Полиамид

Полиамид — это полимер, макромолекулы которого содержат повторяющиеся амидные группы (-CO-NH-). Относится к классу гетероцепных полимеров. Полиамиды широко распространены как в природе (белки, шёлк, шерсть), так и в промышленности, где их получают синтетическим путём. Синтетические полиамиды — это группа термопластичных материалов, обладающих высокой прочностью, износостойкостью, упругостью и устойчивостью к воздействию многих химических веществ. Благодаря этому они нашли применение в производстве волокон, конструкционных пластиков, плёнок, деталей машин и механизмов.

История

Первые синтетические полиамиды были получены в 1930-х годах в лаборатории американской компании DuPont под руководством Уоллеса Карозерса. В 1935 году Карозерс синтезировал полиамид-6,6 (нейлон), который стал первым в мире полностью синтетическим волокном. В 1938 году DuPont запустила промышленное производство нейлоновых волокон, которые первоначально использовались для изготовления зубных щёток, а затем — для производства женских чулок (1939 год). В 1940 году нейлон стал стратегическим материалом для армии США (парашюты, шины, тросы).

В СССР работы по созданию полиамидных волокон велись с 1930-х годов под руководством З. А. Роговина и других учёных. В 1947 году было освоено промышленное производство полиамида-6 (капрона) на Клинском комбинате (Московская область). Капроновое волокно стало широко применяться в текстильной промышленности, а также для изготовления технических тканей, корда для шин, рыболовных сетей.

В 1950-х годах были разработаны технологии получения полиамида-12, полиамида-6,10 и других марок. В 1960-х годах началось производство армированных полиамидов (стеклонаполненных, углепластиков). В последующие десятилетия ассортимент полиамидов расширился за счёт создания сополимеров и модифицированных марок с улучшенными свойствами (повышенная термостойкость, ударная вязкость, стойкость к ультрафиолету).

Классификация

Полиамиды классифицируют по нескольким признакам.

По происхождению

Природные полиамиды — белки (коллаген, кератин, фиброин шёлка), а также нуклеиновые кислоты.
Синтетические полиамиды — получают химическим синтезом из мономеров (диаминов, дикарбоновых кислот, лактамов).

По химическому строению

Алифатические полиамиды — цепи состоят из линейных углеводородных фрагментов (ПА-6, ПА-6,6, ПА-12, ПА-6,10).
Ароматические полиамиды (арамиды) — содержат ароматические кольца в основной цепи (например, Номекс, Кевлар). Отличаются высокой термостойкостью и прочностью.
Полуароматические полиамиды — сочетают ароматические и алифатические фрагменты (например, ПА-6Т).

По способу получения

Поликонденсационные — образуются в результате реакции поликонденсации (например, ПА-6,6 из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты).
Полимеризационные — образуются в результате полимеризации циклических лактамов (например, ПА-6 из капролактама).

По структуре макромолекул

Линейные полиамиды — макромолекулы не имеют разветвлений.
Разветвлённые полиамиды — содержат боковые ответвления (встречаются реже).

Свойства

Свойства полиамидов зависят от их химического строения, молекулярной массы, степени кристалличности и наличия наполнителей.

Физико-механические свойства

Высокая прочность — предел прочности при растяжении у ПА-6,6 составляет 70–85 МПа, у армированных марок — до 200 МПа.
Износостойкость — полиамиды устойчивы к истиранию, что делает их пригодными для изготовления подшипников, шестерён, втулок.
Упругость — полиамидные волокна обладают высокой эластичностью (удлинение при разрыве до 20–40%).
Низкий коэффициент трения — особенно у марок с добавлением дисульфида молибдена или графита.
Гигроскопичность — полиамиды способны поглощать влагу из воздуха (до 3–4% по массе), что снижает их механические свойства и изменяет размеры.

Термические свойства

Температура плавления — у алифатических полиамидов составляет 220–260 °C (ПА-6 — 220 °C, ПА-6,6 — 260 °C). Ароматические полиамиды плавятся при температурах выше 350 °C.
Температура стеклования — для ПА-6 составляет около 50 °C, для ПА-6,6 — около 60 °C.
Термостойкость — полиамиды устойчивы к кратковременному нагреву до 200–250 °C, но длительная эксплуатация при высоких температурах (выше 100–120 °C) приводит к деструкции.

Химическая стойкость

Устойчивость к маслам, жирам, топливу — высокая.
Устойчивость к щелочам — хорошая.
Устойчивость к кислотам — низкая (концентрированные кислоты разрушают полиамид).
Устойчивость к органическим растворителям — высокая (кроме фенолов, муравьиной и уксусной кислот).

Электрические свойства

Полиамиды являются диэлектриками (удельное объёмное сопротивление 10¹²–10¹⁵ Ом·см). Однако при увлажнении их изоляционные свойства ухудшаются.

Применение

Полиамиды используются в различных отраслях промышленности и быту.

Текстильная промышленность

Полиамидные волокна (нейлон, капрон, анид) применяются для производства чулочно-носочных изделий, спортивной одежды, купальников, корсетных изделий, технических тканей (парашютные, фильтровальные, кордные).
Ароматические полиамиды (арамиды) используются для изготовления защитной одежды (пожарные, военные), бронежилетов, канатов, тросов.

Машиностроение и автомобилестроение

Конструкционные детали — шестерни, подшипники, втулки, вкладыши, кулачки, направляющие, корпуса приборов.
Автомобильные компоненты — впускные коллекторы, крышки клапанов, топливные баки, патрубки, элементы системы охлаждения.
Армированные полиамиды (стеклонаполненные, углепластики) используются для изготовления высоконагруженных деталей (например, лопатки вентиляторов, корпуса насосов).

Электротехника и электроника

Изоляционные материалы — корпуса разъёмов, выключателей, реле, катушек, проводов.
Печатные платы — некоторые марки полиамидов используются в качестве подложек для гибких печатных плат.

Упаковка

Полиамидные плёнки — используются для упаковки пищевых продуктов (сыр, мясо, рыба), так как обладают низкой газопроницаемостью (особенно по отношению к кислороду) и высокой прочностью. Часто применяются в составе многослойных упаковочных материалов (например, совместно с полиэтиленом).

Медицина

Хирургические нити — полиамидные мононити используются для наложения швов.
Имплантаты — некоторые марки полиамидов применяются для изготовления протезов (например, в травматологии и ортопедии).
Медицинские инструменты — корпуса шприцев, катетеров, эндоскопов.

Бытовая техника и товары народного потребления

Детали бытовой техники — корпуса пылесосов, миксеров, кофемолок.
Спортивные товары — лыжные крепления, ручки велосипедов, защитные шлемы.
Канцелярские товары — корпуса ручек, степлеров, дыроколов.

Технология производства

Основные методы получения синтетических полиамидов:

Поликонденсация диаминов и дикарбоновых кислот — например, получение ПА-6,6 из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. Реакция проводится в расплаве при температуре 260–280 °C в атмосфере азота.
Полимеризация лактамов — например, получение ПА-6 из капролактама. Реакция проводится в присутствии воды или катализаторов (щелочей) при температуре 250–270 °C.
Поликонденсация аминокислот — например, получение ПА-11 из 11-аминоундекановой кислоты (биополиамид на основе касторового масла).

После синтеза полиамид гранулируют, сушат и перерабатывают в изделия методами литья под давлением, экструзии, выдувного формования, прессования.

Экологические аспекты

Полиамиды, как и большинство синтетических полимеров, не подвергаются биологическому разложению в естественных условиях. Основные проблемы:

Загрязнение окружающей среды — полиамидные отходы (волокна, детали, упаковка) накапливаются на свалках и в океане.
Микропластик — при износе полиамидных изделий (например, при стирке синтетической одежды) образуются микрочастицы, которые попадают в воду и почву.
Переработка — полиамиды поддаются вторичной переработке (механической, химической). Однако на практике уровень рециклинга невысок из-за сложности сортировки и загрязнения отходов.

Существуют разработки биоразлагаемых полиамидов на основе природных мономеров (например, ПА-11 из касторового масла), а также технологии химического рециклинга (деполимеризация до мономеров).

Интересные факты

Нейлоновые чулки, впервые представленные в 1939 году, стали настолько популярны, что в 1940 году в США было продано 64 миллиона пар.
Кевлар (арамидное волокно) в пять раз прочнее стали при равной массе, что делает его незаменимым для изготовления бронежилетов.
Полиамид-6 (капрон) в СССР использовался для производства парашютов, которые выдерживали многократные раскрытия.
Полиамиды способны впитывать влагу, что может приводить к изменению размеров деталей (например, втулки могут «разбухать» на 0,5–1%).
Ароматические полиамиды (арамиды) не плавятся, а обугливаются при нагреве выше 400 °C, что делает их пригодными для защиты от высоких температур.

Источники

Карозерс У. Х. «Исследования в области полиамидов» (1930-е).
Роговин З. А. «Основы химии и технологии химических волокон» (1974).
Крыжановский В. К., Бурлов В. В. «Технические свойства полимерных материалов» (2005).
Энциклопедия полимеров (под ред. В. А. Кабанова, 1972–1977).
Справочник «Пластические массы» (под ред. В. А. Брагинского, 2008).
ГОСТ 17648-72 «Полиамиды литьевые. Технические условия».
Материалы компании DuPont (история нейлона).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →