11. PA - Happy Materials

Plasty pro stavebnictví a architekturu 11 –
Polyamidy
29. 4. 2008, IVANA VEJRAŽKOVÁ
Mezi polyamidy je řazena široká skupina polymerů, v jejichž makromolekulárních
řetězcích jsou uhlovodíkové bloky spojené vazbami –CO-NH–. Tyto polymery byly
vyvinuty jako extrémně pevná a pružná vlákna, dnes se běžně používají jako
konstrukční materiály nahrazující kov.
Historie objevu polyamidů
Dr. Wallace Carothers a jeho kolegové se ve 30. letech 20. století věnovali v experimentálním
středisku firmy DuPont studiu lineárních polymerních molekul. Výsledkem jejich
experimentů byly mimo jiné polyamidy, zejména polyamid 66 – Nylon – první syntetické
vlákno na světě. Nylon měl okamžitý komerční úspěch. V květnu 1940, kdy byly nylonové
dámské punčochy uvedeny na americký trh, se jich za jediný den prodalo 5 miliónů párů!
Právě po úspěšné syntéze nylonu se začalo schylovat ke druhé světové válce a jeho výroba se
přiklonila k vojenskému využití. Japonci hrozili zablokováním dovozu čínského hedvábí
používaného na výrobu padáků. Nově vyvinutá nylonová vlákna byla však pro výrobu
vojenských padáků a sítí proti moskytům vhodnější než drahé hedvábí.
Polyamid je nejpoužívanějším materiálem pro výrobu kobercových vláken
Mezitím, na druhé straně Atlantického oceánu, v laboratořích německé firmy IG Farben
zahájil práci na kondenzačních reakcích Paul Schlack. V roce 1938 byl syntetizován
polykaprolaktam neboli polyamid 6. U nás pracoval Otto Wichterle se spolupracovníky na
polymeraci kaprolaktamu tajně už během války v tehdejších Baťových laboratořích ve Zlíně.
Po válce se pak Wichterle podílel na zavedení průmyslové výroby polyamidu 6, nejprve
v Chemických závodech v Žilině, později také v Plané nad Lužnicí. Původní název našeho
domácího polyamidu winop (podle výzkumného týmu Wichterle – Novotný – Procházka) byl
později změněn na silon. Tento materiál je také známý pod obchodními názvy dederon
(výroba v bývalé NDR) nebo kapron (Sovětský svaz).
Rozdělení polyamidů
Podle struktury makromolekul dělíme polyamidy na:
● Alifatické:
– uhlovodíkové úseky makromolekuly mají lineární alifatický charakter,
– dále se dají rozdělit na jednoduché a složené;
● Aromatické:
– uhlovodíkové segmenty hlavního řetězce makromolekuly jsou tvořeny benzenovými jádry,
– dělení na jednoduché a složené se u nich nepoužívá, vždy se jedná o polyamidy složené.
Alifatické polyamidy
K označování alifatických polyamidů byl zaveden systém, který udává počet uhlíkových
atomů ve stavebních jednotkách řetězců. Tak PA 6 je polyamid z jediného (cyklického)
monomeru se 6 uhlíky (ε-aminokaprolaktamu); pokud je PA ze dvou monomerů, prvé číslo
určuje počet atomů uhlíku v diaminu, druhé v dikarboxylové kyselině, např. PA 66 je
polyamid z hexamethylendiaminu a kyseliny adipové.
Z cyklických laktamů má pro svoji dostupnost největší význam 6-kaprolaktam – polyamid 6,
v anglicky psané literatuře se můžeme setkat s označením Nylon 6. Je to tvrdá, světle žlutá
hmota, tající při 215 až 220 °C na kapalinu o velmi nízké viskozitě. Má dobré mechanické
vlastnosti, nízký koeficient tření a výbornou otěruvzdornost, dobrou rázovou houževnatost
a elektroizolační vlastnosti. Nevýhodou je značná navlhavost. Používá se pro výrobu vláken
i jako konstrukční materiál. PA 6 se zvlákňuje z taveniny protlačováním tryskami
s následným dloužením a praním (zbavování monomeru). Vyrábějí se hedvábná vlákna, stříž,
kordy do pneumatik, kobercová vlákna, monofily aj. Vlákna mají značnou pevnost, odolnost
proti otěru, dobře se barví, avšak mají sníženou odolnost vůči povětrnostnímu stárnutí.
Polyamid 6 se používá jako konstrukční materiál pro výrobu ozubených kol a ložisek
a dalších výrobků, kde se uplatní nízký koeficient tření.
Polyamid 66 je nejdůležitějším zástupcem polyamidů vyráběných polykondenzací diaminů
a dikarboxylových kyselin. PA 66 má ve srovnání s PA 6 výhodu ve vyšší teplotě tání,
poněkud vyšší pevnosti a nižší navlhavosti. PA 66 slouží v širokém měřítku jako konstrukční
termoplast i jako materiál pro výrobu vláken a fólií.
Polyamid 46 je polyamid s vysokou tepelnou odolností. Při pracovních teplotách 85–180 °C
si zachovává vynikající mechanické vlastnosti, a proto je často využíván jako náhrada kovu
v automobilovém průmyslu.
Polyamid 11, vyvinutý firmou Arkema v roce 1942, je výjimečný tím, že jeho výroba vychází
z obnovitelného zdroje – rostlinného oleje ze skočce obecného, tedy ricinového oleje.
Zvyšující se spotřeba ricinového oleje přispívá k rozvoji některých regionů (Jižní Amerika,
Indie, jihovýchodní Asie).
Obecné vlastnosti alifatických polyamidů
Rádio firmy National Panasonic vyráběné v letech 1968–1970 s krytem ze vstřikovaného
polyamidu
Většina polyamidů jsou semi-krystalické a obecně velmi tvrdé materiály s dobrou tepelnou
a chemickou odolností. Byla vyvinuta řada PA nabízejících širokou paletu vlastností pro
nejrůznější využití. Charakteristickou vlastností všech semi-krystalických polyamidů je, že
absorbují vlhkost, jsou-li skladovány na vzduchu nebo ponořeny do vody. Míra absorpce
vody je převážně určována typem polyamidu, mírou krystalinity a okolní vlhkostí.
Absorbovaná voda zmenšuje mezimolekulární síly, což znamená, že má změkčující účinek.
Ten se prakticky projevuje ve snížení pevnosti, tvrdosti a tuhosti.
Na opačné straně pak nárůstem rázové a vrubové houževnatosti.
Polyamidy mají dobrou odolnost k většině chemikálií, mohou být však degradovány silnými
kyselinami, zásadami a alkoholy. Polyamidy jsou tepelně odolné, vyztužené typy mohou
pracovat až do teplot kolem 185 °C.
Podle výchozích monomerů vznikají polyamidy různých typů (např. PA 6, PA 66, PA 46, PA
610, PA 11, PA 12). Polyamidy jsou vyráběny jako homopolymery, kopolymery nebo
vyztužené skelnými nebo jinými vlákny. Polyamidy mohou být také míšeny s jinými plasty,
aby bylo dosaženo požadovaných vlastností.
Zpracování alifatických polyamidů
Alifatické PA lze zpracovat všemi postupy obvyklými pro termoplasty – vstřikováním,
vyfukováním, litím, vytlačováním na film nebo zvlákňováním z taveniny. Lze je svařovat,
lepit, potiskovat i pokovovat. Polotovary jako tyče a desky jsou určeny převážně k výrobě
strojních součástek soustružením a frézováním, např. kluzkých ložisek, pouzder, ozubených
kol a složitějších dílců. Odlévání tvarových výrobků, resp. jejich obrábění z polotovarů, se
používá v případech, kdy masová výroba vstřikováním z polymerního granulátu by byla
neekonomická nebo pro jejich velikost běžnými postupy technicky nerealizovatelná.
Kord pneumatiky vyztužený aramidovými vlákny Kevlar®
Karbonová a aramidová vlákna umožňují výrobu extrémně pevných, a přitom úzkých ráfků s
vynikajícími aerodynamickými vlastnostmi
Využití alifatických polyamidů
Široké možnosti použití polyamidů – ve formě granulí i vláken – jsou dány jejich
výjimečnými vlastnostmi, jako jsou vysoká houževnatost, tepelná odolnost, pevnost, odolnost
proti otěru, dobré elektroizolační vlastnosti a barvitelnosti.
Konstrukční plasty
V automobilovém průmyslu nahrazují polyamidy ocelové a hliníkové části vozů. Jsou lehké,
nekorozivní a především samomazné, proto se uplatňují jako ozubená kola, ložiska a jiné
součásti motorů. Polyamidy mají dobré elektrické vlastnosti, používají se v elektrických
a elektronických zařízeních jako konektory, izolační systémy, elektrické rozvody, vypínače,
zásuvky apod.
Průmyslová vlákna
Polyamidy jsou využívány pro řadu průmyslových aplikací, např. jako filtrační tkaniny, kordy
pneumatik, pásových dopravníků, na výrobu airbagů, lan a provazů, nití, sítí, rybářských
vlasců apod.
Textilní vlákna
Polyamidová vlákna jsou využívána pro výrobu na omak příjemných a pohodlných
potahových látek pro nábytkářský a automobilový průmysl, nášlapné vrstvy koberců, textilií,
sportovního oblečení, mimo jiné i pro výrobu extrémně odolných ochranných oděvů,
kombinéz pro piloty tryskových letadel, průmyslové elektro- a oděruodolné izolace. Stále
dokonalejší polyamidová vlákna jsou dnes spojována s kvalitou, pohodlím, funkčností
a designem, což byly dříve vlastnosti přisuzované pouze přírodním vláknům.
Pracovní rukavice z materiálu SuperFabric® na bázi aramidových a polyamidových vláken
jsou měkké, a přitom pevné, odolné proti proříznutí a částečně i ohnivzdorné
Obalový materiál
Polyamidové fólie jsou používány na balení potravin, nabízejí pevnost a nízkou propustnost
plynů spolu s tepelnou odolností.
Aromatické polyamidy
Aramidy je zkratka sousloví aromatické polyamidy. Aramidy vznikají napojením
aromatických struktur na polyamidový řetězec. V 60. letech 20. století bylo firmou DuPont
uvedeno na trh meta-aramidové vlákno Nomex®. Toto vlákno má vynikající odolnost vůči
žáru a plamenům (bod tání přes 400 °C), je odolné proti mnoha chemikáliím, pružné, snadno
se zpracovává. Na světovém trhu dominuje zejména na poli ochranných oděvů pro hasiče,
armádu a policii.
Dalším aramidem vyvinutým firmou DuPont je para-aramidové vlákno Kevlar®. Díky své
pozoruhodné pevnosti (5krát pevnější než ocel při stejné hmotnosti) v kombinaci s vysokou
teplotní odolností (bod tání přes 550 °C) je vyhledávaným materiálem v celé řadě náročných
aplikací. Kevlar® se používá v automobilovém průmyslu jako náhrada azbestu ve spojkovém
a brzdovém obložení, v různých druzích automobilových hadic i v kordech pneumatik.
Uplatňuje se v optických kabelech, ale i v kompozitních strukturách pro lehké pancéřování
vozidel, při výrobě letadel, lodí a sportovního zboží. Toto vlákno se také používá na výrobu
balistických vest a přileb, odolných vůči střelám a střepinám.
Tkanina ze směsi aramidového vlákna Kermel® a viskózy používaná na výrobu ochranných
oděvů je měkká a příjemná na dotyk, zároveň nehořlavá
Detail struktury tkaniny z karbonových a aramidových vláken
Externí výztuže betonových struktur aramidovými kompozity
Koncepce externí výztuže betonových konstrukcí použitím kompozitního materiálu je známá
více než 20 let. Výhodou této metody je rychlost a jednoduchost a výrazné zvýšení pevnosti
konstrukce s malým navýšením její hmotnosti. Je možné využít kompozitní materiály
vyztužené skleněnými, karbonovými nebo aramidovými vlákny.
Případy vhodného použití externí výztuže:
● pro zvýšení nosnosti betonových pilířů budov a mostů;
● obnova strukturální integrity betonové struktury, jejíž ocelová výztuž je zkorodovaná;
● ochrana mostních pilířů před nárazy těžkých vozidel;
● vyztužení pilířů v seismicky aktivních oblastech.
Plastikářský průmysl je jedním z nejdůležitějších světových průmyslových odvětví. Objem
výroby syntetických polymerů roste rychleji než objem výroby oceli. V současné době je
zhruba 88 % vyrobených plastů konvenčních, zbývajících 12 % připadá na speciální plasty.
Díky vývoji a výzkumu nových materiálů a aplikací lze očekávat, že podíl speciálních plastů
poroste.
foto Extreme Textiles, Matylda McQuaid (1 a 3–8 ), Deutsches Kunststoff Museum (2),
Smithsonian Institution, National Air and Space Museum (9 a 10)