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工程塑料“山大王”——尼龍是怎么誕生的?
聚酰胺纖維俗稱尼龍(Nylon),英文名稱Polyamide(簡稱PA),密度1.15g/cm3,是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)—[NHCO]—的熱塑性樹脂總稱,包括脂肪族PA,脂肪—芳香族PA和芳香族PA。其中脂肪族PA品種多,產(chǎn)量大,應(yīng)用廣泛,其命名由合成單體具體的碳原子數(shù)而定。 尼龍是世界上首先研制出的一種合成纖維,也是目前工程塑料中產(chǎn)量最大的品種。人們對尼龍并不陌生。在日常生活中尼龍制品比比皆是,但是知道它歷史的人就很少了。作為塑料圈的一員,不懂尼龍的歷史怎么說得過去呢?今天小編就跟大家學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)尼龍的誕生和發(fā)展歷程。
尼龍的發(fā)展簡史:
1931年:杜邦公司的卡羅澤斯開發(fā)尼龍-66,成為最先開工業(yè)化的工程塑料,并于1939年杜邦公司組織生產(chǎn)。
1942年:德國人開發(fā)了尼龍-6的工業(yè)技術(shù),并作為纖維開發(fā)應(yīng)用。
1961年:中國開發(fā)PA1010。
1972年:杜邦公司開發(fā)芳香族尼龍工業(yè)化技術(shù)。
一、尼龍的誕生記
本世紀(jì)初,企業(yè)界搞基礎(chǔ)科學(xué)研究還被認(rèn)為是一種不可思議的事情。1926年,美國最大工業(yè)公司-杜邦公司的的董事斯蒂恩出于對基礎(chǔ)科學(xué)的興趣,開展有關(guān)發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)事實(shí)的基礎(chǔ)研究。
1927年杜邦決定每年支付25萬美元作為研究費(fèi)用,并開始聘請化學(xué)研究人員,到1928年杜邦公司在特拉華州威爾明頓的總部所在地成立了基礎(chǔ)化學(xué)研究所,年僅32歲的卡羅瑟斯(Wallace H. Carothers,1896~1937)博士受聘擔(dān)任該所有機(jī)化學(xué)部的負(fù)責(zé)人。
華萊士·卡羅瑟斯
卡羅瑟斯的想法是做一個高聚物纖維,它的面料熔點(diǎn)必須高到足以經(jīng)受住正常使用,同時還需低到足以進(jìn)行處理和批量紡織。一開始卡羅瑟斯選擇了二元醇與二元羧酸的反應(yīng),想通過這一被人熟知的反應(yīng)來了解有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)間的關(guān)系。在進(jìn)行縮聚反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中,得到了分子量約為5000的聚酯分子。為了進(jìn)一步提高聚合度,卡羅瑟斯改進(jìn)了高真空蒸餾器并嚴(yán)格控制反應(yīng)的配比,使反應(yīng)進(jìn)行得很完全,在不到兩年的時間里使聚合物的分子量達(dá)到10000~20000。
1930年,卡羅瑟斯用乙二醇和癸二酸縮合制取聚酯,羅瑟斯的同事希爾在從反應(yīng)器中取出熔融的聚酯時發(fā)現(xiàn)了一種有趣的現(xiàn)象:這種熔融的聚合物能像棉花糖那樣抽出絲來,而且這種纖維狀的細(xì)絲即使冷卻后還能繼續(xù)拉伸,拉伸長度可以達(dá)到原來的幾倍,經(jīng)過冷拉伸后纖維的強(qiáng)度和彈性大大增加。這種奇特現(xiàn)象使他們預(yù)感到這種特性可能具有重大應(yīng)用價值,有可能用熔融的聚合物來紡制纖維。
然而,繼續(xù)研究表明,從聚酯得到纖維只具有理論上的意義。因?yàn)楦呔埘ピ?00 ℃以下即熔化,特別易溶于各種有機(jī)溶劑,只是在水中還稍穩(wěn)定些,因此不適合用于紡織。隨后,卡羅瑟斯和他的助手專注于尋找新的材料,酰胺由酸及氨的衍生物制成的材料。1934年5月,化學(xué)家唐·科夫曼取得了第一個超聚酰胺。兩個月后,化學(xué)家韋斯利彼得森做出了以蓖麻油作原料的聚酰胺,但蓖麻油并沒有足夠大的量能被用做原料。
卡羅瑟斯又對這一系列的聚酯和聚酰胺類化合物進(jìn)行深入的研究。經(jīng)過多方對比,1935年2月28日首次由己二胺和己二酸合成出的聚酰胺6/6。這種聚酰胺不溶于普通溶劑,熔點(diǎn)為263 ℃,高于通常使用的熨燙溫度,拉制的纖維具有絲的外觀和光澤,在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上也接近天然絲,其耐磨性和強(qiáng)度超過當(dāng)時任何一種纖維。
接著,杜邦公司又解決了生產(chǎn)聚酰胺6/6原料的工業(yè)來源問題,于1939年12月12日重新定名為耐綸(Nylon)開始工業(yè)化生產(chǎn),這也是最早實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的合成纖維品種。
二、尼龍的處女作——絲襪的誘惑
尼龍的合成奠定了合成纖維工業(yè)的基礎(chǔ),尼龍的出現(xiàn)使紡織品的面貌煥然一新。用這種纖維織成的尼龍絲襪既透明又比絲襪耐穿,1939年10目24日杜邦公在總部所在地公開銷售尼龍絲長襪時引起轟動,被視為珍奇之物爭相搶購。人們曾用“象蛛絲一樣細(xì),象鋼絲一樣強(qiáng),象絹絲一樣美”的詞句來贊譽(yù)這種纖維,到1940年5月,尼龍纖維織品的銷售遍及美國各地,隨后剩下的7個月時間,杜邦公司更賺得300萬美元,還清尼龍項(xiàng)目的整個研發(fā)預(yù)算。
1938年杜邦公司生產(chǎn)尼龍絲襪風(fēng)靡各地
二戰(zhàn)期間,尼龍工業(yè)被轉(zhuǎn)向制造降落傘、飛機(jī)輪胎簾子布、軍服等軍工產(chǎn)品。美國陸軍收購了全部的尼龍產(chǎn)品,用以制造百余種軍事裝備。
由于尼龍的特性和廣泛的用途,二戰(zhàn)過后發(fā)展依舊非常迅速,因?yàn)閼?zhàn)爭切斷了日本的絲綢用品,尼龍制產(chǎn)品需求較1946年更甚,從絲襪、衣著到地毯,漁網(wǎng)等,尼龍制產(chǎn)品以難以計數(shù)的方式出現(xiàn)。
聚酰胺(PA)纖維的應(yīng)用
三、汽車市場的應(yīng)用
尼龍是偶然機(jī)遇下創(chuàng)造出的非凡產(chǎn)品。雖然尼龍的處女作是纖維織物,隨著時間洪流“絲襪”一詞也以替代尼龍成為代名詞。而尼龍材料作為模塑樹脂材料也被發(fā)現(xiàn)在汽車市場擁有其重要的市場地位。
“尼龍是夢幻般的汽車用材料。”杜邦公司的理查德·梅奧在最近的一次電話采訪中說。他是杜邦公司高性能聚合物的全球業(yè)務(wù)總監(jiān),在銷售、技術(shù)和管理方面已經(jīng)由20年以上的經(jīng)驗(yàn),他表示,尼龍定位于樹脂與工程樹脂之間,經(jīng)過多年的發(fā)展,它可以比以前處理更高的溫度。因?yàn)楫?dāng)你增加樹脂玻璃耐熱性的同時,也提高了它的強(qiáng)度。
其實(shí)早在1941年,尼龍就被用作成型樹脂。這些應(yīng)用包括閥桿、接線夾和擋風(fēng)玻璃刮水器系統(tǒng)。最顯著的一個汽車應(yīng)用是1956年,法國汽車制造商雪鐵龍用尼龍制作塑料散熱器風(fēng)扇。
尼龍已經(jīng)被應(yīng)用于各種汽車零部件超過50年
而近年來,隨著尼龍聚合、改性和加工成型技術(shù)的發(fā)展,尼龍材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊。多品種、高性能、專用化是當(dāng)前尼龍工程塑料在汽車工業(yè)中應(yīng)用研究的重點(diǎn)。
目前世界PA和PA66在汽車市場中的應(yīng)用占有比例分別為34%和50%,但隨著日趨嚴(yán)格的環(huán)保要求,PA樹脂和配混料不斷開發(fā)出綜合性能更優(yōu)和滿足專門性能的PA改性配混料,新牌號層出不窮,汽車是PA最大應(yīng)用市場,反過來又影響和促進(jìn)PA改性料向高性能化、系列化和專用化方向發(fā)展和新牌號的研究開發(fā)。預(yù)計未來PA在汽車上應(yīng)用仍將保持較高的需求增長率,尼龍原料廠、加工廠和最終用戶合作開發(fā)高性能、容易加工、低成本、針對性強(qiáng)和環(huán)境更友好的專用PA新配混料來擴(kuò)大應(yīng)用,進(jìn)入新的汽車部件市場。
回顧尼龍發(fā)展史,尼龍產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展占據(jù)著重要地位。未來尼龍仍將繼續(xù)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展,促進(jìn)工程塑料高性能化進(jìn)程。