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聚酰胺

聚酰胺(英语:PolyamidePA)是由含有羧基氨基单体通过酰胺键聚合成的高分子。此聚合物可天然生成(如羊毛蚕丝等各种天然蛋白质),或以人工方式通过逐步聚合或固相聚合(如尼龙)或芳香聚酰胺和钠聚(如天门冬氨酸)生产。由于其极端的耐用性和强度,人工聚酰胺聚合物常见于纺织品地毯、运动装、食物包装、眼镜零件、汽车飞机零件轮胎、军用品及防护装备等用品生产。

分类

根据其主链的成分区分

人工合成的聚酰胺根据其主链的成分可区分为以下的种类:

聚酰胺种类 主链的特色 化学组成的例子 商业产品的例子
脂肪聚酰胺 脂肪族化合物 聚酰胺6 聚酰胺66 杜邦尼龙6尼龙66
聚苯二甲酰胺 半芳香族化合物 聚酰胺6T = 六亚甲基二胺 (1,6己二胺) + 对苯二甲酸 德国赢创工业Evonik Industries)的 Trogamid
杜邦的 Zytel
芳香聚酰胺 芳香族化合物 克维拉 = 对苯二胺 + 对苯二甲酸
诺梅克斯(Nomex) = 间苯二胺 + 间苯二甲酸
杜邦的克维拉和诺梅克斯
日本帝人株式会社的Teijinconex,Twaron,与Technora
法国Kermel公司的Kermel。

根据其重复单位的数目区分

根据其重复单位的数目,聚酰胺可以分为以下类型:

  • 均聚物 :均聚物又可分为:
    • 单独单体均聚物
      • 聚酰胺6:[NH -(CH 2 5 - CO] N 由ε- 己内酰胺制成;
      • 聚酰胺11,(聚ω-氨基十一酰):[NH -(CH 2 10 - CO] N 由11-氨基十一酸制成;
      • 聚酰胺12,(聚十二内酰胺):[NH -(CH 2 11 - CO] N 由12-氨基十二酸制成;
    • 双单体均聚物
      • 聚酰胺66:[NH -(CH 2 6 - NH - CO -(CH 2 4 - CO] N 己二胺己二酸制成;
      • 聚酰胺610:[NH -(CH 2 6 - NH - CO -(CH 2 8 - CO] N 由己二胺和癸二酸制成;
      • 聚酰胺6T:[NH -(CH 2 6 - NH - CO -(C 6 H 4 )- CO] N 由己二胺和对苯二甲酸制成;
      • 聚酰胺6I:[NH -(CH 2 6 - NH - CO -(C 6 H 4 )- CO] N 由己二胺和间苯二甲酸制成;
      • 聚酰胺9T:[NH -(CH 2 9 - NH - CO -(C 6 H 4 )- CO] N 由1,9壬二胺和对苯二甲酸制成;
      • 聚酰胺M5T:[NH -(C2 H 3 )-(CH 3 ) -(CH 2 3 ) - NH - CO -(C 6 H 4 )- CO] N 由2-甲基-1,5-戊二胺和对苯二甲酸制成;
  • 共聚物
    • 聚酰胺6/66:[NH-(CH2)6−NH−CO−(CH2)4−CO]n−[NH−(CH2)5−CO]m 由己内酰胺,己二胺和己二酸制成;
    • 聚酰胺66/610 [NH−(CH2)6−NH−CO−(CH2)4−CO]n−[NH−(CH2)6−NH−CO−(CH2)8−CO]m 由己二胺,己二酸和癸二酸制成。

根据结晶度区分

根据他们的结晶度,聚酰胺可以是:

  • 结晶 (由于高分子分子量太大,虽然有些高分子化学结构容许完美的结晶,通常结晶度并不完全[1]):
    • 高结晶度:聚酰胺46、聚酰胺66等;
    • 低结晶度:聚酰胺MXD6 由间苯二甲胺和己二酸制成;

根据这三项分类,举例说明:聚酰胺66(尼龙66)是一种脂肪族半结晶的均聚酰胺。

化学反应

酰胺链一般是从氨基羧酸酰氯缩合反应生产。通常脱去一个小分子,可能是氯化氢

高分子可由同时具有氨基和羧基的单体构成,或者可由两种不同的双功能单体构成,一个具有2个氨基酸组,另一个具有两个羧基或酸氯组。

氨基酸可以被视为单一单体(如果忽略各氨基酸不同的 R组),与其他氨基酸反应,形成聚酰胺:

两种氨基酸的反应,长链蛋白质由许多这种反应产生。

克维拉(如图所示)是由两个不同的单体的不断交替反应,形成聚合物,是一种芳香聚酰胺

1,4 - 苯基二胺(对苯二胺)和对苯二甲酰氯反应产生克维拉

一个比较特别的例子是聚酰胺6由ε- 己内酰胺的开环反应制成,不是缩合反应

己内酰胺的开环反应。

化学性质

克维拉的巨型分子结构:粗体标示了克维拉之重复单位,虚线标示了氢键。

氢键

聚酰胺由于分子间的氢键对其物理性质有重大影向,使得其有极端的耐用性和强度。尼龙66纤维坚韧,具有弹性和光泽,以及较高的拉伸强度。它的熔点是摄氏265度,比一般热塑性塑料要高出许多。它也具有高耐磨损和抗酸和碱等化学品。这些纤维会吸收高达 2.4%的水,而这会降低抗拉强度。尼龙11,12,610及612等,由于氢键密度较低,拉伸强度比尼龙66或尼龙6要低很多,但是吸水性较低、耐磨损和抗酸和碱性能比较好[2]

芳纶纤维,如克维拉®或Twaron®,是最流行的防弹纤维,由于两个氢键中是僵硬的苯环,分子自然形成同一方向的长直晶体,使其拉伸强度非常巨大,约为同重量的的5倍[3]。克维拉没有熔点,适合用作防热材料。

静电

这些材料的一部分通常是完全绝缘体,并会产生静电,这可能会导致危险的火花,可能会损坏制造工厂的电子仪器和消费产品。这就需掺入导电添加物,如炭黑金属导电聚合物。最常见的导电添加物是炭黑。两种材料各有加工处理的缺点,而以白银作抗静电添加物很明显太昂贵。许多尼龙零件均添加炭黑而呈现黑色。

性能分析

熔点、结晶度等可以由热分析及X射线晶体学等分析方法决定。

用途

人工合成的聚酰胺有以下用途:

  • 尼龙:牙刷、纺织品、地毯、齿轮、轴承
  • 尼龙-MXD6:食物包装,有卓越的气体阻隔性能,耐热性和高透明度[4]
  • Trogamid:眼镜架[5]、镜片[6]、汽车工业、机械工业、医疗器械、体育运动器材。
  • 克维拉:船体、飞机、自行车轮胎、防弹衣、防弹头盔、防护手套[7]
  • 诺梅克斯与Kermel:防火衣、防热衣、防火头盔、防热头盔

参考资料

  1. ^ Morrison and Boyd,《Organic Chemistry》, Chapter 32 Macromolecules, Polymers and Polymerization
  2. ^ Fred W. Billmeyer, 《Textbook of Polymer Science》, Polyamide
  3. ^ Bullet Proof ME Body Armor. [2011-08-21]. (原始内容存档于2011-08-18).
  4. ^ Nylon-MXD6 (PDF). [2011-08-21]. (原始内容 (PDF)存档于2011-01-09).
  5. ^ 镜架 TROGAMID CX. [2011-08-21]. (原始内容存档于2016-03-05).
  6. ^ 镜片 TROGAMID CX. [2011-08-21]. (原始内容存档于2016-03-05).
  7. ^ Kevlar®. [2011-08-21]. (原始内容存档于2011-08-16).



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