Nhựa polyamit (nhựa nylon) là gì?

1． Nhựa polyamit (nhựa nylon) là gì?

Nhựa polyamit là vật liệu polyme nhiệt dẻo bao gồm các chuỗi sơ cấp được hình thành bởi các liên kết amit lặp đi lặp lại (Hình 1). Vật liệu polyamit thường được biết đến với thuật ngữ nylon, tên thương mại được giới thiệu bởi Dupont - người đã thực hiện quá trình tổng hợp thành công polyamit 66 đầu tiên trên thế giới - từ đó đã trở thành một danh từ chung.

Polyamit ban đầu được phát triển làm vật liệu cho sợi tổng hợp, nhưng các đặc tính vật lý vượt trội của chúng—bao gồm độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt và kháng hóa chất—cuối cùng đã dẫn đến việc chúng được sử dụng làm vật liệu đúc phun cho nhiều ứng dụng, từ linh kiện ô tô và công nghiệp đến các thiết bị gia dụng và hơn thế nữa.

Bằng cách chọn nhiều loại monome khác nhau, bao gồm lactam, diamines và axit dicarboxylic, polyamit có thể được tạo ra với nhiều loại khung phân tử khác nhau. Ở đây chúng tôi sẽ tập trung chủ yếu vào hai loại nhựa polyamit kết tinh được sử dụng rộng rãi làm nhựa kỹ thuật đa năng: polyamit 6 (PA6 hoặc nylon 6) và polyamit 66 (PA66 hoặc nylon 66).

2．Các loại polyamit (nylon) và danh pháp của chúng

Như được hiển thị trong Hình 2-1, tồn tại hai loại quy trình sản xuất polyamit: một loại trong đó nguyên liệu thô là axit cacboxylic và amin, và loại kia sử dụng axit dicarboxylic và diamines. Polyamit được sản xuất theo phương pháp trước đây được gọi là polyamit loại n, trong khi phương pháp sau tạo ra polyamit loại m,n.

Ví dụ, polyamit 6 là vật liệu loại n được tổng hợp thông qua phản ứng trùng hợp mở vòng của caprolactam, một hợp chất trung gian được tạo ra bằng quá trình tuần hoàn ngưng tụ của axit cacboxylic và amin. Thuật ngữ "polyamit 6" xuất phát từ thực tế là số nguyên tử cacbon giữa mỗi liên kết amit [tổng số nguyên tử C trong nhóm cacbonyl và R (methylene) trong Hình 2-1] là 6 (Hình 2-2) .

Mặt khác, polyamit 66 là vật liệu loại m,n được tổng hợp bằng phản ứng trùng hợp ngưng tụ axit adipic (chứa m=6 nguyên tử cacbon) và hexamethylenediamine (chứa n=6 nguyên tử cacbon), với các liên kết amit được hình thành bởi phản ứng khử nước giữa cacboxylic. axit và amin (Hình 2-2).

3．Đặc điểm chính của nhựa polyamit (nhựa nylon)

(1) Ưu điểm

Nhìn chung, polyamit có các đặc tính vật lý nổi bật sau.

・Tính chất cơ học tuyệt vời
・Khả năng chống ma sát và mài mòn tuyệt vời
・Khả năng chịu nhiệt tuyệt vời
・Khả năng kháng dung môi hữu cơ tuyệt vời
・Ái lực cao với nhiều chất khác nhau, cho phép pha trộn với các chất màu, chất ổn định, chất phụ gia và chất tăng cường độ bền.
・Độ bền đánh thủng điện môi tuyệt vời

Mặt khác, polyamit có thể khó sử dụng vì những lý do sau.

・Kích thước và tính chất vật lý của các bộ phận có thể thay đổi tùy theo độ ẩm của môi trường sử dụng.
・Tiếp xúc kéo dài với độ ẩm ở nhiệt độ cao có thể làm suy giảm tính chất vật lý do khối lượng phân tử giảm.

→ Nhấp vào đây để biết tổng quan và các đặc tính chính của nhựa polyamide LEONA™ của Asahi Kasei

 

(2) Vai trò của các nhóm amide trong chuỗi phân tử bao gồm polyamit

a. Tăng cường liên kết liên phân tử

Như được hiển thị trong Hình 3, các nguyên tử hydro (H) gắn với các nguyên tử nitơ (N) trong nhóm amit thể hiện ái lực với các nguyên tử oxy (O) trong chuỗi phân tử gần đó, dẫn đến sự hình thành liên kết hydro. Liên kết hydro có tác dụng ràng buộc vị trí tương đối của chuỗi phân tử, hạn chế chuyển động của phân tử để tăng độ bền và khả năng chịu nhiệt (Hình 3). Việc giảm số lượng nguyên tử carbon (nhóm methylene)—ký hiệu là Rm và Rn trong Hình 2 và được biểu thị bằng quầng thâm trong Hình 3—làm tăng tỷ lệ các nhóm amit và do đó làm tăng sự phổ biến của các liên kết hydro, do đó có xu hướng tăng độ bền cơ học và khả năng chịu nhiệt (mang lại điểm chuyển hóa thủy tinh cao hơn và điểm nóng chảy cao hơn).

b. Tăng độ dẻo dai

Ái lực cao của các nhóm amit đối với nước có xu hướng làm tăng khả năng hấp thụ nước của polyamit so với các loại nhựa khác. Khi polyamit hấp thụ nước, độ dẻo dai của chúng tăng lên do sự hiện diện của các phân tử nước giữa các nhóm amit, nhưng chúng cũng biểu hiện những thay đổi khác ít được mong muốn hơn, bao gồm sự thay đổi kích thước, giảm nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh và độ cứng thấp hơn (Hình 3). Do đó, việc sử dụng vật liệu polyamit trong thực tế đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến khả năng thay đổi tính chất vật liệu do sự hấp thụ nước gây ra.

4．Ứng dụng của nhựa polyamit (nhựa nylon)

Polyamit là sự lựa chọn vật liệu đặc biệt hiệu quả cho các bộ phận xung quanh động cơ ô tô (Hình 4), trong đó khả năng chịu nhiệt và kháng dầu vượt trội của polyamit cho phép các bộ phận duy trì ổn định trong môi trường nhiệt độ cao khi tiếp xúc với các chất như xăng, chất bôi trơn và chất chống đông. Polyamit cũng là vật liệu lý tưởng cho các bộ phận của hệ thống nạp/xả khí—cần khả năng chịu nhiệt cao—và cho các bộ phận cần cách điện tốt, chẳng hạn như các đầu nối trong hệ thống điện.

Polyamit còn được sử dụng cho nhiều loại sản phẩm khác, bao gồm thiết bị điện, dụng cụ nấu ăn đòi hỏi khả năng chịu nhiệt tốt, thiết bị kiểm soát nhiệt độ và hệ thống tuần hoàn nước. Ngoài ra, việc sử dụng polyamit cho các thành phần tiện ích như khóa kéo và dây buộc cáp có thể cải thiện độ tin cậy và hợp lý hóa quy trình lắp ráp.

→ Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về các ứng dụng của nhựa polyamide LEONA™ của Asahi Kasei

5．Những cân nhắc thực tế liên quan đến việc sử dụng nhựa polyamit (nhựa nylon)

Tận dụng tối đa các đặc tính độc đáo của polyamit đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến một số cân nhắc thực tế. Trong số những điều quan trọng nhất trong số này là kiểm soát độ ẩm thích hợp trong quá trình hình thành và nhận thức về tác động của độ ẩm đến hiệu suất của sản phẩm.

Hình 5 thể hiện kết quả của một thí nghiệm định lượng sự thay đổi kích thước trong thành phần polyamit được hình thành và được giữ ở trạng thái tĩnh trong một khoảng thời gian dài. Trong thí nghiệm này, một tấm được tạo thành từ polyamit được giữ trong hai năm trong buồng đo với nhiệt độ và độ ẩm không được kiểm soát và được đo đều đặn. Bắt đầu từ trạng thái thiếu độ ẩm hoàn toàn, kích thước của tấm tăng lên trong khoảng sáu tháng đầu tiên do khả năng hấp thụ nước và các yếu tố khác. Sau đó, kích thước tấm thay đổi định kỳ do sự thay đổi theo mùa về nhiệt độ và độ ẩm.

6．Các loại nhựa polyamit (nhựa nylon) và cách phân biệt

Như đã lưu ý ở trên, bằng cách thay đổi độ dài của chuỗi lipid (nhóm methylene) có nhãn R trong Hình 3, có thể tạo ra vật liệu polyamit có các đặc tính hiệu suất khác nhau. Như đã giải thích trong Phần 3-2, việc giảm số lượng nhóm methylene sẽ làm tăng tỷ lệ các nhóm amit và do đó làm tăng sự phổ biến của các liên kết hydro, với tỷ lệ giữa methylene và nhóm amit ảnh hưởng đến các tính chất vật lý như độ bền và khả năng chịu nhiệt. Cụ thể hơn, các đơn vị R ngắn hơn mang lại độ bền và độ cứng cao hơn cũng như điểm nóng chảy cao hơn. Ngược lại, các đơn vị R dài hơn cho phép các chuỗi phân tử di chuyển dễ dàng hơn và giảm khả năng hấp thụ nước do sự phổ biến của các nhóm amide giảm, nhóm chịu trách nhiệm cho sự hấp thụ nước trong polyamit. Ngoài ra, các loại polyamit khác nhau được làm từ các nguyên liệu thô khác nhau—một số trong đó, như đã lưu ý trong phần sau, có thể có nguồn gốc từ sinh khối. Hình 6 tóm tắt dữ liệu chính về các loại polyamit phổ biến khác nhau.

7．Sử dụng nguồn sinh khối để sản xuất nhựa polyamit (nhựa nylon)

Polyamit thường được làm từ axit dicarboxylic và diamines, nhưng các chất có nguồn gốc từ thực vật cũng có thể được biến đổi về mặt sinh học hoặc hóa học để tạo ra nguyên liệu thô cho polyamit. Việc sản xuất các polyamit có nguồn gốc từ sinh khối như vậy đã được tiến hành tại Asahi Kasei, với các ví dụ bao gồm polyamit 610—được tổng hợp từ hexamethylenediamine và axit sebacic—và polyamit 11, được làm từ axit aminoundecanoic. Axit sebacic và axit aminoundecanoic được làm từ dầu thầu dầu, một loại dầu thực vật.
Asahi Kasei cũng đang tích cực theo đuổi các nỗ lực nghiên cứu nhắm mục tiêu sử dụng công nghiệp các con đường trao đổi chất ở vi sinh vật—với đường là thành phần chính—để tạo ra các tiền chất có nguồn gốc sinh học để sản xuất polyamit.

→ Nhấp vào đây để tìm hiểu thêm về những nỗ lực của Asahi Kasei nhằm đẩy nhanh sản xuất thương mại polyamide 66 có nguồn gốc từ sinh khối

Cột: Nhóm cực

Các hợp chất hữu cơ chứa liên kết cộng hóa trị (Hình 7), trong đó các nguyên tử lân cận chia sẻ electron để tạo ra các phân tử ổn định. Khi hai nguyên tử trong cặp lân cận giống hệt nhau – chẳng hạn như cặp CC ở bên trái trong Hình 8 – thì chuyển động của các electron dùng chung của chúng tập trung ở vùng cách đều chính xác giữa hai hạt nhân. Mặt khác, trong các cặp nguyên tử khác nhau lân cận, chẳng hạn như cặp CX ở bên phải trong Hình 8, các electron dùng chung chịu lực liên kết khác nhau từ hai hạt nhân và do đó có xu hướng định vị gần hơn với một trong hai nguyên tử. Đây được gọi là một nhóm cực.

Các lực liên kết khác nhau được cảm nhận bởi các electron trong các nhóm cực làm phát sinh các vùng giàu electron và nghèo electron, chúng tiến lại gần nhau và cố gắng ổn định ở một khoảng cách thích hợp. Trong polyamit, vùng H của các cặp NH giàu electron trong khi vùng O của liên kết C=O nghèo electron, do đó các vùng này chuyển sang trạng thái ổn định cách nhau một khoảng cố định; điều này giúp tăng cường lực giữa các phân tử và giúp cải thiện hiệu suất vật liệu.

Hơn nữa, nhiều hợp chất vô cơ chứa liên kết ion và do đó khá tương thích với nhựa chứa các nhóm phân cực. Đây là lý do giải thích tính chất hấp thụ nước của polyamit. Ngoài nước, ái lực của polyamit đối với sợi thủy tinh, chất tạo màu, chất chống cháy và các chất phụ gia khác cho phép tạo ra các hợp chất chuyên dụng mang lại nhiều đặc tính chức năng khác nhau.

 

(Viết bởi Isao Sato, Văn phòng Kỹ thuật Isao Sato)

Asahi Kasei cam kết cung cấp một loạt các sản phẩm nhựa kỹ thuật đầy đủ—và khai thác chuyên môn công nghệ độc đáo của chúng tôi để cải thiện hiệu suất sản phẩm. Vui lòng liên hệ với chúng tôi để đặt bất kỳ câu hỏi nào, thảo luận về bất kỳ mối quan tâm nào và yêu cầu mẫu.