Νάιλον

Επισκόπηση

Το νάιλον είναι ένα θερμοπλαστικό υλικό, που πρωτοχρησιμοποιήθηκε εμπορικά σε μια οδοντόβουρτσα με νάιλον τρίχα (1938) και ακολούθως ως ύφασμα το 1939 και στις πιο διάσημες γυναικείες κάλτσες το 1940. Το νάιλον παρασκευάζεται από επαναλαμβανόμενες μονάδες συνδεμένες με αμιδικούς δεσμούς και αναφέρεται συχνά ως πολυαμίδιο (PA). Το νάιλον ήταν το πρώτο εμπορικά πετυχημένο συνθετικό θερμοπλαστικό πολυμερές. Υπάρχουν δύο συνήθεις τρόποι παραγωγής νάιλον για εφαρμογές ινών. Στη μια προσέγγιση, τα μόρια με μια καρβοξυλομάδα (-COOH) σε κάθε άκρο αντιδρούν με μόρια που περιέχουν αμινομάδα (-NH₂) σε κάθε άκρο. Το τελικό νάιλον ονομάζεται με βάση τον αριθμό των ατόμων άνθρακα που χωρίζει τις δύο καρβοξυλομάδες και τις δύο αμινομάδες. Αυτές σχηματίζονται σε μονομερή ενδιάμεσης μοριακής μάζας, που έπειτα αντιδρούν για να σχηματίσουν μεγάλες πολυμερείς αλυσίδες.
Το νάιλον αποσκοπούσε να γίνει ένα συνθετικό υποκατάστατο του μεταξιού και το υποκατέστησε σε πολλά διαφορετικά προϊόντα αφού το μετάξι έγινε σπάνιο κατά τη διάρκεια του δεύτερου παγκοσμίου πολέμου. Αντικατέστησε το μετάξι σε στρατιωτικές εφαρμογές όπως στα αλεξίπτωτα και σε κάποια είδη αλεξίσφαιρων γιλέκων (Flak jacket) και χρησιμοποιήθηκε σε πολλούς τύπους ελαστικών οχημάτων.
Οι ίνες νάιλον χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων υφασμάτων ρούχων, γαμήλιων πέπλων, χαρτιών συσκευασίας, χαλιών, μουσικών χορδών, σωλήνων, τεντών και σχοινιών. 
Το στερεό νάιλον χρησιμοποιείται σε χτένες μαλλιών και σε τμήματα μηχανών όπως σε βίδες μηχανών, γρανάζια και σε άλλα συστατικά χαμηλής έως μέτριας τάσης. Το νάιλον μηχανικής ποιότητας  επεξεργάζεται με εξέλαση, χύτευση και χύτευση με έγχυση. Ο τύπος νάιλον-6,6 101 είναι η πιο συνηθισμένη εμπορική ποιότητα του νάιλον και το νάιλον-6 είναι η πιο συνηθισμένη εμπορική ποιότητα χυτευτού νάιλον. Για χρήση σε εργαλεία, το νάιλον είναι διαθέσιμο σε πολυμερές ενισχυμένο με γυαλί που αυξάνει την αντοχή σε πρόσκρουση, τη δομική αντοχή και την ακαμψία, ενώ υπάρχουν παραλλαγές με θειούχο μολυβδαίνιο που αυξάνουν τη λιπαντικότητα. Οι ποικίλες ιδιότητες του το κάνουν επίσης χρήσιμο ως υλικό στη τρισδιάστατη εκτύπωση· ιδιαίτερα ως νήμα σε καταναλωτικό και επαγγελματικό επίπεδο σε τρισδιάστατους εκτυπωτές με τη μορφή λιωμένης απόθεσης.

Χημεία

Τα νάιλον είναι πολυμερές συμπύκνωσης που σχηματίζεται με την αντίδραση ίσων μερών διαμίνης και δικαρβοξυλικού οξέος, έτσι ώστε τα αμίδια να σχηματίζονται και στα δύο άκρα κάθε μονομερούς σε μια διεργασία ανάλογη με τα βιοπολυμερή πολυπεπτιδίου. Τα χημικά στοιχεία που περιλαμβάνονται είναι άνθρακας, υδρογόνο, άζωτο και οξυγόνο. Το αριθμητικό επίθημα καθορίζει τους αριθμούς των ανθράκων που δίνονται από τα μονομερή· πρώτα της διαμίνης και έπειτα του οξέος. Η πιο συνηθισμένη παραλλαγή είναι το νάιλον-6,6, που αναφέρεται στο ότι η διαμίνη (εξαμεθυλενοδιαμίνη) και το δισόξινο (αδιπικό οξύ) δίνουν το καθένα 6 άνθρακες στην πολυμερή αλυσίδα. Όπως με τα άλλα κανονικά συμπολυμερή όπως οι πολυεστέρες και οι πολυουρεθάνες, η «επαναλαμβανόμενη μονάδα» αποτελείται από ένα από κάθε μονομερές, έτσι ώστε να εναλλάσσονται στην αλυσίδα. Επειδή κάθε μονομερές σε αυτό το συμπολυμερές έχει την ίδια δραστική ομάδα σε κάθε άκρο, η κατεύθυνση του αμιδικού δεσμού αντιστρέφεται μεταξύ κάθε μονομερούς, αντίθετα με τις φυσικές  πρωτεΐνες του πολυαμιδίου που έχουν γενική κατεύθυνση: τελικός C  → τελικό N  . Στο εργαστήριο, το νάιλον-6,6 μπορεί να παρασκευαστεί επίσης χρησιμοποιώντας διχλωροεξανοδιοϊκό οξύ αντί για αδιπικό οξύ.
Είναι δύσκολη η ακριβής λήψη των αναλογιών και οι αποκλίσεις μπορεί να οδηγήσουν σε τερματισμό της αλυσίδας σε μοριακές μάζες μικρότερες από την επιθυμητή τιμή των 10.000 amu. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, ένα κρυσταλλικό, στερεό «άλας του νάιλον» μπορεί να μορφοποιηθεί σε θερμοκρασία δωματίου, χρησιμοποιώντας μια ακριβή αναλογία 1:1 του οξέος και της βάσης για εξουδετερωθούν μεταξύ τους. Θερμαινόμενο στους 285 °C (545 °F), το άλας αντιδρά για να σχηματίσει πολυμερές νάιλον. Πάνω από 20.000 amu είναι αδύνατη η νηματοποίηση των αλυσίδων και για να καταπολεμηθεί αυτό, προστίθεται κάποιο αιθανικό οξύ για να αντιδράσει με το ελεύθερο άκρο της αμινομάδας κατά τη διάρκεια της επιμήκυνσης του πολυμερούς ώστε να περιοριστεί η μοριακή μάζα. Στην πράξη, και ειδικά για το 6,6, συνδυάζονται συχνά τα μονομερή σε ένα υδατικό διάλυμα. Το χρησιμοποιούμενο νερό για τη δημιουργία του διαλύματος εξατμίζεται κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες και η αυξημένη συγκέντρωση του "άλατος" πολυμερίζεται στην τελική μοριακή μάζα.
Η DuPont κατοχύρωσε το νάιλον-6,6. Για να την ανταγωνιστούν οι άλλες εταιρείες (ειδικά η γερμανική BASF) ανέπτυξαν το ομοπολυμερές νάιλον-6, ή πολυκαπρολακτάμη — που δεν είναι πολυμερές συμπύκνωσης, αλλά σχηματίστηκε από πολυμερισμό διάνοιξης δακτυλίου (εναλλακτικά γίνεται από πολυμερισμό αμινοκαπροϊκού οξέος). Ο πεπτιδικός δεσμός μέσα στην καπρολακτάμη διασπάται με τις εκτιθέμενες δραστικές ομάδες σε κάθε πλευρά να ενσωματώνονται σε δύο νέους δεσμούς καθώς το μονομερές γίνεται μέρος του σκελετού του πολυμερούς. Σε αυτήν την περίπτωση, όλοι οι αμιδικοί δεσμοί βρίσκονται στην ίδια κατεύθυνση, αλλά οι ιδιότητες του νάιλον-6 είναι μερικές φορές πανομοιότυπες με τις ιδιότητες του νάιλον-6,6 — εκτός από τη θερμοκρασία τήξης και κάποιες ιδιότητες της ίνας σε προϊόντα όπως χαλιά και υφάσματα. Υπάρχει επίσης το νάιλον-9.
Το σημείο τήξης 428 °F (220 °C) του νάιλον-6 είναι χαμηλότερο από το σημείο τήξης των  509 °F (265 °C) του νάιλον-6,6.
Το νάιλον-5,10, παρασκευάζεται από πενταμεθυλενοδιαμίνη και σεβακικό οξύ, μελετήθηκε από τον Καράδερς πριν ακόμα το νάιλον-6,6 και έχει καλύτερες ιδιότητες, αλλά είναι πιο ακριβό στην παρασκευή. Το "νάιλον-6,12" (N-6,12) ή "PA-6,12" είναι ένα συμπολυμερές από μια διαμίνη με 6C και ενός δικαρβοξυλικού οξέος με 12C. Παρομοίως ισχύει για τα N-5,10 N-6,11; N-10,12, κλπ. Άλλα νάιλον περιλαμβάνουν προϊόντα συμπολυμερισμένου δικαρβοξυλικού οξέος/διαμίνης που δεν βασίζονται στα μονομερή που προαναφέρθηκαν. Παραδείγματος χάρη, κάποια αρωματικά νάιλον πολυμερίζονται με την προσθήκη δικαρβοξυλικών οξέων όπως τερεφθαλικό οξύ(→ Kevlar, Twaron) ή ισοφθαλικού οξέος (→ Nomex), που συνήθως συνδέονται με πολυεστέρες. Υπάρχουν συμπολυμερή N-6,6/N6· συμπολυμερή N-6,6/N-6/N-12 κ.α. Λόγω του τρόπου σχηματισμού των πολυαμιδίων, του νάιλον μπορεί να φαινόταν ότι περιορίζεται σε μη διακλαδισμένες, ευθείες αλυσίδες. Όμως, μπορούν να παραχθούν "αστεροειδώς" διακλαδισμένα νάιλον με συμπύκνωση δικαρβοξυλικών οξέων με πολυαμίνες που έχουν τρεις ή περισσότερες αμινομάδες.
Η γενική αντίδραση είναι:
Εκλύονται δύο μόρια ύδατος και σχηματίζεται το νάιλον. Οι ιδιότητές του καθορίζονται από τις ομάδες R και R' στα μονομερή. Στο νάιλον-6,6, R = 4C και R' = 6C αλκανίων, αλλά η μία ομάδα πρέπει να συμπεριλαμβάνει επίσης τους δύο καρβοξυλικούς άνθρακες στο δικαρβοξυλικό οξύ για να πάρει τον αριθμό που δίνει στην αλυσίδα. Στο Kevlar, και το R και το R' είναι δακτύλιοι βενζολίου.

Ιδιότητες

Πάνω από τις θερμοκρασία τήξης, Tₘ, τα θερμοπλαστικά όπως το νάιλον είναι άμορφα στερεά ή ιξώδη ρευστά στα οποία οι αλυσίδες προσεγγίζουν τις τυχαίες δομές. Κάτω από το Tₘ, οι άμορφες περιοχές εναλλάσσονται με περιοχές που είναι ελασματοειδείς κρύσταλλοι. Οι άμορφες περιοχές συνεισφέρουν στην ελαστικότητα και οι κρυσταλλικές περιοχές συνεισφέρουν στην αντοχή και την ακαμψία. Οι επίπεδες αμιδικές ομάδες (-CO-NH-) είναι πολύ πολωμένες, έτσι το νάιλον σχηματίζει πολλούς δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των γειτονικών κλώνων. Επειδή ο σκελετός του νάιλον είναι τόσο κανονικός και συμμετρικός, ειδικά αν όλοι οι αμιδικοί δεσμοί έχουν διαμόρφωση trans, τα νάιλον έχουν συχνά υψηλή κρυσταλλικότητα και δημιουργούν εξαιρετικές ίνες. Ο βαθμός κρυσταλλικότητας εξαρτάται από τις λεπτομέρειες σχηματισμού, καθώς και από το είδος του νάιλον. Προφανώς, δεν μπορεί ποτέ να ληφθεί με τήξη ως πλήρως άμορφο στερεό.
Το νάιλον-6,6 μπορεί να έχει πολλούς παράλληλους κλώνους στοιχισμένους με τους γειτονικούς δεσμούς πεπτιδίων σε διατεταγμένες αποστάσεις από 6 και 4 άνθρακες ακριβώς για σημαντικά μήκη, έτσι ώστε τα οξυγόνα του καρβονυλίου και τα υδρογόνα του αμιδίου να μπορούν να στοιχιστούν για να σχηματίσουν επαναλαμβανόμενους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των κλώνων, χωρίς διακοπή (δείτε το απέναντι σχήμα). Το νάιλον-5,10 μπορεί να έχει διατεταγμένες διαδρομές από 5 και 8 άνθρακες. Συνεπώς παράλληλοι (αλλά όχι αντιπαράλληλοι) κλώνοι μπορούν να συμμετέχουν σε επεκταμένες, συνεχείς, πολυαλυσίδες β-πτυχωτού φύλλου, μια ισχυρή και σκληρή υπερμοριακή δομή παρόμοια με αυτή που βρίσκεται στη φυσική κερατίνη. (Οι πρωτεΐνες έχουν μόνο ένα αμινοξύ με α-άνθρακα που διαχωρίζει τις ομάδες -CO-NH- που ακολουθούν.) Το νάιλον-6 θα σχηματίσει συνεχή φύλλα συνδεμένα με υδρογόνο με ανάμεικτες κατευθύνσεις, αλλά η πτύχωση του β-φύλλου είναι κάπως διαφορετική. Η τρισδιάστατη διάταξη κάθε υδρογονοανθρακικής αλυσίδας αλκανίου εξαρτάται από την περιστροφή κατά περίπου 109.47° των τετραεδρικών δεσμών των ατόμων του άνθρακα με απλό δεσμό.
Όταν υφίσταται εξέλαση σε ίνες μέσα από τους πόρους σε μια βιομηχανική φιλιέρα, οι μεμονωμένες αλυσίδες του πολυμερούς τείνουν να ευθυγραμμιστούν λόγω της ιξώδους ροής. Αν υποβληθεί μετά σε ψυχρό εφελκυσμό, οι ίνες στοιχίζονται παραπέρα, αυξάνοντας την κρυσταλλικότητά τους και το υλικό χρειάζεται πρόσθετη αντοχή στον εφελκυσμό. Στην πράξη, οι ίνες νάιλον συνήθως τεντώνονται χρησιμοποιώντας θερμαινόμενους κυλίνδρους σε υψηλές ταχύτητες. 
Ένα κομμάτι νάιλον τείνει να είναι λιγότερο κρυσταλλικό, εκτός από κοντά στις επιφάνειες λόγω των διατμητικών τάσεων κατά τη διάρκεια του σχηματισμού. Το νάιλον είναι διαυγές και άχρωμο, ή γαλακτώδες, αλλά βάφεται εύκολα. Κορδόνι και σχοινί από πολύκλωνο νάιλον είναι ολισθηρό και τείνει να ξετυλιχτεί. Τα άκρα μπορούν να τηκούν και να συγχωνευτούν με μια πηγή θερμότητας όπως μια φλόγα ή ηλεκτρόδιο για να αποτραπεί αυτό. 
Όταν είναι ξηρό, το πολυαμίδιο είναι ένας καλός ηλεκτρικός μονωτής. Όμως, το πολυαμίδιο είναι υγροσκοπικό. Η απορρόφηση του νερού θα αλλάξει κάποιες από τις ιδιότητες του υλικού όπως την ηλεκτρική αντίσταση. Το νάιλον είναι λιγότερο απορροφητικό από το μαλλί ή το βαμβάκι.

Χρήση σε συνθέσεις

Το νάιλον μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μητρικό υλικό σε σύνθετα υλικά, με ενισχυτικές ίνες όπως ίνες γυαλιού ή άνθρακα· ένα τέτοιο σύνθετο υλικό έχει υψηλότερη πυκνότητα από το καθαρό νάιλον. Τέτοια θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά (25% με 30% υαλοβάμβακα) χρησιμοποιούνται συχνά σε συστατικά αυτοκινήτων δίπλα στη μηχανή, όπως σε σωλήνες εισαγωγής, όπου η καλή θερμική αντίσταση τέτοιων υλικών τα κάνει ανταγωνιστές προς τα μέταλλα.

Περιβαλλοντικές επιπτώσεις, αποτέφρωση και ανακύκλωση

Ο Μπέρνερς-Λι εκτιμά τον μέσο όρο του αποτυπώματος αερίων θερμοκηπίου του νάιλον στην κατασκευή χαλιών στο ισοδύναμο 5,43kg CO₂ ανά χιλιόγραμμο, όταν παράγεται στην Ευρώπη. Αυτό του δίνει το ίδιο αποτύπωμα άνθρακα όπως το μαλλί, αλλά με μεγαλύτερη διάρκεια και συνεπώς ένα πιο χαμηλό γενικό αποτύπωμα άνθρακα.
Τα διάφορα νάιλον διασπώνται στη φωτιά και σχηματίζουν επικίνδυνο καπνό και τοξικούς ατμούς ή τέφρα, που συνήθως περιέχει υδροκυάνιο. Αποτέφρωση των νάιλον για να ανακτηθεί η υψηλή ενέργεια που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τους είναι συνήθως ακριβή, έτσι τα περισσότερα νάιλον καταλήγουν στα απορρίμματα, όπου διασπώνται πολύ αργά. Κάποια ανακύκλωση γίνεται στο νάιλον, δημιουργώντας συνήθως πελέτες για επαναχρησιμοποίηση στη βιομηχανία.