Поликапролактам

Поликапролактам — это синтетический полимер, линейный алифатический полиамид, получаемый полимеризацией ε-капролактама. В технической и бытовой среде широко известен под названием капрон (в России и странах бывшего СССР) или нейлон-6 (международное обозначение, Nylon 6). Относится к классу термопластичных полимеров, обладает высокой механической прочностью, износостойкостью и устойчивостью к воздействию многих химических реагентов. Является одним из наиболее распространённых и массово производимых полиамидов в мире.

История

Впервые поликапролактам был синтезирован в 1938 году в Германии исследовательской группой компании IG Farben под руководством Пауля Шлака. Работы велись параллельно с разработкой нейлона-6,6 в США компанией DuPont. В 1939 году было начато промышленное производство поликапролактама под торговой маркой «Перлон» (Perlon).

В СССР разработка технологии получения поликапролактама началась в конце 1940-х годов. Первая промышленная установка была запущена в 1947 году на заводе в городе Клин (Московская область). Советский полимер получил название «капрон» (от словосочетания «капролактам» и «нейлон»). В 1950-е — 1960-е годы в СССР были построены крупные заводы по производству капрона в Дзержинске, Щёкино, Волгограде, Киеве и других городах. К середине 1960-х годов СССР вышел на одно из первых мест в мире по объёму выпуска поликапролактама.

В 1970-е — 1980-е годы технология производства была усовершенствована: внедрены непрерывные процессы полимеризации, что позволило значительно снизить себестоимость и повысить качество полимера. В 1990-е годы, после распада СССР, производство в России сократилось, но в 2000-е годы было частично восстановлено на модернизированных мощностях.

Химическое строение и получение

Мономер

Поликапролактам получают из ε-капролактама — циклического амида (лактама), содержащего шесть атомов углерода в цикле. Химическая формула мономера: C₆H₁₁NO.

Реакция полимеризации

Полимеризация капролактама протекает по механизму раскрытия цикла (гидролитическая полимеризация) с образованием линейной полиамидной цепи:

n (CH₂)₅C(O)NH → [—NH(CH₂)₅C(O)—]ₙ

Реакция проводится при температуре 250—270 °C в присутствии воды или других инициаторов (например, кислот, щелочей). В результате образуется полимер, макромолекула которого содержит повторяющиеся звенья —NH(CH₂)₅CO—.

Свойства полимера

• Молекулярная масса: обычно от 10 000 до 40 000 г/моль.
• Температура плавления: 220—225 °C.
• Температура стеклования: 40—60 °C (сухой полимер), 5—20 °C (увлажнённый).
• Плотность: 1,13—1,15 г/см³.
• Водопоглощение: до 3—4 % по массе при 24-часовом выдерживании в воде.
• Прочность на разрыв: 50—80 МПа (для волокна).
• Относительное удлинение при разрыве: 15—40 % (для волокна).

Поликапролактам стоек к действию щелочей, органических растворителей (ацетон, бензол, спирты), масел и жиров. Разрушается под действием концентрированных кислот (серная, азотная, соляная) и фенолов. Устойчив к микроорганизмам и плесени.

Классификация и виды

Поликапролактам выпускается в нескольких основных формах:

По типу переработки

1. Волокнообразующий полимер — используется для получения текстильных и технических нитей.
2. Пластический полимер — гранулы для литья под давлением, экструзии, 3D-печати.
3. Плёнкообразующий полимер — для получения плёнок и покрытий.

По модификациям

• Неармированный — базовый полимер.
• Армированный — с добавлением стекловолокна, углеродного волокна или минеральных наполнителей (повышает прочность и жёсткость).
• Специальные марки:
• Антистатический — с добавлением антистатиков.
• Пожаростойкий — с антипиренами.
• Светостабилизированный — с добавками, защищающими от УФ-излучения.
• Медицинский — высокой чистоты, для имплантатов и хирургических нитей.

Применение

Поликапролактам используется в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицины и быта.

Текстильная промышленность

Основное применение — производство синтетических волокон и нитей. Из поликапролактама изготавливают:

• Текстильные нити — для одежды (чулочно-носочные изделия, трикотаж, спортивная одежда), кордных тканей, лент.
• Технические нити — для канатов, верёвок, сетей, рыболовных снастей, ремней, шнуров.
• Нетканые материалы — геотекстиль, фильтровальные ткани, медицинские маски, подгузники.

Машиностроение и автомобилестроение

Из поликапролактама (в том числе армированного) изготавливают:

• Детали машин и механизмов: шестерни, подшипники скольжения, втулки, ролики, кулачки, направляющие.
• Автомобильные детали: корпуса воздушных фильтров, впускные коллекторы, крышки двигателей, элементы топливной системы, кронштейны, ручки.
• Электротехнические изделия: корпуса выключателей, розеток, разъёмов, катушки, изоляторы.

Медицина

• Хирургические нити (нерассасывающиеся) — для сшивания тканей.
• Имплантаты — эндопротезы суставов, костные пластины, винты (часто в комбинации с другими материалами).
• Медицинские инструменты — одноразовые шприцы, катетеры, трубки.

3D-печать

Поликапролактам (капрон) является одним из популярных материалов для FDM-печати. Он обладает хорошей адгезией слоёв, высокой прочностью и износостойкостью. Используется для печати функциональных прототипов, деталей механизмов, инструментов.

Прочие области

• Плёнки и упаковка — пищевая и техническая упаковка, термоусадочные плёнки.
• Сельское хозяйство — шпагат, сетки, укрывные материалы.
• Бытовая техника — детали пылесосов, стиральных машин, кухонных комбайнов.
• Спортивные товары — струны для ракеток, тросы, карабины, элементы экипировки.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая механическая прочность и износостойкость.
• Хорошая эластичность и упругость.
• Устойчивость к многократным изгибам и истиранию.
• Стойкость к большинству органических растворителей, масел, щелочей.
• Низкая гигроскопичность по сравнению с другими полиамидами (например, нейлоном-6,6).
• Хорошая технологичность: легко перерабатывается литьём, экструзией, формованием.
• Относительно низкая стоимость по сравнению с некоторыми конструкционными пластиками.

Недостатки

• Разрушается под действием концентрированных кислот и фенолов.
• Подвержен старению под воздействием УФ-излучения (требует стабилизации).
• Горюч (поддерживает горение).
• При длительном контакте с водой (особенно горячей) может набухать и терять прочность.
• При переработке требует тщательной сушки для предотвращения гидролиза.

Экологические аспекты

Поликапролактам является небиоразлагаемым полимером. В природных условиях он разлагается чрезвычайно медленно (сотни лет). Отходы поликапролактама подлежат утилизации преимущественно термическими методами (сжигание, пиролиз) или вторичной переработке. Вторичная переработка (рециклинг) возможна: отходы дробятся, переплавляются и используются для изготовления менее ответственных изделий (например, строительных материалов, тары). Разрабатываются технологии химической деполимеризации поликапролактама до мономера (капролактама) с последующим повторным использованием.

Интересные факты

• В СССР капроновые чулки были дефицитным товаром и символом благосостояния в 1950-е — 1960-е годы.
• Из капрона изготавливали парашютные стропы и купола для советских десантников.
• Поликапролактам используется в качестве материала для изготовления искусственных кровеносных сосудов (сосудистых протезов).
• В 3D-печати капрон часто называют «нейлоном» (Nylon 6), хотя это не совсем точное название с химической точки зрения.

Источники

• Энциклопедия полимеров. Том 2. — М.: Советская энциклопедия, 1974.
• Химическая энциклопедия. Том 4. — М.: Большая российская энциклопедия, 1995.
• Технология полимеров. Под ред. В. А. Кабанова. — М.: Химия, 1985.
• Полиамиды. Свойства и применение. — М.: НИИТЭХИМ, 1980.
• Патент DE 748 253 (1939) — IG Farben.