте (минус H ₂ O) в качестве мономера:

PA 6 или нейлон 6: [NH- (CH ₂ ) ₅ -CO] _n, изготовленный из ε-капролактама.

Две цифры или наборы букв обозначают диадический гомополимер, образованный из двух мономеров: одного диамина и одной дикарбоновой кислоты. Первое число указывает количество атомов углерода в диамине. Два числа следует разделять запятой для ясности, но запятую часто опускают.

PA или нейлон 6,10 (или 610): [NH- (CH ₂ ) ₆ -NH-CO- (CH ₂ ) ₈ -CO] _n, полученный из гексаметилендиамина и себациновой кислоты ;

Для сополимеров сомономеры или пары сомономеров разделены косой чертой:

PA 6/66: [NH- (CH ₂ ) ₆ -NH-CO- (CH ₂ ) ₄ -CO] _n - [NH- (CH ₂ ) ₅ -CO] _m, полученный из капролактама, гексаметилендиамина и адипиновой кислоты;

PA 66/610: [NH- (CH ₂ ) ₆ -NH-CO- (CH ₂ ) ₄ -CO] _n - [NH- (CH ₂ ) ₆ -NH-CO- (CH ₂ ) ₈ -CO] _m изготовлен из гексаметилендиамина, адипиновой кислоты и себациновой кислоты.

Термин полифталамид (сокращенно PPA) используется, когда 60% или более молей карбоновой кислоты повторяющегося звена в полимерной цепи состоит из комбинации терефталевой кислоты (TPA) и изофталевой кислоты (IPA).

Виды нейлона

Нейлон 66

Уоллес Карозерс из DuPont запатентовал нейлон 66 с использованием амидов. В случае нейлонов, которые включают реакцию диамина и дикарбоновой кислоты, трудно получить точные пропорции, и отклонения могут привести к обрыву цепи при молекулярной массе менее желательных 10 000 дальтон ( u ). Для преодоления этой проблемы кристаллический , твердый «нейлон соль » может быть образована при комнатной температуре , используя точную 1: 1 соотношение от кислоты и основания , чтобы нейтрализовать друг друга. Соль кристаллизуют, чтобы очистить ее и получить желаемую точную стехиометрию. При нагревании до 285 ° C (545 ° F) соль вступает в реакцию с образованием нейлонового полимера с образованием воды.

Нейлон 6

Синтетический путь с использованием лактамов (циклических амидов) был разработан Полом Шлаком из IG Farben , что привело к нейлону 6 или поликапролактаму, образованному полимеризацией с раскрытием цикла . Пептидная связь внутри капролактама разрывается, и открытые активные группы с каждой стороны включаются в две новые связи, поскольку мономер становится частью основной цепи полимера.

Температура плавления 428 ° F (220 ° C) нейлона 6 ниже, чем точка плавления 509 ° F (265 ° C) нейлона 66 .

Нейлон 510

Нейлон 510, изготовленный из пентаметилендиамина и себациновой кислоты, был включен в патент Карозерса на найлон 66 и имеет превосходные свойства, но более дорогой в производстве. В соответствии с этим соглашением о наименовании, «нейлон 6,12» или «PA 612» представляет собой сополимер диамина 6C и двухосновной кислоты 12C. Аналогично для PA 510 PA 611; PA 1012 и т.д. Другие нейлоны включают сополимеризованные продукты дикарбоновой кислоты / диамина, которые не основаны на мономерах, перечисленных выше. Например, некоторые полностью ароматические нейлоны (известные как « арамиды ») полимеризуются с добавлением двухосновных кислот, таких как терефталевая кислота (→ кевлар , тварон ) или изофталевая кислота (→ Nomex ), которые чаще связаны с полиэфирами. Есть сополимеры ПА 66/6; сополимеры ПА 66/6/12; и другие. В общем, линейные полимеры являются наиболее подходящими, но можно ввести ответвления в нейлон путем конденсации дикарбоновых кислот с полиаминами, имеющими три или более аминогрупп .

Общая реакция:

Испускаются две молекулы воды и образуется нейлон. Его свойства определяются группами R и R 'в мономерах. В нейлоне 6,6 R = 4C и R '= 6C алканы , но нужно также включить два карбоксильных атома углерода в двухосновную кислоту, чтобы получить количество, которое она передает цепи. В кевларе как R, так и R 'представляют собой бензольные кольца.

Промышленный синтез обычно осуществляется путем нагревания кислот, аминов или лактамов для удаления воды, но в лаборатории хлориды двухосновных кислот могут реагировать с диаминами. Например, популярной демонстрацией межфазной полимеризации (« трюк с нейлоновой веревкой ») является синтез нейлона 66 из адипоилхлорида и гексаметилендиамина.

Нейлон 1,6

Нейлоны также можно синтезировать из динитрилов с использованием кислотного катализа. Например, этот метод применим для получения нейлона 1,6 из адипонитрила , формальдегида и воды. Кроме того, этим методом можно синтезировать найлоны из диолов и динитрилов.

Мономеры

Мономеры нейлона производятся различными способами, начиная в большинстве случаев из сырой нефти, но иногда из биомассы. Те, что находятся в текущем производстве, описаны ниже.

Аминокислоты и лактамы

• ε-капролактама: Сырая нефть → бензол → циклогексан → циклогексанон → циклогексанон оксим → капролактам
• 11-аминоундекановая кислота : касторовое масло → рицинолеиновая кислота → метилрицинолеат → метил-11-ундеценоат → ундеценовая кислота → 11-ундеценовая кислота → 11-бромундекановая кислота → 11-аминоундекановая кислота
• Лауролактам : бутадиен → циклододекатриен → циклододекан → циклододеканон → оксим циклододеканона → лауролактам

Диациды

• Адипиновая кислота : сырая нефть → бензол → циклогексан → циклогексанон + циклогексанол → адипиновая кислота
• Себациновая кислота (декандиовая кислота): касторовое масло → рицинолевая кислота → себациновая кислота.
• Додекандиовая кислота : Бутадиен → Цилоклододекатриен → циклододекан → (окисление) → Додекандиовая кислота
• Терефталевая кислота : сырая нефть → п-ксилол → терефталевая кислота
• Изофталевая кислота : сырая нефть → м-ксилол → изофталевая кислота

Диамины

Могут использоваться различные диаминовые компоненты, полученные из различных источников. Большинство из них - это нефтехимия , но также разрабатываются материалы на биологической основе .

• Тетраметилендиамин ( путресцин ): сырая нефть → пропилен → акрилонитрил → сукцинонитрил → тетраметилендиамин
• Гексаметилендиамин (HMD): сырая нефть → бутадиен → адипонитрил → гексаметилендиамин
• 1,9-диаминононан: сырая нефть → бутадиен → 7-октен-1-ал → 1,9-нонандиал → 1,9-диаминононан
• 2-метилпентаметилендиамин: побочный продукт производства HMD
• Триметилгексаметилендиамин (TMD): сырая нефть → пропилен → ацетон → изофорон → TMD
• м-ксилилендиамин (MXD): сырая нефть → м-ксилол → изофталевая кислота → изофталонитрил → м-ксилилендиамин
• 1,5-пентандиамин ( кадаверин ) (PMD): крахмал (например, маниока ) → глюкоза → лизин → PMD.

Полимеры

Из-за большого количества диаминов, двухосновных кислот и аминокислот, которые могут быть синтезированы, многие полимеры нейлона были получены экспериментально и охарактеризованы в различной степени. Меньшее количество было увеличено и предложено на коммерческой основе, и они подробно описаны ниже.

Гомополимеры

Гомополимерные нейлоны, полученные из одного мономера

Мономер	Полимер
Капролактам	6
11-аминоундекановая кислота	11
ω-аминолауриновая кислота	12

Примеры этих полимеров, которые имеются или были коммерчески доступны

• PA6 Lanxess Durethan B
• PA11 Аркема Рилсан
• PA12 Эвоник Вестамид L

Гомополимерные полиамиды, полученные из пар диаминов и двухосновных кислот (или производных двухосновных кислот). В приведенной ниже таблице показаны полимеры, которые предлагаются или предлагаются на рынке либо в виде гомополимеров, либо как часть сополимера.

Промышленные гомополимерные полиамиды

	1,4-диаминобутан	1,5-диаминопентан	MPMD	HMD	MXD	Нонандиамин	Декандиамин	Додекандиамин	Бис (пара-аминоциклогексил) метан	Триметилгексаметилендиамин
Адипиновая кислота	46		D6	66	MXD6
Себациновая кислота	410	510		610			1010
Додекандиовая кислота				612				1212	PACM12
Терефталевая кислота	4Т		DT	6Т		9 т	10 т	12 т		TMDT
Изофталевая кислота			DI	6I

Примеры этих полимеров, которые имеются или были коммерчески доступны

• PA46 DSM Станил
• PA410 DSM Ecopaxx
• PA4T DSM Четыре Tii
• PA66 DuPont Zytel

Сополимеры

Легко приготовить смеси мономеров или наборы мономеров, используемых для получения нейлонов, для получения сополимеров. Это снижает кристалличность и, следовательно, может снизить температуру плавления.

Некоторые сополимеры, которые были или имеются в продаже, перечислены ниже:

• PA6 / 66 DuPont Zytel
• PA6 / 6T BASF Ultramid T (сополимер 6 / 6T)
• PA6I / 6T DuPont Selar PA
• PA66 / 6T DuPont Zytel HTN
• PA12 / MACMI EMS Гриламид TR

Смеси

Большинство нейлоновых полимеров смешиваются друг с другом, что позволяет создавать самые разные смеси. Два полимера могут реагировать друг с другом путем переамидирования с образованием статистических сополимеров.

По степени кристалличности полиамиды могут быть:

• пол - кристаллический :
  • высокая кристалличность: PA46 и PA66;
  • низкая кристалличность: PAMXD6, полученный из м-ксилилендиамина и адипиновой кислоты;
• аморфный : PA6I, полученный из гексаметилендиамина и изофталевой кислоты.

Согласно этой классификации, например, PA66 представляет собой алифатический полукристаллический гомополиамид.

Гидролиз и разложение

Все нейлоны подвержены гидролизу , особенно сильными кислотами , реакция, по существу, обратная реакции синтеза, показанной выше. Молекулярная масса нейлоновых продуктов , так нападению капель, а трещины быстро образуются на пораженных зонах. Нижние элементы нейлона (например, нейлон 6) подвергаются большему воздействию, чем более высокие элементы, такие как нейлон 12. Это означает, что нейлоновые детали нельзя использовать в контакте с серной кислотой, например, с электролитом, используемым в свинцово-кислотных аккумуляторах .

При формовании нейлон необходимо сушить, чтобы предотвратить гидролиз в цилиндре формовочной машины, поскольку вода при высоких температурах также может разрушить полимер. Реакция бывает типа:

Воздействие на окружающую среду, сжигание и переработка

Бернерс-Ли подсчитал, что средний выброс парниковых газов при производстве ковров из нейлона составляет 5,43 кг эквивалента CO ₂ на кг при производстве в Европе. Это дает почти такой же углеродный след, что и шерсть , но с большей прочностью и, следовательно, с меньшим общим углеродным следом.

Согласно данным, опубликованным PlasticsEurope, для нейлона 66 выброс парниковых газов составляет 6,4 кг эквивалента CO ₂ на кг, а потребление энергии составляет 138 кДж / кг. При рассмотрении воздействия нейлона на окружающую среду важно учитывать этап использования. В частности, когда автомобили легкие, достигается значительная экономия расхода топлива и выбросов CO ₂ .

Различные нейлоны разрушаются в огне и образуют опасный дым, а также токсичные пары или пепел, обычно содержащие цианистый водород . Сжигание нейлона для восстановления энергии, используемой для их создания, обычно обходится дорого, поэтому большинство нейлонов попадает на свалки и медленно разлагается. Выброшенная нейлоновая ткань разлагается через 30–40 лет. Нейлон, используемый в выброшенных орудиях лова, таких как рыболовные сети, способствует образованию мусора в океане. Нейлон - это прочный полимер, который хорошо поддается переработке. Большая часть нейлоновой смолы перерабатывается непосредственно в замкнутом контуре на литьевой машине, путем измельчения литников и направляющих и их смешивания с первичными гранулами, потребляемыми формовочной машиной.

Из-за дороговизны и трудностей процесса рециркуляции нейлона немногие компании используют его, в то время как большинство предпочитают использовать для своей продукции более дешевые новые пластмассы. Американская швейная компания Patagonia выпускает изделия, содержащие переработанный нейлон, и в середине 2010-х годов инвестировала в Bureo, компанию, которая перерабатывает нейлон из использованных рыболовных сетей для использования в солнцезащитных очках и скейтбордах. Итальянская компания Aquafil также продемонстрировала переработку рыболовных сетей, потерянных в океане, в одежду. Vanden Recycling перерабатывает нейлон и другие полиамиды (PA) и имеет предприятия в Великобритании, Австралии, Гонконге, ОАЭ, Турции и Финляндии.

На сегодняшний день нейлон - самый популярный тип волокна в производстве ковровых покрытий для жилых помещений. По оценкам Агентства по охране окружающей среды США , 9,2% коврового волокна, основы и набивки было переработано в 2018 году, 17,8% было сожжено на объектах по переработке отходов , а 73% было выброшено на свалки . Некоторые из крупнейших в мире производителей ковров и ковров продвигают «от колыбели до колыбели» - повторное использование материалов, не являющихся первичными, в том числе материалов, которые исторически не перерабатывались, - как путь развития отрасли.

Объемные свойства

Выше их температура плавления , T _м , термопласты , такие как нейлон являются аморфными твердыми веществами или вязкие жидкости , в которых цепь приближенные случайные катушек . Ниже T _m аморфные области чередуются с областями, которые представляют собой пластинчатые кристаллы . Аморфные области вносят вклад в эластичность, а кристаллические области вносят вклад в прочность и жесткость. В плоской амид (-CO-NH-) группы очень полярные , поэтому нейлоновые формы несколько водородных связей между смежными прядями. Поскольку нейлоновая основная цепь настолько правильная и симметричная, особенно если все амидные связи находятся в транс- конфигурации , нейлоны часто имеют высокую кристалличность и дают отличные волокна. Степень кристалличности зависит от деталей формирования, а также от вида нейлона.

Нейлон 66 может иметь несколько параллельных цепей, выровненных с соседними пептидными связями с координированным разделением ровно 6 и 4 атомов углерода на значительную длину, поэтому атомы кислорода карбонила и амидные атомы водорода могут выстраиваться в линию для многократного образования межцепочечных водородных связей без разрыва (см. Рисунок напротив ). Нейлон 510 может иметь скоординированные серии с 5 и 8 атомами углерода. Таким образом, параллельные (но не антипараллельные) пряди могут участвовать в протяженных, неразрывных, многоцепочечных β-складчатых листах , прочной и жесткой надмолекулярной структуре, подобной той, которая обнаруживается в натуральном фиброине шелка и β-кератинах в перьях . (Белки имеют только аминокислотный α-углерод, разделяющий последовательные группы -CO-NH-.) Нейлон 6 будет формировать непрерывные Н-связанные листы со смешанной направленностью, но складки β-листов несколько отличаются. Трехмерное расположение каждой углеводородной цепи алкана зависит от поворота тетраэдрических связей 109,47 ° однократно связанных атомов углерода.

При экструзии в волокна через поры в промышленной фильере отдельные полимерные цепи имеют тенденцию выравниваться из-за вязкого течения . Если впоследствии подвергнуть холодному волочению , волокна выравниваются, увеличивая свою кристалличность, и материал приобретает дополнительную прочность на разрыв . На практике нейлоновые волокна чаще всего вытягивают с помощью нагретых валков на высоких скоростях.

Блочный нейлон имеет тенденцию быть менее кристаллическим, за исключением участков вблизи поверхностей из-за сдвиговых напряжений во время формования. Нейлон прозрачный и бесцветный или молочный, но легко окрашивается . Многопроволочный нейлоновый шнур и веревка скользкие и имеют свойство распутываться. Концы можно оплавить и оплавить с помощью источника тепла, такого как пламя или электрод, чтобы предотвратить это.

Нейлон гигроскопичен и впитывает или десорбирует влагу в зависимости от влажности окружающей среды. Изменения содержания влаги оказывают на полимер несколько эффектов. Во-первых, изменятся размеры, но, что более важно, влага действует как пластификатор, понижая температуру стеклования ( T _g ) и, следовательно, модуль упругости при температурах ниже T _g.

В высохшем состоянии полиамид является хорошим электроизоляционным материалом. Однако полиамид гигроскопичен . Поглощение воды изменит некоторые свойства материала, такие как его электрическое сопротивление . Нейлон менее впитывает, чем шерсть или хлопок.

Характеристики

К характерным особенностям нейлона 6,6 можно отнести:

• Складки и складки можно термофиксировать при более высоких температурах.
• Более компактная молекулярная структура
• Лучшие погодоустойчивые свойства; лучшая устойчивость к солнечному свету
• Более мягкая «Рука»
• Высокая температура плавления (256 ° C, 492,8 ° F)
• Превосходная стойкость цвета
• Отличная стойкость к истиранию

С другой стороны, нейлон 6 легко окрашивается, легче тускнеет; он имеет более высокую ударопрочность, более быстрое впитывание влаги, большую эластичность и упругое восстановление.

• Вариация блеска: нейлон может быть очень блестящим, полуматым или тусклым.
• Прочность: его высокопрочные волокна используются для ремней безопасности, шинных кордов, баллистической ткани и других целей.
• Высокое удлинение
• Отличная стойкость к истиранию
• Высокая эластичность (нейлоновые ткани термофиксированы)
• Проложили путь к одежде, не требующей особого ухода
• Высокая устойчивость к насекомым, грибкам, животным, а также к плесени, плесени, гнили и многим химическим веществам.
• Используется в коврах и нейлоновых чулках.
• Тает вместо того, чтобы гореть
• Используется во многих военных приложениях
• Хорошая удельная сила
• Прозрачен для инфракрасного света (-12 дБ)

Воспламеняемость

Нейлоновая одежда, как правило, менее горючая, чем хлопок и вискоза, но нейлоновые волокна могут плавиться и прилипать к коже.

Использование нейлона

Впервые нейлон был коммерчески использован в зубной щетке с нейлоновой щетиной в 1938 году, затем более известен в женских чулках или нейлоне, которые были показаны на Всемирной выставке 1939 года в Нью-Йорке и впервые коммерчески проданы в 1940 году. Его использование резко возросло во время Второй мировой войны. когда потребность в тканях резко возросла.

Нейлоновые волокна

Билл Питтендрей , DuPont и другие частные лица и корпорации в течение первых нескольких месяцев Второй мировой войны усердно работали, чтобы найти способ заменить азиатский шелк и коноплю нейлоном в парашютах. Из него также шили шины , палатки , веревки , пончо и другие военные принадлежности. Его даже использовали при производстве высококачественной бумаги для валюты США . В начале войны хлопок составлял более 80% всех используемых и производимых волокон , а шерстяные волокна составляли почти все остальное. К августу 1945 года промышленные волокна заняли 25% рынка за счет хлопка. После войны из-за нехватки шелка и нейлона нейлоновый парашютный материал иногда использовался для изготовления платьев.

Волокна нейлона 6 и 66 используются в производстве ковров .

Нейлон - это один из видов волокон, используемых в шинном корде . Герман Э. Шредер первым применил нейлон в шинах.

Формы и смолы

Нейлоновые смолы широко используются в автомобильной промышленности, особенно в моторном отсеке.

Формованный нейлон используется в гребнях для волос и механических деталях, таких как крепежные винты , шестерни , прокладки и другие компоненты с низким и средним напряжением, ранее отлитые из металла. Технический нейлон обрабатывается методом экструзии , литья и литья под давлением . Тип 6,6 Нейлон 101 является наиболее распространенным товарным сортом нейлона, а Нейлон 6 - наиболее распространенным товарным сортом формованного нейлона. Для использования в таких инструментах, как лопатки , нейлон доступен в вариантах со стеклянным наполнением, которые увеличивают конструктивную и ударную прочность и жесткость, и варианты с наполнителем из дисульфида молибдена, которые увеличивают смазывающую способность . Нейлон можно использовать в качестве материала матрицы в композитных материалах с армирующими волокнами, такими как стекло или углеродное волокно; такой композит имеет более высокую плотность, чем чистый нейлон. Такие термопластичные композиты (от 25% до 30% стекловолокна) часто используются в компонентах автомобилей рядом с двигателем, таких как впускные коллекторы, где хорошая термостойкость таких материалов делает их возможными конкурентами металлам.

Ложа винтовки Remington Nylon 66 использовалась из нейлона . Рамка современного пистолета Glock изготовлена ​​из нейлонового композита.

Упаковка для еды

Нейлоновые смолы используются в качестве компонента пленок для упаковки пищевых продуктов, где необходим кислородный барьер. Некоторые из терполимеров на основе нейлона используются каждый день в упаковке. Нейлон использовался для упаковки мяса и колбасных изделий . Высокая термостойкость нейлона делает его полезным для мешков для духовки.

Нити

Нейлоновые нити в основном используются в щетках, особенно в зубных щетках и триммерах для струн . Они также используются в качестве мононити в леске . Нейлон 610 и 612 - наиболее часто используемые полимеры для волокон.

Его различные свойства также делают его очень полезным в качестве материала в аддитивном производстве ; особенно в качестве нити в бытовых и профессиональных 3D-принтерах для моделирования методом наплавления.

Другие формы

Экструдированные профили

Из нейлоновых смол можно прессовать стержни, трубки и листы.

Порошковое покрытие

Нейлоновые порошки используются для порошкового покрытия металлов. Наиболее широко используются нейлон 11 и нейлон 12.

Струны для инструментов

В середине 1940-х годов, классический гитарист Андрес Сеговия отметил нехватку хороших гитарных струн в Соединенных Штатах, в частности , его любимых PIRASTRO кетгута строк, в ряде зарубежных дипломатов на вечеринке, в том числе генерал Линдеман посольства Великобритании. Через месяц генерал подарил Сеговии нейлоновые струны, которые он получил от некоторых членов семьи DuPont. Сеговия обнаружил, что, хотя струны производили чистый звук, у них был слабый металлический тембр, который, как он надеялся, можно было устранить.

Впервые нейлоновые струны были опробованы Ольгой Коэльо в Нью-Йорке в январе 1944 года.

В 1946 году Сеговию и струнного мастера Альберта Августина представил их общий друг Владимир Бобри, редактор Guitar Review. На основе интереса Сеговии и прошлых экспериментов Августина они решили продолжить разработку нейлоновых струн. DuPont, скептически относясь к этой идее, согласился поставить нейлон, если Августин попытается разработать и произвести настоящие струны. После трех лет разработки Августин продемонстрировал первую нейлоновую струну, качество которой произвело впечатление не только на DuPont, но и на гитаристов, включая Сеговию.

Однако намотанные струны были более проблематичными. В конце концов, однако, после экспериментов с различными типами металлов, а также с методами сглаживания и полировки, Августин также смог произвести высококачественные струны с нейлоновой намоткой.

Смотрите также

• Полиамид, ПА
• Баллистический нейлон
• Кордура
• Судебная инженерия
• Бактерии, поедающие нейлон
• Пластик
• Рипстоп нейлон
• Ступенчатая полимеризация

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

• Кадольф, Сара Дж. (2007). Текстиль . Пирсон Прентис Холл. ISBN 978-0-13-118769-6.
• Кохан, Мелвин (1995). Справочник по нейлоновым пластмассам . Мюнхен: Карл Хансер Верлаг. ISBN 1569901899.
• «Как производится нейлоновая пряжа» . Популярная наука . Bonnier Corporation: 132–3. Декабрь 1946 г.

внешние ссылки

• Making Nylon, Боб Берк, CHEM 1000, Карлтонский университет, Оттава, Канада на YouTube
• Полиамид Нейлон Пластик
• Джозеф X. Лабовский Коллекция нейлоновых фотографий и электронных коллекций Института истории науки о эфемерах . (Сканы с высоким разрешением фотографий и эфемеров, связанных с нейлоном, собранные Джозефом X. Лабовски, лаборантом Уоллеса Карозерса, на ранних этапах разработки и производства нейлона в DuPont).