尼龙(nylon), 化学 名称为 聚 酰胺 (简称PA),是主链上含有 胺 基团 的一类聚合物,外观呈白色或淡黄色颗粒状,密度为1.04 ~ 1.36 g/cm 3 , 熔点 180 ~ 280 ℃,可由 内酰胺 的分子通过开环聚合制成,也可由 二元胺 和 二元酸 通过 缩聚反应 而制得。 具有机械性能优异、耐磨性好、 摩擦系数 低、优异的自润滑性、电绝缘性好、耐 化学 腐蚀、易于成型加工等优点,但其 吸水性 大、尺寸稳定性差。 尼龙是通用 工程塑料 中开发最早、产量最大、应用最广的品种,其主要品种有脂肪族 聚酰胺 、半 芳香族聚酰胺 及全 芳香族聚酰胺 等;尼龙可广泛应用于汽车、 电子 电气及机械等领域。
发展历史
1935年, 美国 化学家 卡罗瑟斯 (Carothers)及其合作者在进行缩聚反应的理论研究时,在实验室用 己二酸 和已二胺制成了 高分子 量的线型缩聚物 聚己二酰己二胺 ( 聚酰胺 66 )。1936 ~ 1937年, 杜邦公司 据 Carothers 的研究结果,用熔体纺丝法制成聚酰胺66纤维,并将该纤维产品定名为尼龙,1939 年实现了工业化生产。
另外, 德国 的科学家 施拉克 (Schlack),1938 年发明了用 己内酰胺 合成尼龙6和生产纤维的技术,于1941年实现工业化生产。之后, 英国 、 法国 、 意大利 等各企业也相继开发成功尼龙6及 聚己二酰己二胺 纤维产品并建厂投产,进一步扩大了尼龙的产能。由于尼龙具有优良的物理性能和纺织性z能,发展速度快,20世纪70年代以前居合成纤维产量首位,后来被 聚对苯二甲酸乙二醇酯 超过退居第二位。
1944 ~ 1947年间又以 氨基 十一酸 进行缩聚制成了 聚酰胺 11聚合物,并于1954年完成了由”聚酰胺11“聚合物制造“聚酰胺11”纤维的研究工作,1954年实现工业化生产。其后,经过半个多世纪的发展,许多聚酰胺品种相继问世,如脂肪族聚酰胺、 芳香族聚酰胺 及混合型聚酰胺,还合成了聚酰 亚胺 和聚酰胺亚胺等品种。而随着 聚酰胺 品种的增加,其应用领域也从纤维扩展到机械、电气、化工、汽车、医药和建筑等领域。
结构
聚酰胺可以看作是 聚乙烯 分子链中每间隔一定距离嵌入一个聚酰胺 基团 ,这种间隔会随 链节 种 碳 数的增加而增大,其性能受 聚酰胺 基团的影响较小。 按聚合机理分类,可分为两类:一是由 内酰胺 开环聚合制得,简称尼龙l,其中l表示重复的 内酰胺 中的碳原子数;二则是由二元胺和 二元酸 缩合聚合 制得,简称尼龙mp,其中m和p分别为重复的二元胺和二元酸中的碳原子数。
性能
一般物性
聚酰胺 无毒、无味,外观为白色或淡黄色颗粒,质地坚韧有光泽,密度为1.01 ~ 1.16 g/cm 3 ,由于存在 氢键 , 熔点 高于普通脂肪链 聚烯烃 。氧指数为26 % ~ 30 %,在火源作用下可以燃烧。 火焰呈蓝黄色,冒蓝烟,燃烧时有噼啪声及熔融滴落的现象,同时材料会起泡,发出 角质 燃烧的气味。
力学性能
聚酰胺 是典型的硬而韧聚合物,其拉伸强度、冲击强度和刚性较好,综合力学性能优于 通用塑料 ,但是其拉伸强度、弯曲强度和硬度会随温度和吸水率的增大而降低,冲击强度则会随温度和吸水率的增大而提高。而且,其耐磨性优良,各种 聚酰胺 的 摩擦系数 差别不大,通常在0.1 ~ 0.3之间,如果在其中添加 二硫化钼 、 石墨 等填料,可进一步提高其耐磨性。
热性能
聚酰胺 熔融温度 范围较窄,但其热变形温度不高,一般在80 ℃以下,用 玻璃纤维 增强后,其变形温度可达到200 ℃,主链中导入环状和芳香族结构,将提高力学性能和耐热性,但加工性能下降;热导率很低,为0.18 ~ 0.4 W/(m·K),线膨胀系数较大,约金属的5 ~ 7倍,会随温度的升高而增加。
电性能
由于含有 极性 的 酰胺 基团 ,使 聚酰胺 的电绝缘性低于 聚乙烯 、 聚苯乙烯 等材料。在干燥的情况下,聚酰胺的电绝缘性较好,但 电阻 会随温度和吸水率的增加而降低, 介电常数 和介质损耗会增大。
耐化学性
聚酰胺的耐 溶剂 性优良,能耐 烃类 、油类及一般 溶剂 ,如 四氯化碳 、 乙酸甲酯 、苯、 四氢呋喃 等;它对 矿物油 、植物油均呈惰性,但水和醇及其类似的化合物能使 聚酰胺 溶胀,常温下可溶于极性的 酚类化合物 和 氯化钙 的 甲醇 溶液。
耐环境性
在室内的室温环境下,聚酰胺性能稳定,可长时间保持不变,但若暴露到室外,性能会逐渐下降,尤其当温度超过60 ℃时,性能下降更明显,其力学性能会下降。
种类
脂肪族聚酰胺
(1)尼龙6
尼龙6是由 内酰胺 在高温和 引发剂 的作用下发生开环聚合而形成的。 是乳白色或微黄色的结晶聚合物, 熔点 215 ~ 225 ℃, 玻璃化 温度48 ℃,长期耐热温度105 ℃,连续使用温度65 ℃;具有自熄性,在空气中不延续燃烧,吸水率较高,有优异的耐磨性、自润滑性,而且对 烃类 有机 溶剂 有强的耐溶性。
(2) 聚己二酰己二胺
尼龙66 是由等摩尔比的 己二胺 和 己二酸 在270 ~ 275 ℃下熔融缩聚而制得的。 是半透明或不透明的乳白色结晶聚合物,熔点260 ~ 265 ℃,玻璃化温度65 ℃,热变形温度70 ℃,加入30 % 玻璃纤维 后可跃迁至250 ℃;具有良好的绝缘性能,但电气性能会随温度和吸水率的增大而下降,还具有高强度、硬度、 刚度 和抗 蠕变 性能,优良的耐疲劳性,而且对多数的 溶剂 在高温下具有良好的耐受性,但易受 无机酸 、氯化溶剂及重金属盐的腐蚀。
(3) 尼龙1010
尼龙1010 是先将 癸二胺 和 癸二酸 合成 聚酰胺 1010盐,然后加热熔融,经脱水缩聚反应制得而成的。 为白色或淡黄色固体,无毒、无味,密度为1.03 ~ 1.05 g/cm 3 , 熔点 195 ~ 210 ℃;吸湿性较低,耐寒性好,其刚性大、耐磨性和自润滑性优良,富有弹性,抗冲击性好,介电性能较好,而且耐 溶剂 性好,能溶于 浓硫酸 、 酚类 和 甲酸 等,但不溶于烃、 脂类 、低级醇和一般有机溶剂。
半芳香族聚酰胺
半芳香族聚酰胺是由二元胺和 二元酸 缩聚制成的。如尼龙MXD-6,其熔点237 ℃,相对密度1.22 g/cm 3 , 玻璃化 温度85 ℃,热膨胀系数小,可在很宽的温度范围内保持高强度、高刚性;耐药品性、阻隔性优异,可作为贵重设备和 精密仪器 的包装材料;而且其吸水率较低,尺寸稳定性好,成型收缩率小,适合精密成型加工。
全芳香族聚酰胺
全 芳香族聚酰胺 是全部由芳香 二酸 和芳香二胺聚合而成。如 聚对苯二甲酰对苯二胺 ( 芳纶1414 ),其耐热性高,玻璃化转变温度高,长期连续使用温度高,耐疲劳性、耐老化性优良,吸湿性小,引起制品尺寸变化和力学性能变化小,而且还有优良的阻燃性、电性能、耐 化学 药品性等,主要应用于高性能的轮胎 帘线 和橡胶制品补强材料。
成型加工
加工特性
聚酰胺 是一种晶型聚合物,成型收缩率较大,且成型工艺条件对制品的 结晶度 、收缩率及性能的影响较大,所以合理控制成型条件能获得高质量的制品;原料 吸水性 大,高温时易氧化变色,故粒料加工前必须干燥;熔体粘度低,流动性大,所以必须采用自锁式喷嘴,防止漏料;其热稳定较差,易热分解而降低制品性能。
加工方法
(1)注塑成型
通过注塑成型可以制得各种形状复杂、尺寸精度较高的尼龙制品,其注射设备分为 柱塞 式和螺杆式 注射机 。由于尼龙品种较多,多类注射制品在材料选择上既要注意其共性,又要了解各种品种的特性,根据实际使用环境和条件进行选用。尼龙注射成型过程包括原料 烘干 、注射成型和后处理,主要用于生产一些结构复杂的零部件。
(2)挤出成型
尼龙可通过挤出成型加工成薄膜、单丝、管材(包括硬管与 软管 )、片材、 棒材 、纤维等产品。挤出过程包括配料、挤出、冷却、定型拉伸、切割、卷绕、包装等工序,所需工艺条件必须按照尼龙品种和挤出制品类型等合理地确定。
(3) 单体 浇铸
单体浇铸尼龙 (MC 尼龙)是指 己内酰胺 采用碱为 催化剂 ,直接在模具内聚合成型。其相对分子量是尼龙6的两倍左右,故其力学性能、尺寸稳定性、耐热性、电性能远高于尼龙6。MC 尼龙成型设备及模具简单,可直接浇铸,尤其适合生产大件、多品种和小批量的制品,如大型 齿轮 、轴承等。
应用领域
汽车行业
尼龙可用于汽车的绝大多数部件,如 发动机 部件、电气部件和车体部件,具体如下:尼龙具有优良的耐油性,可用于制造燃料滤网、燃料 过滤器 、 储油槽 等;具有极好的冲击韧性,可用于制作散热器水缸可抗汽车行驶时的 飞蝗石 冲击;尼龙也可用于制造发动机内的 保险丝 盒、箱;在车体部位主要用于制造驱动和控制部件。另外,尼龙管材也可应用于汽车行业。
电子电气工业
电气制件中,尼龙主要用于制造 电饭煲 、电动 吸尘器 、高频电子食品 加热器 ,也可用作 空调器 管;在电子制品中,尼龙主要用作接线柱、开关和 电阻 等。
机械工业
尼龙具有强韧、耐磨、自润滑性、耐热等一系列优良性能,故可广泛用于制造一些大型机械的零件,如 齿轮 、涡轮、 螺栓 、 螺母 以及罩壳等。通过挤出生产的 尼龙 棒材 也可通过二次加工制成各种 机械零件 ,以弥补小批量尼龙制品的需要。
其他行业
在日用品方面,因尼龙薄膜的力学性能高、气密性好,尤其是对香味、油脂和氧的阻隔性能突出,但成本较高,主要用于食品包装行业,如肉类、奶酪和药品等的包装; 在体育方面,尼龙可用作 滑雪板 、球拍框、冰鞋、钓鱼竿、钓鱼线等;在机器人领域,挪威1XTechnologies公司最新款家用机器人NeoGamma采用编织尼龙材质外壳,标志着尼龙材料在机器人领域的应用进入新阶段;尼龙还可用于制造办公用椅的脚轮和靠背等。