Полиамиды

Полиамиды — это группа полимеров, макромолекулы которых содержат повторяющиеся амидные группы —CO–NH—. Полиамиды относятся к классу гетероцепных полимеров и широко применяются в промышленности для производства синтетических волокон, конструкционных пластиков, плёнок и клеёв. Ключевыми свойствами полиамидов являются высокая механическая прочность, износостойкость, упругость и устойчивость к воздействию многих химических реагентов. Наиболее известные представители — алифатические полиамиды (например, найлон и капрон) и ароматические полиамиды (арамиды, такие как кевлар и номекс).

История

Первые работы по синтезу полиамидов были выполнены в 1930-х годах. В 1935 году американский химик Уоллес Карозерс, работавший в компании DuPont, впервые получил полиамид-6,6 (нейлон) путём поликонденсации гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. В 1938 году компания DuPont начала промышленное производство нейлонового волокна, которое первоначально использовалось для изготовления зубных щёток, а с 1940 года — для производства женских чулок.

В СССР разработка полиамидов велась под руководством Александра Ивановича Китайгородского и Зигмунда Вульфовича Роговина. В 1947 году было освоено промышленное производство полиамида-6 (капрона) на основе капролактама. Капрон стал основой для выпуска тканей, технических нитей, корда для шин и рыболовных сетей.

В 1960-х годах началось производство ароматических полиамидов (арамидов). В 1965 году компания DuPont выпустила на рынок мета-арамид (номекс), а в 1971 году — пара-арамид (кевлар). В СССР арамидные волокна (например, СВМ, Русар) разрабатывались с 1970-х годов для оборонной и авиакосмической промышленности.

Классификация

Полиамиды классифицируют по нескольким признакам.

По химическому строению основной цепи

• Алифатические полиамиды. Содержат линейные или разветвлённые углеводородные цепи между амидными группами. Примеры: полиамид-6 (капрон), полиамид-6,6 (нейлон), полиамид-12.
• Ароматические полиамиды (арамиды). Содержат в основной цепи ароматические кольца. Обладают повышенной термостойкостью и жёсткостью. Примеры: пара-арамиды (кевлар, Тварон) и мета-арамиды (номекс).
• Смешанные (алифатико-ароматические) полиамиды. Содержат как алифатические, так и ароматические фрагменты.

По способу получения

• Полиамиды, получаемые поликонденсацией. Реакция между диаминами и дикарбоновыми кислотами или их производными. Пример: полиамид-6,6.
• Полиамиды, получаемые полимеризацией циклических амидов (лактамов). Реакция раскрытия цикла с образованием линейного полимера. Пример: полиамид-6 (из капролактама).

По области применения

• Волокнообразующие полиамиды. Используются для производства синтетических нитей и волокон (найлон, капрон, арамиды).
• Конструкционные пластики. Применяются для изготовления деталей машин, механизмов, корпусных изделий (литьевые марки полиамида-6, полиамида-6,6).
• Плёнки и покрытия. Используются для упаковки, изоляции, защитных покрытий.

Свойства

Физико-механические свойства

Алифатические полиамиды характеризуются высокой прочностью на разрыв (60–90 МПа для ненаполненных марок), ударной вязкостью и эластичностью. Они обладают низким коэффициентом трения и хорошей износостойкостью, что делает их пригодными для изготовления подшипников скольжения, шестерён и втулок. Температура плавления алифатических полиамидов составляет от 180 °C (полиамид-12) до 265 °C (полиамид-6,6). Ароматические полиамиды имеют более высокие температуры разложения (свыше 400 °C) и модуль упругости, сопоставимый со сталью (для кевлара — до 130 ГПа).

Химическая стойкость

Полиамиды устойчивы к действию масел, жиров, топлива, щелочей и многих органических растворителей. Однако они подвержены гидролизу в присутствии сильных кислот и при длительном воздействии воды (особенно при повышенных температурах). Полиамиды также чувствительны к ультрафиолетовому излучению, что требует введения стабилизаторов или нанесения защитных покрытий при наружном применении.

Электроизоляционные свойства

Полиамиды являются диэлектриками. Их электрическая прочность составляет 15–25 кВ/мм, удельное объёмное сопротивление — 10¹²–10¹⁴ Ом·м. Эти свойства позволяют использовать полиамиды в электротехнике и электронике.

Получение

Основные промышленные методы синтеза полиамидов:

1. Поликонденсация диаминов и дикарбоновых кислот. Реакция проводится в расплаве или в растворе при 200–300 °C с отводом воды. Для получения полиамида-6,6 используют гексаметилендиамин и адипиновую кислоту.
2. Полимеризация лактамов. Капролактам (циклический амид ε-аминокапроновой кислоты) полимеризуется при 250–270 °C в присутствии инициаторов (воды, кислот) с образованием полиамида-6.
3. Поликонденсация в растворе с использованием хлорангидридов. Этот метод применяют для синтеза ароматических полиамидов (арамидов), так как реакция протекает при низких температурах (от -20 до +20 °C) в среде органических растворителей (например, N-метилпирролидона).

Применение

Текстильная и лёгкая промышленность

• Производство синтетических тканей (нейлон, капрон, эластан) для одежды, белья, чулочно-носочных изделий.
• Изготовление технических тканей (корд для шин, фильтровальные материалы, парашютная ткань).
• Производство канатов, верёвок, рыболовных сетей.

Машиностроение и автомобилестроение

• Детали узлов трения: подшипники скольжения, втулки, шестерни, направляющие.
• Корпусные детали, кронштейны, крепёжные элементы.
• Топливные и масляные фильтры, патрубки, шланги.

Электротехника и электроника

• Изоляция проводов и кабелей.
• Корпуса разъёмов, выключателей, патронов для ламп.
• Детали печатных плат (в виде стеклонаполненных композиций).

Оборонная и авиакосмическая промышленность

• Бронежилеты и бронепанели (из арамидных волокон — кевлар, СВМ).
• Композитные материалы для корпусов ракет, самолётов, вертолётов.
• Термостойкие ткани для защитной одежды пожарных и военных (из номекса).

Медицина

• Хирургические нити (нерассасывающиеся и рассасывающиеся).
• Имплантаты (сетки для герниопластики, фиксаторы).
• Элементы медицинского оборудования (катетеры, шприцы).

Упаковка

• Плёнки для упаковки пищевых продуктов (в том числе многослойные с барьерными слоями).
• Термоусадочные плёнки.
• Контейнеры для хранения технических жидкостей.

Экологические аспекты

Полиамиды не являются биоразлагаемыми в обычных условиях. На свалках они сохраняются десятилетиями. Однако существуют методы вторичной переработки: механический рециклинг (измельчение и переплавка) и химический рециклинг (деполимеризация с получением мономеров, например, капролактама из полиамида-6). В Российской Федерации действуют программы по сбору и переработке отходов полиамидов, в том числе в рамках расширенной ответственности производителей.

Интересные факты

• Первое коммерческое применение нейлона (1938 год) — щетина для зубных щёток. Чулки из нейлона появились в 1940 году и мгновенно стали дефицитом.
• Арамидное волокно кевлар в пять раз прочнее стали при равной массе.
• Полиамид-12 используется для 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLS).
• В СССР капрон был настолько популярен, что в 1950–1960-х годах его использовали для изготовления не только одежды, но и деталей бытовой техники, игрушек и даже посуды.

Источники

• Китайгородский А. И. «Введение в физику полимеров». — М.: Наука, 1972.
• Роговин З. А. «Основы химии и технологии химических волокон». — М.: Химия, 1974.
• Энциклопедия полимеров / под ред. В. А. Каргина. — М.: Советская энциклопедия, 1972–1977. — Т. 1–3.
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности химической продукции» (ТР ТС 041/2017).
• ГОСТ 10589-87 «Полиамиды литьевые. Технические условия».
• ГОСТ 27244-93 «Волокна химические. Термины и определения».