正文 6.1 聚酰胺(1 / 3)

工程塑料一般是指在較廣的溫度範圍內,在一定的機械應力和較苛刻的化學、物理環境中能長期作為結構材料使用的塑料。工程塑料既具有獨特的力學性能,又具有耐熱、耐低溫、電絕緣、耐磨、耐化學腐蝕、耐氣候等優良特性,因此具有廣泛的用途。一般按耐熱能力將工程塑料分為通用工程塑料(耐熱100~140℃)和特種工程塑料(耐熱150℃以上)兩類。通用工程塑料用量大、價格適中、加工方便,多作結構材料使用;特種工程塑料價格昂貴、耐熱等級高、可作結構材料或特殊用途材料,多用於國防和尖端科技領域。本章僅對聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、熱塑性聚酯和改性聚苯醚五大通用工程塑料進行介紹。

聚酰胺(Polyamide,簡稱PA),俗稱尼龍(Nylon),是主鏈鏈節中含有酰胺基的線形聚合物的總稱。PA是五大通用工程塑料中開發最早、產量最大、應用最廣泛的品種,其產量約占工程塑料總產量的三分之一。按組成和結構的不同,熱塑性PA分為脂肪族PA、芳香族PA、半芳香族PA、脂環族PA和含雜環的PA等類型,其中最為廣泛應用的是脂肪族聚酰胺,脂肪族聚酰胺又分為p型和mp型。

p型PA是內酰胺的分子通過開環聚合或ω-氨基酸自縮聚而成,結構式為NHCH2p-1COx,p代表單體中所含碳原子數,典型代表有PA6、PA7、PA8、PA9、PA11、PA12和PA3、PA4等,其中PA6、PA9應用最廣。

PA的命名主要是根據各個重複的酰胺基團的碳原子數,如果聚合物是由兩種反應物(一般是二元胺和二元酸)合成的,那麼命名的第一個數是指二元胺的碳原子數,第二個數是指二元羧酸的碳原子數。如果聚合物是由一種單體縮聚而成,例如,由己內酰胺開環縮聚而成就命名為PA6。相當多的PA樹脂是與增強材料、填料、抗衝改性劑、阻燃劑及其他添加劑混料以適應更寬的應用領域,滿足特定的價格、性能的要求。其中,PA6和PA66是兩種用量最大的PA品種,大約占PA總量的90%左右。

6.1.1聚酰胺的結構特征

PA分子中含有許多極性很強的酰胺“—NH—CO—”基團。一個分子鏈中酰胺基團上與氮原子相連的氫原子能與另一個分子鏈上羰基基團的給電子基締合成相當強的氫鍵,氫鍵的形成增大了分子鏈之間的作用力,有利於大分子在一定程度上定向排列,所以PA通常都有較高的結晶度,並且氫鍵的形成導致PA熔點升高,使製品具有優良的強度、韌性、耐油和耐溶劑性及優異的力學性能。另一方麵,由於所有脂肪族PA分子鏈都是線形結構,分子鏈骨架由“—C—N—”鏈組成,嵌入酰胺基之間的亞甲基是非極性疏水基,提供分子柔性,賦予材料良好的韌性。

不同品種的PA單體所含碳原子數不同,使分子鏈之間所能形成的氫鍵比例數及氫鍵沿分子鏈分布的疏密程度不同,使不同PA的結晶能力和熔點有明顯差別。對於p型PA,凡單體中含有奇數個碳原子者,其聚合物分子鏈上酰胺基都可100%形成氫鍵;單體中含有偶數個碳原子者,聚合物的酰胺基隻能50%形成氫鍵;對於mp型PA,凡兩種單體中都含有偶數碳原子者,其聚合物分子鏈上酰胺基都可100%形成氫鍵;但兩種單體中,全部或其中一種單體含有奇數個碳原子者,聚合物的酰胺基僅能50%形成氫鍵。

氫鍵密度對PA的性能產生重要影響。隨著亞甲基含量的增加即亞甲基/酰胺基比值的增加,氫鍵密度減小,分子間引力減弱,PA的熔點降低,例如,由於PA1010酰胺基之間的亞甲基數比PA66多近一倍,導致PA1010的熔點約180℃,比PA66(熔點為260℃)低近80℃。

由於氫鍵對PA分子中碳原子數的“奇-偶”效應,使含有奇數碳原子的PA的熔點比其相鄰的兩個含有偶數個碳原子的PA的熔點高。如 PA7分子中含有7個碳原子,其熔點(約 227℃)比 PA6的(約215℃)和PA8的(約180℃)都高。氫鍵密度的差別還使PA的結晶結構不同。