Полиамидные волокна

Полиамидные волокна — это синтетические волокна, получаемые из полиамидов — высокомолекулярных соединений, содержащих в основной цепи макромолекулы амидные группы (-CO-NH-). Относятся к классу химических волокон и являются одним из наиболее распространённых видов синтетических текстильных материалов, наряду с полиэфирными и полиакрилонитрильными волокнами. Полиамидные волокна характеризуются высокой прочностью, эластичностью, устойчивостью к истиранию и многократным изгибам, а также способностью сохранять форму после деформации.

История

Первое полиамидное волокно было синтезировано в 1935 году американским химиком Уоллесом Карозерсом, работавшим в компании DuPont. В 1938 году было запущено промышленное производство волокна, получившего торговое название нейлон (nylon). Первоначально нейлон использовался для производства женских чулок и щетинок для зубных щёток. В 1939 году нейлон был впервые представлен на Всемирной выставке в Нью-Йорке.

В СССР работы по созданию полиамидных волокон начались в 1930-х годах под руководством академика А. Н. Несмеянова. В 1947 году было освоено промышленное производство волокна капрон (поли-ε-капроамид), которое стало основой для советской текстильной и технической промышленности. В 1950-х годах в СССР также начали выпускать волокно анид (полигексаметиленадипамид).

В 1960–1970-х годах полиамидные волокна получили широкое распространение в мире благодаря развитию нефтехимической промышленности и совершенствованию технологий полимеризации. К концу XX века объём мирового производства полиамидных волокон достиг нескольких миллионов тонн в год.

Классификация

Полиамидные волокна классифицируются по нескольким признакам.

По химическому составу

• Алифатические полиамиды: наиболее распространённая группа. Основные представители:
• Полиамид 6 (ПА-6, капрон, нейлон-6): получают полимеризацией ε-капролактама. Составляет около 60% мирового производства полиамидных волокон.
• Полиамид 6.6 (ПА-66, анид, нейлон-6.6): получают поликонденсацией гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. Отличается более высокой термостойкостью и прочностью по сравнению с ПА-6.
• Полиамид 6.10 (ПА-610): получают из гексаметилендиамина и себациновой кислоты. Обладает пониженным влагопоглощением.
• Полиамид 11 (ПА-11, рильсан): получают из 11-аминоундекановой кислоты (растительное сырьё). Отличается высокой химической стойкостью.
• Полиамид 12 (ПА-12): получают полимеризацией лауролактама. Имеет низкое влагопоглощение и высокую морозостойкость.
• Ароматические полиамиды (арамиды): содержат в цепи ароматические кольца. Обладают исключительной термостойкостью и прочностью. Примеры:
• Кевлар (поли-пара-фенилентерефталамид): используется для производства бронежилетов, композитов.
• Номекс (поли-мета-фениленизофталамид): применяется для термостойкой спецодежды.
• Русар (российский аналог кевлара).

По назначению

• Текстильные волокна: используются для производства тканей, трикотажа, ниток. Делятся на штапельные (короткие, для смесовых пряж) и комплексные нити (непрерывные).
• Технические волокна: применяются для изготовления кордных тканей (автомобильные шины), канатов, верёвок, рыболовных сетей, фильтровальных материалов, щетины для щёток.
• Высокопрочные и высокомодульные волокна: используются в композиционных материалах, авиа- и ракетостроении, судостроении.

Получение

Полиамидные волокна производят методом формования из расплава полимера. Процесс включает несколько стадий:

1. Синтез полимера: полимеризация или поликонденсация мономеров (капролактам, гексаметилендиамин + адипиновая кислота и др.) в автоклавах или непрерывных реакторах.
2. Гранулирование: расплавленный полимер охлаждают и режут на гранулы.
3. Плавление и фильтрация: гранулы плавят, расплав очищают от примесей через фильтры.
4. Формование: расплав продавливают через фильеры (металлические пластины с отверстиями диаметром 0,2–0,8 мм). Количество отверстий в фильере может достигать нескольких тысяч.
5. Охлаждение и затвердевание: струи расплава охлаждаются потоком воздуха или воды, превращаясь в элементарные нити.
6. Вытяжка: нити вытягивают в 3–6 раз для ориентации макромолекул вдоль оси волокна, что придаёт им прочность и эластичность.
7. Термофиксация: нити нагревают для снятия внутренних напряжений и стабилизации свойств.
8. Намотка: готовые нити наматывают на бобины или паковки.

Свойства

Физико-механические свойства

• Высокая прочность: разрывная нагрузка полиамидных нитей составляет 35–70 сН/текс (для сравнения, у хлопка — 25–30 сН/текс). Высокопрочные марки достигают 100 сН/текс.
• Эластичность: относительное удлинение при разрыве — 15–45%. Волокна хорошо восстанавливают форму после деформации (упругость до 90%).
• Устойчивость к истиранию: в 10–20 раз выше, чем у натуральных волокон (хлопок, шерсть).
• Малая плотность: 1,14–1,15 г/см³ (для ПА-6 и ПА-66), что легче хлопка (1,5 г/см³) и полиэфира (1,38 г/см³).
• Низкая гигроскопичность: влагопоглощение при нормальных условиях — 3,5–4,5% (для ПА-6). В мокром состоянии прочность снижается на 10–15%.

Химические свойства

• Устойчивость к щелочам: полиамиды устойчивы к действию разбавленных и концентрированных щелочей.
• Неустойчивость к кислотам: концентрированные минеральные кислоты (серная, азотная, соляная) разрушают полиамидные волокна. Разбавленные кислоты вызывают набухание и снижение прочности.
• Устойчивость к органическим растворителям: не растворяются в бензине, ацетоне, спиртах, маслах.
• Светостойкость: низкая — под действием ультрафиолетового излучения полиамиды желтеют и теряют прочность. Для повышения светостойкости в состав вводят стабилизаторы (например, сажу).

Термические свойства

• Температура плавления: для ПА-6 — 215–220°C, для ПА-66 — 255–260°C.
• Температура стеклования: 40–60°C (для ПА-6).
• Термостойкость: длительная эксплуатация возможна при температурах до 100–120°C. Кратковременно выдерживают до 150°C.
• Горючесть: полиамидные волокна горят, но не поддерживают самостоятельного горения после удаления источника огня. При горении выделяют резкий запах жжёного рога.

Применение

Текстильная промышленность

• Чулочно-носочные изделия: колготки, носки, гольфы. Полиамидные волокна обеспечивают эластичность и прочность.
• Бельевой трикотаж: спортивная одежда, купальники, нижнее бельё.
• Верхняя одежда: куртки, плащи, ветровки — благодаря водоотталкивающим свойствам и лёгкости.
• Подкладочные ткани: используются для подкладки пальто, костюмов.
• Смесовые ткани: полиамидные волокна добавляют к хлопку, шерсти, вискозе для повышения износостойкости.

Техническая промышленность

• Кордные ткани: основа для автомобильных шин, обеспечивающая прочность и долговечность.
• Канаты и верёвки: для альпинизма, морского дела, такелажных работ.
• Рыболовные сети и лески: благодаря высокой прочности и устойчивости к гниению.
• Фильтровальные материалы: для очистки газов и жидкостей в химической, пищевой промышленности.
• Щетина для щёток: зубные, массажные, технические щётки.
• Транспортёрные ленты и ремни: для конвейеров, приводных ремней.

Композиционные материалы

• Армирующие волокна: в составе углепластиков, стеклопластиков для авиа- и ракетостроения (арамидные волокна).
• Бронезащита: кевлар и его аналоги используются для производства бронежилетов, бронешлемов, брони для транспортных средств.

Медицина

• Хирургические нити: рассасывающиеся (на основе полиамидов) и нерассасывающиеся.
• Имплантаты: сетки для герниопластики, сосудистые протезы.

Интересные факты

• Нейлоновые чулки впервые поступили в продажу в США 15 мая 1940 года. За первый день было продано 4 миллиона пар.
• В СССР капрон первоначально использовался для производства парашютов — во время Великой Отечественной войны он заменил дефицитный натуральный шёлк.
• Полиамидные волокна могут быть окрашены в массе (добавлением красителя в расплав) или кислотными красителями (после формования).
• Для снижения электризуемости полиамидных тканей в их состав вводят антистатические добавки (например, ацетиленовую сажу).

Источники

• Каргин В. А. «Энциклопедия полимеров», том 2, 1974.
• Перепелкин К. Е. «Химические волокна: структура, свойства, получение», 2006.
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности химических волокон» (ТР ТС 017/2011).
• ГОСТ 28004-88 «Волокна полиамидные. Технические условия».
• «Справочник по текстильным волокнам» под ред. М. Л. Розенберга, 1985.