Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Инженерные пластики. Часть 1

Существенной движущей силой роста рынка технических термопластов является продолжающееся расширение глобальных рынков электротехники и электроники, которые требуют меньших, более легких компонентов, работающих на более высоких скоростях. Кроме того, к автомобильному сегменту рынка предъявляются те же требования. Производители оригинального оборудования стремятся к снижению себестоимости, гибкости, снижению затрат на техническое обслуживание и повышению эффективности автомобилей с низким уровнем загрязнения окружающей среды, которые используют более качественные материалы под капотом и во внешних компонентах. Если измерять рост рынка с послевоенного времени, то мировое потребление инженерных пластиков увеличилось с 5 тысяч до почти 50 миллионов тонн за период с 1953 по 2019 год. Технические полимеры являются наиболее быстро растущим сегментом индустрии пластмасс с ожидаемыми темпами роста от 8% до 10%. Эта и следующая части будут посвящены разработкам в области инженерных термопластов за последние 75 лет, а начнем описание с уже знакомых читателю полиамидов.

Полиамиды, обычно называемые нейлонами, были первыми коммерческими термопластичными конструкционными полимерами и являются прототипом для всего семейства полиамидов. Нейлон 6,6 «родился» в компании DuPont в результате экспериментов с полимерами Уоллеса Каротерса в 1928 году и был представлен в качестве волокна в 1938 году и в качестве формуемой пластмассы в 1941 году. К 1953 году 5 тысяч тонн смолы для нейлона 6,6 представляли собой весь годовой объем продаж инженерных пластмасс. Нейлон был новой концепцией в пластиковой индустрии по нескольким причинам. Поскольку он полукристаллический, нейлон претерпевает резкий переход от твердого состояния к расплавленному и, таким образом, он имеет относительно высокую рабочую температуру. Сочетание прочности, жесткости и «самосмазывающих» характеристик (не требуется лубрикантов), особенно подходит для механических подшипников и зубчатых передач. Нейлон приобрел репутацию качественного материала, показав, что термопластик может в некоторых случаях работать даже лучше, чем металлы. Это и дало нейлону название «инженерный термопласт».

Нейлон на основе v-аминокарбоновых кислот, хотя и был кратко исследован ранее, был впервые выпущен в продажу в Германии около 1939 года. Особый интерес для пластмассовой промышленности представляет нейлон 6, PA6 на основе капролактама, который стал доступен в 1946 году в Европе. Компания Allied Chemical впервые ввела PA6 в США для производства волокон в 1954 году под названием поликапролактам полукристаллический. Его Tm, равная +228 °С, ниже, чем у РА66, и это вещество успешно применяется для формования. Нейлон 4,6 был разработан и выпущен на рынок в 1990 году компанией DSM (Дания) для удовлетворения потребностей в полиамиде с более высокой термостойкостью и химической стойкостью для использования в автомобильной и электротехнической и электронной промышленности. PA46 получают из 1,4-диаминобутана и адипиновой кислоты. Нейлон 4,6 имеет Tm +295 °С и отличается более высокой кристалличностью, чем нейлон 6 или 6,6. В целом, ключевыми характеристиками полиамидов являются быстрая кристаллизация, что означает быструю циклическую обработку при формовании, высокая химическая стойкость, твёрдость, смазывающая способность, сопротивление усталости и отличные механические свойства, которые зависят от степени пластификации.

Недостатки полиамидов включают в себя склонность к ползучести при приложенной нагрузке и очень высокое поглощение влаги, что пластифицирует полиамид и снижает некоторые свойства. Варьируя состав мономера, можно получить много различных разновидностей полиамидов. Варианты включают нейлон 6,9, нейлон 6,10 и нейлон 6,12 (изготовленные из HMDA и 9-, 10- и 12-углеродных дикарбоновых кислот соответственно), а также нейлон 11 и нейлон 12 (посредством самоконденсации 11-аминоундекановой кислоты и лауриллактама соответственно). Эти специализированные нейлоны демонстрируют более низкую Tm и уменьшение влагопоглощения только на одну треть или четверть по сравнению с нейлоном 6 или нейлоном 6,6. Когда используются несимметричные мономеры, нормальная способность полимера кристаллизоваться может быть нарушена, а затем могут быть образованы аморфные (прозрачные) нейлоны. Эти аморфные нейлоны не такие прочные, как нейлон 6 или 6,6, но они обеспечивают прозрачность, хорошую химическую стойкость в некоторых средах и более низкое поглощение влаги.