了解尼龙化学

作者:文/Michael P. Sepe公司 Michael Sepe 文章来源:PT《现代塑料》2013年11月刊 发布时间:2013-11-12
本文针对尼龙化学进行了全面地分析,并对一个将数学原理应用到尼龙化学中的错误逻辑进行了纠正.

本文针对尼龙化学进行了全面地分析,并对一个“将数学原理应用到尼龙化学中”的错误逻辑进行了纠正。

大多数人可能对其所接受过的正规化学教育缺乏美好的回忆。除了偶尔在实验室中动手进行一些精巧的发泡或爆炸之类的实验外,化学这门学科貌似只会引起负面的记忆——无休止地与结构和反应机理战斗。对于有机化学而言更是如此(有机化学是高分子化学的基础),所以,如果在塑料行业中对有关材料方面的知识有点模糊,或许并不奇怪。以下讲述的实际案例,就证明了这一观点。

在对一个客户的尼龙6/6材料进行的分析中,发现有尼龙6的存在。出现这种情况并不异常,尼龙6可以被接枝到尼龙6/6分子的主链上形成一种共聚物。这种共聚物可以在较低的温度下加工,且在一个用高度增强品级成型的部件中它更容易获得一个富树脂的表面处理。

更常见的是,供应商只需把这两种聚合物共混,获得一个介于这两种基体树脂之间的平衡性能。在共聚物的情况下,分辨尼龙6的存在是不容易的,因为该材料显示的单一熔点,是落在尼龙6和尼龙6/6中间的。而在共混物中,分辨一些已经发生改变的情况就显得稍微容易一些,因为当该材料用差示扫描量热(DSC)测试时,这两种聚合物的熔点会作为独立的事件出现。但是,当告知客户在他们认为是纯尼龙6/6的复合物中有尼龙6存在时,有人告诉他们这是因为材料发生了降解——尼龙6/6降解形成了尼龙6。

这种想法与真实情况相距太远,就相当于告诉别人地球是平的一样。有这种想法的原因可能是对尼龙后面数字的含义产生了误解。

尼龙6/6采用一个包含两个数字的命名法,它是通过两个不同的化合物反应形成一个前体,然后该前体聚合成最终的材料。尼龙后面的数字表示原来各反应物中存在的碳原子数目 生产尼龙6/6的化学反应式

对于门外汉而言,尼龙6/6降解时会失去两个6中的一个成为尼龙6,这可能看起来是合理的,然而事实并非如此。尽管尼龙6和尼龙6/6有物理和化学上的相似性,但它们是用非常不同的方式制成的不同的聚合物。

尼龙6/6和所有其他两个数字的尼龙聚合物(如尼龙6/12或尼龙4/6)均采用一种涉及两个数字的命名法命名,它是用两个不同的化合物反应生成前体,然后该前体材料聚合成最终的材料。尼龙后面的数字表示最初每个反应物上的碳原子数目。

尼龙6/6是由1,6-己烷二胺和己二酸聚合而成的。二元胺含有6个碳原子,二元酸也含有6个碳原子,正如“己”在这两个名字中所含的意思。所以当聚合物形成时,会有两个不同的部分,且在每个重复单元的聚合物链上是6个碳原子的长度。图1显示了这个反应,且你可以逐一数出每个反应物以及链段重复单元中的6个碳。

其中的一个碳原子是使尼龙具有独特性能的关键化学基团上的一部分。这个基团被称为酰胺基团(世界上大多数的尼龙都被称为聚酰胺),它决定了尼龙具有相对较高的熔点、强度和湿气亲合性。图1中重点突出了这个基团,图2中则显示了更多该基团的细节。第一个数字是指二元胺,第二个数字是指二元酸。因此,在制备尼龙4/6中,使用了与制备尼龙6/6相同的二元酸,但二元胺只包含4个碳。这就缩短了酰胺基团之间的间距,形成了一种比尼龙6/6具有更高强度、刚度和熔点的材料。

尼龙是聚酰胺通过一个胺和一个酸反应生成的。酰胺基团决定了尼龙具有相对较高的熔点、强度和湿气亲合性

在尼龙6/12中,二元胺仍然相同,但所使用的二元酸则包含12个碳。从而增大了酰胺基团之间的间距,导致力学性能和熔点的下降。但又因为酰胺基团决定了聚合物的湿气亲合性,所以尼龙6/12要比尼龙4/6和尼龙6/6更耐湿度增加和相关尺寸及力学性能上的变化。

尼龙6和其他只含一个单一数字的尼龙聚合物均是采用一个完全不同于包含两个数字的尼龙聚合物的方式制备的。即采用一种单一的化合物。该化合物具有一个环状结构,并且包含形成酰胺功能所需要的两种化学基团。图3显示了用己内酰胺单体生产尼龙6的化学反应。该单体的正式名称是氨基己酸,环状形式时则被称为己内酰胺。当环被打开时,它与自身进行反应形成尼龙6聚合物。这个重复单元也含有6个碳原子,但只有5个碳连接氢,第六个碳是酰胺基团的一部分。

虽然尼龙6中酰胺基团之间的平均间距与尼龙6/6一样,但由于分子间距中的细节不同,使得尼龙6/6的熔点要比尼龙6高出约40℃以上,并且强度和刚度也要略微高一些。尼龙6和尼龙6/6是采用完全不同的方法制成的完全不同的材料。虽然它们可以结合起来,产生多种多样的性能,但是它们不能被互相转换。尼龙6/6降解时会产生副产品,但绝不会是尼龙6。

这是用于生产尼龙6的化学反应。该单体的正式名称是氨基己酸,环状形式时则被称为己内酰胺。当环被打开时,它与自身进行反应形成尼龙6聚合物。这个重复单元也含有6个碳原子,但只有5个碳连接氢,第六个碳是酰胺基团的一部分

现在大家都在谈论尼龙12,它在世界市场上的短缺现象是由于一家制造环十二碳三烯(CDT)的化合物工厂发生爆炸而引起的。通过一系列的化学反应,CDT这种12个碳的环状结构,会变成一种名为月桂内酰胺的化合物。该化合物是一个12碳环,具有和己内酰胺相同的酰胺功能。

但是,当尼龙12制成时,酰胺基团的间距则是尼龙6的两倍,从而导致尼龙12的熔点比尼龙6低50~60℃。更重要的是,尼龙12更柔软,可以被制成软管、油管甚至球囊导管。如果采用上述同样的错误逻辑——当尼龙6/6降解时就能形成尼龙6,那么应该能够通过降解一些尼龙6/12来解决尼龙12的短缺。更妙的是,通过简单的数学原理,应该可以把尼龙6/6转换成尼龙12。这很简单,但对吗?

答案显然是否定的。如果其他尼龙成功地代替了尼龙12(尼龙11是最有可能的,但它也供不应求),那绝对是由于对化学熟练操作的组合以及对于设计、加工的优化和使用添加剂优化性能的结果。化学很少会和它看起来的那样简单,高分子化学更加复杂,尼龙化学要比做数学更复杂。

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