پلی آمید ها

مقدمه

پلی آمید ها پلیمرهایی نیمه کریستالی از گروه تروموپلاست ها هستند، که در ساختار زنجیر پلیمری آن ها گروه آمیدی( یک اتم نیتروژن (N)که با گروه عاملی کربونیل (C=O) پیوند دارد) وجود دارد. این پلیمر ها قابل اشتعال بوده وکاربردی در محدوه ی دمایی حدود (90+تا30-) درجه ی سانتی گراد دارند. به دلیل چسپندگی و کشش زیاد پیوند های هیدروژنی گروه های آمیدی، این دسته از پلیمرها دارای استحکام فوق العاده ای هستند. همچنین این پلیمرها همراه با انعطاف پذیری بالا دارای مقاومت بالا در برابر حلال های نفتی، ساییدگی، خستگی، ضربه پذیری بالا و مقاومت ترک خوردگی بالا در خم شدن های متوالی هستند. با این وجود به دلیل قطبیت گروه آمید آب را به خود جذب می کنند. عمده مصرف پلی آمید ها در صنعت خودرو سازی، تولید الیاف پلیمری، وسایل ورزشی، برد مدار های الکتریکی،تولید پارچه و فرش، ساخت لوله و شیلنگ، کابل های فیبر نوری و…هستند.

شکل1)تصویری از محصولات پلی آمیدی

شکل1) تصویری از محصولات پلی آمیدی

پلی آمید ها یا نایلون ها جزو پلاستیک های مهندسی هستندکه به دو روش زیر تولید می شوند:

1- پلیمریزاسیون تراکمی یک دی آمین و یک اسید دو عاملی

2- بصورت پلیمریزاسیون آمینو اسیدها

به دلیل ساختار خطی پلی آمید ها فضاهای خالی که در سایر پلیمرهای راندم (مثل پلی اتیلن) هست، در این پلیمرکمتر وجود دارد و همین عامل سبب می شود تا پلیمر ساختار منظمی داشته و زنجیرهای پلیمری در فاصله نزدیکتری از هم قرار بگیرند. البته این پلیمرها در هنگام تزریق به طور میانگین بلوری هستند، ولی برای ساخت فیبر و فیلم می توان از روش کشش مکانیکی فضاهای خالی بین زنجیرها را کمتر کرد و درجه ی بلورینگی را بیشتر نمود.

تاریخچه

شرکت دوپونت پلی هگزا متیلن را اولین بار در سال 1928 سنتزکرد که نایلون 6,6 نام گذاری شد. در سال 1935 همین پلیمر با وزن ملکولی بیشری سنتز شد که بعدها در سال ۱۹۳۸ تولید و تجاری سازی الیاف از این پلیمر شروع شد. در سال 1941 پودر های نایلون 6.6 جهت قالب گیری وارد بازار شدند.

در سال ۱۹۳۹ پلی کاپرولاکتام که دومین پلی امید سنتزی بود، را برای اولین بار توسط فاربن تهیه شد، و نایلون ۶ نام گذاری شد. پس از تولید نایلون ۶ و نایلون ۶,۶ و بقیه نایلون هایی که می شناسیم، از اختلاط دی امین ها و دی کربوکسیلیک اسید ها تهیه شدند.

شکل 2) تصویری از گرانول پلی آمید

ویژگی پلی آمیدها

درجه کریستالیتی تاثیر به سزایی بر محدوده ذوب شوندگی کریستال ها و جذب رطوبت توسط پلی آمید ها دارد. افزایش درصد کریستالیتی سبب افزایش مقاومت شیمیایی در برابر اسید و باز، استحکام و مقاومت در برابر سایش، مقدار تنش نقطه تسلیم، افزایش دمای ذوب و محدوده ی دمای کاربردی شده و بالعکس سبب کاهش ویژگی ایزولاسیونی، ازدیادطول، ضریب دی الکتریکی، شفافیت (مات شدن) و تمایل به جذب رطوبت (به دلیل کم شدن فضاهای خالی در بین زنجیر های آمیدی) می شود.

نایلون رطوبت زیادتری را نسبت به سایر پلیمرها جذب می کنند. رطوبت تاثیر قابل ملاحظه ای خواص فیزیکی وپایداری ابعادی دارد.

عمدتا تقویت نایلون ها بر روی رزین پایه خود با الیاف شیشه یا کربن سبب بهبود مقاومت کششی و خمشی می شود که قابل مقایسه با برخی از آلیاژهای ریخته گری هستند. اضافه کردن فیبر کربن به نایلون 6.6 سبب افزایش مقاومت کششی تا bar2300 و و افزایش نیروی خمشی تا bar 3400 است. این عامل همچنین سبب بهبود هدایت حرارتی ، الکتریکی و مقاومت سایشی می شود.

پلی آمید معمولا با یک عدد شناسایی می شوند.که بیانگر تعداد اتم های کربن در آمینو اسید های اولیه(نایلون 6)، و یا تعداد اتم های کربن در دی آمین و دی اسید(نایلون 6.6) است.

در جدول زیر مقایسه اولیه بین پلیمرهای رایج و پلی آمید 6 و پلی آمید 6و6 صورت گرفته است:

جدول 1) مقایسه خواص مختلف پلیمرها

ضریب انبساط خطی ( 10^-4 ×K^-1)	استحکام کششی (MPa)	قابلیت اشتعال (درصد اکسیژن)		ضریب اصطکاک	بیشترین دمای کاربردی (C)			مقاومت شیمیایی	خصوصیات
									ماده پلیمری
0.85	46	23	0.45			85	خوب		PA6
0.95	55	27	0.41			80	خوب		PA6,6
0.55	30	18	0.3			100	خوب		PP
1.55	24	16	0.3			90	خوب		PE
–	45	20	0.48			80	ضعیف		ABS

انواع پلی آمید ها

پلی آمیدها به دوصورت طبیعی مانند: پروتئین ها(ابریشم و پشم)، ومصنوعی مانند: نایلون، آرامید ها و پلی سدیم وجود دارند.

در یک تقسیم بندی دیگر پلی آمید ها از لحاظ ساختار ملکولی به دو دسته ی آلفاتیک و آروماتیک تقسیم می شوند.

آلفاتیک: پلی آمید های آلفاتیک به خاطرفاز های بلوری و آمورف، نیم کریستالی بوده، و دارای نام تجاری نایلون اند. و در ساختار پلیمری خود دارای پیوند تکراری آمید هستند. پلی آمید های 12، 11، 6,6 و 6 جز این دسته اند.
آروماتیک: این پلی آمید ها شامل حلقه بنزنی در بین گروه های آمیدی است.کولار(پلی فنیل ترفتالات) جز پلی آمید های معروف آروماتیک است. آراميدها، اليافي مصنوعي هستند که مواد تشکيل دهنده ي اين الياف پلي آميدهاي مصنوعي با زنجيره ي طويل هستند. 85% از اتصالات آراميدي در پلی آمیدهای آروماتیک به دو حلقه ي آروماتيک وصل می شوند. این پلیمر به دلیل خواص مکانیکی و مقاومت پارگی فوق العاده که دارند، در جلیقه ی ضد گلوله، سیم تله کابین، محفظه ی موتور جت، کلاه ایمنی آتش نشان ها، کابل های فیبر نوری و… مورد استفاده قرار می گیرد. آرامیدها، پلی فتال آمید از این دسته پلیمر ها هستند.

شکل 3) ساختار شیمایی کولار

مقایسه پلی آمید های PA6-PA6,6-PA11- PA12

1-ساختار شیمیایی:

پلی آمید ها با توجه به مونومر سازنده ی آنها به دو دسته ی مهم تقسیم می شوند.

1-پلی آمید های بر پایه دی آمین با فرمول ذیل:

(-NH-(CH₂)_a-CO-)_n

نام گذاری این پلیمر ها برحسب تعداد اتم کربن در ملکول اولیه می باشد. که از جمع(C+1)a حاصل می شود. و a بیانگر تکرارگروه CH₂ می باشد.

PA6 ; a=5 PA11 ; a=10 PA12 ; a=11

2-پلی آمین های بر پایه دی آمین و اسید دی کربن با فرمول ذیل:

(NH-(CH₂)₆-NH-CO-(CH₂)_b-CO-)_n

نام گذاری این پلیمر ها بر اساس تعداد اتم کربن در هریک از گروه است. b عدد دوم فرمول طبق (C+2)b بدست

می آید.

PA6,6 ; b=4 PA6,10 ;b=8 PA6,12 ; b=10

کاربرد ها

نايلون 6.6 يا PA 6,6:

اين دسته از پلي‌آميد ها از هگزا متیل دی آمین و اسید آدیپیک سنتز می شوند. و به خاطرنقطه‌ي ذوب بالا، مقاومت حرارتی نسبت به نایلون 6، مقاومت سایشی، استحکام و پایداری بالایی که دارند. در ساخت انواع قطعات اتومبیل، کیسه هوا، پوشاک، الیاف فرش، ساخت سی دی، چرخ دنده ها بلبرینگ ها، عایق برق و… کاربرد دارند. جذب بالای آب و مقاومت شیمیایی پایین از معایب این گرید از پلی آمید به شمار می آید. تولید محصولات پلی آمید 6.6 بصورت قالب ریزی تزریقی برای ساخت لوله، پروفیل ها، شیلنگ، خودکار مورد استفاده قرار می گیرند. برای افزایش سختی، مقاومت حرارتی وخزشی و… این پلی آمید می توان از الیاف شیشه استفاده کرد.

شکل 4) نمونه ای از کاربرد نایلون6.6

نايلون 6 يا PA 6

این پلی آمید نیمه کریستالی مقاومت کششی، انعطاف پذیری، ضد چروک، مقاومت سایشی و مقاومت شیمیایی در برابر اسیدها و بازها را داراست. رنگ پذیری خوب از ویژگی های بارز این پلیمر به حساب می آید. نایلون 6 را می توان با استفاده از تثبیت کننده ها در طول پلیمریزاسیون اصلاح کرده و خواص شیمیایی و واکنش پذیری آن را تقویت نمود. نایلون 6 پایداری هیدرولیکی خوب، هزینه ی ساخت و تولید کمتر و در تست های حرارتی عملکرد خیلی خوبی نسبت به نایلون 6.6 دارد. نایلون 6 در صنعت هواپیما و خودروسازی، ساخت تور،کالاهای مصرفی وصنعتی، طناب، لباس های کشی، ساخت رشته ی ابزار آلات موسیقی(تار، سه تارو ویولن)، صنایع الکترونیکی و برق مورد استفاده قرار می گیرند. فرایند ساخت و تولید نایلون 6 خیلی سخت و پیچیده نیست. ولی شرکت ها و صنایع خاص آن را تحت استاندارد و لیسانس های خاصی به کیفیت مرغوب و خوبی از محصولات آن دست می یابند.

شکل 5) نمونه ای از کاربرد نایلون 6

نايلون 11 يا PA 11

این نایلون ها از روغن کرچک سنتز می شوند، وبه آنها بیوپلاستیک نیز گفته می شود. ولی با این وجود در محیط تجزیه نمی شوند. و زیست تخریب پذیر نیستند. نایلون 11دارای مقاومت حرارتی کمی است. ولی با این وجود در طولانی مدت کارکرد و توانمندی خود را حفظ کرده، و در طیف گسترده ای از تغییرات(دما، فشار،تغییرات شیمیایی و…) کاربرد دارد. این پلی آمید ها نسبت به سایر نایلون ها در برابر اشعه ی فرابنفش مقاوم هستند. ولی در برابر هالوژن ها و اسید های قوی مقاومت خیلی کمی دارند. این گرید دانسیته و نقطه ی ذوب کمتری نسبت به نایلون 6 دارد. نوع شفاف آن که انعطاف پذیری تقریبا خوبی دارد برای ساخت انواع قطعات وارد بازار شده است. نایلون 11 در تولید لوازم ورزشي، دسته ي ابزارآلات، چرخ دنده‌ ها، خطوط سوخت خودرو، قطعات مکانيکي و پوشش‌ پودري و…استفاده مي‌شوند.

شکل 6) نمونه ای از کاربرد نایلون 11

خواص پلی آمیدها با توجه به گرید های مختلف:

خواص ساختاری

جدول 2) خواص گرید های مختلف پلی آمید

خواص فیزیکی

خواص شیمیایی

خواص مکانیکی و رئولوژی

بازار جهانی

عمده تمرکز تجارت جهانی پلی آمید ها که از 80 سال پیش آغاز شده، بیشتر بر روی PA6 و PA6,6 و به دلیل کاربرد های زیاد این دو پلی آمید حدود 90 % از تولید پلی آمید ها را به خود اختصاص داده اند. در سال 2014 میزان تجارت جهانی این دو پلیمر 24.4 میلیارد دلار بوده، و بیش بینی ها و دیدگاه ها حاکی از افزایش 31.2 میلیارد دلاری تا سال 2022می باشد. در سال 2013 میزان تقاضای جهانی برای پلی آمیدها حدود 7 میلیون تن بوده که این رقم با رشد تقریبی 3/4 % در سال 2016 به 3/7 میلیون تن رسید. که از این میزان تقاضا برای PA6 در حدود 65% برای PA6,6 در حدود25% وبرای سایر پلی آمید ها 10% بوده است. چین بزرگترین تولید کننده پلی آمید 6 در جهان است که 32 درصد از ظرفیت تولید جهانی را به خود اختصاص داده است. ایالات متحده نیز بزرگترین تولیدکننده فیبرهای پلی آمید 6.6 است که 41 درصد از ظرفیت کل جهان را تشکیل می دهد.