Creative Mechanisms Blog

Co je to nylon a k čemu se používá?

Nylon je syntetický termoplastický lineární polyamid (velká molekula, jejíž složky jsou vázány určitým typem vazby), který byl poprvé vyroben v roce 1935 americkým chemikem Wallacem Carothersem, který tehdy pracoval ve výzkumném zařízení společnosti DuPont v Delaware. Wallace vyrobil materiál, který je technicky známý jako nylon 66 (stále jedna z nejběžnějších variant). Poptávka po syntetických materiálech obecně, a po nylonu zvláště, vzrostla během druhé světové války, kdy se výrazně snížila nabídka přírodních materiálů, jako je hedvábí, kaučuk a latex.

Nylon se používá k různým účelům, například k výrobě oděvů, jako výztuž do pryžových materiálů, například automobilových pneumatik, k použití jako lano nebo vlákno a k výrobě mnoha vstřikovaných dílů pro vozidla a mechanická zařízení. Je mimořádně pevný, poměrně odolný proti oděru a nasákavosti, má dlouhou životnost, je odolný vůči chemikáliím, pružný a snadno omyvatelný. Nylon se často používá jako náhrada kovů s nízkou pevností. Pro svou pevnost, teplotní odolnost a chemickou snášenlivost je oblíbeným plastem pro součástky v motorovém prostoru vozidel.

Nylon lze také kombinovat s velkým množstvím přísad, čímž vznikají různé varianty s výrazně odlišnými vlastnostmi materiálu. Zde je pohled na kompozitní ozubené kolo vyrobené z nylonu i uhlíku.

Nylon se běžně označuje chemickým označením „PA“ (např. PA 6 nebo PA 6/66) a je nejčastěji dostupný v černé, bílé a své přírodní barvě (bělavé nebo béžové). Asi nejběžnější variantou pro technické aplikace je nylon 6/6. Nylon 6/6 lze extrudovat (roztavit a protlačit matricí) a je také vhodným plastem pro vstřikování i 3D tisk. Má vysokou teplotu tání, takže je vynikající náhradou kovů v prostředí s vysokými teplotami (např. pod kapotou vozidla). Nevýhodou materiálu je, že má relativně nízkou pevnost v tlaku (i ve srovnání s jinými plasty; viz tabulka níže). Následující graf ukazuje relativní rázovou pevnost nylonu ve srovnání s rázovou pevností jiných běžně používaných plastů, jako je ABS, polystyren (PS) nebo polykarbonát (PC). Za zmínku stojí, že rázovou pevnost nylonu lze zlepšit procesem zvaným „kondicionování“. Z tohoto důvodu, stejně jako z důvodu snadné kombinace nylonu s jinými materiály za účelem zvýšení jeho pevnosti, je důležité zkontrolovat materiálové vlastnosti konkrétního nylonového materiálu, který používáte.

Obrázek z ptsllc.com

Jaké jsou vlastnosti nylonu?

Teď, když víme, k čemu se používá, prozkoumejme některé klíčové vlastnosti nylonu (PA). Nylon je kondenzační kopolymer, který se skládá z několika různých typů monomerů ve vzájemné kombinaci. Lze jej vyrábět různými způsoby, obvykle se začíná destilací ropy, ale lze jej vyrábět i z biomasy. Nylon je klasifikován jako „termoplastický“ (na rozdíl od „termosetového“) materiál, což odkazuje na způsob, jakým plast reaguje na teplo. Termoplastické materiály se stávají tekutými při bodu tání – v případě nylonu je to velmi vysokých 220 stupňů Celsia.

Jednou z užitečných vlastností termoplastů je, že je lze zahřát na teplotu tání, ochladit a znovu zahřát, aniž by došlo k jejich výrazné degradaci. Namísto hoření termoplasty, jako je nylon, zkapalňují, což umožňuje jejich snadné vstřikování a následnou recyklaci. Naproti tomu termosetové plasty lze zahřát pouze jednou (obvykle během procesu vstřikování). Při prvním zahřátí dochází k tuhnutí termosetových materiálů (podobně jako u dvousložkového epoxidu), což vede k chemické změně, kterou nelze zvrátit. Pokud byste se pokusili zahřát termosetový plast na vysokou teplotu podruhé, shořel by. Tato vlastnost činí z termosetových materiálů špatné kandidáty na recyklaci.

Proč se nylon tak často používá?

Nylon se často používá v ozubených kolech, pouzdrech a plastových ložiscích díky svým přirozeným vlastnostem nízkého tření. Nylon není nejklouzavějším dostupným plastem – obvykle doporučujeme acetal, pokud je jediným hlediskem nízké tření. Nicméně jeho vysoký výkon v ostatních mechanických/chemických/tepelných vlastnostech z něj činí dobrou volbu pro díly, které by se mohly hodně opotřebovávat.

Nylon je také neuvěřitelně užitečný plast pro aplikace, které vyžadují jak plastický materiál, tak i vysokou teplotu tání. Je také neuvěřitelně rozmanitý. Nylon lze přizpůsobit širokému spektru použití díky mnoha různým vyráběným variantám a nastavitelným materiálovým vlastnostem těchto variant, které vyplývají z různých materiálů, s nimiž lze nylon kombinovat. Ve společnosti Creative Mechanisms jsme nylon použili v několika aplikacích v různých průmyslových odvětvích. Mezi několik příkladů patří následující:

• Spotřební výrobky (např. hračky). V minulosti jsme pracovali na koloběžce, která byla nakonec vylisována z nylonu plněného sklem.
• Nárazové body nábytku.
• 3D tištěné modely pro aplikace při vysokých teplotách, kdy není možné použít ABS (i když tato možnost existuje, obvykle používáme nylonové kompozitní materiály spíše pro jejich pevnost a méně pro jejich teplotní vlastnosti při 3D tisku).
• Převody mechanismů.

Jaké jsou různé typy nylonu?

Ačkoli nylon objevil a původně patentoval Wallace Carothers ze společnosti Dupont, o tři roky později (v roce 1938) jej pomocí jiné metodiky vyrobil (jako Nylon 6) německý výzkumný chemik Paul Schlack, který tehdy pracoval ve společnosti IG Farben. V moderní době jej vyrábí velké množství firem, z nichž každá má obvykle vlastní výrobní postup, jedinečný vzorec a obchodní názvy. Úplný seznam výrobců materiálu si můžete prohlédnout zde.

Mezi běžné varianty patří Nylon 6, Nylon 6/6, Nylon 66 a Nylon 6/66. Čísla označují počet atomů uhlíku mezi kyselými a aminovými skupinami. Jednotlivé číslice (jako „6“) označují, že materiál je vymyšlen z jediného monomeru v kombinaci se sebou samým (tj. molekula jako celek je homopolymer). Dvě číslice (např. „66“) označují, že materiál je vytvořen z více monomerů ve vzájemné kombinaci (komonomery). Lomítko označuje, že materiál je složen z různých skupin komonomerů ve vzájemné kombinaci (tj. jedná se o kopolymer).

Jak se vyrábí nylon?

Nylon, stejně jako ostatní plasty, obvykle začíná destilací uhlovodíkových paliv na lehčí skupiny nazývané „frakce“, z nichž některé se kombinují s dalšími katalyzátory a vznikají plasty (obvykle polymerací nebo polykondenzací). Nylon lze také vyrábět z biomasy. Na základě povahy biomasy může potenciálně vzniknout biologicky odbouratelnější materiál. Vlastní proces výroby nylonu spadá do jedné ze dvou metodik. První zahrnuje reakci monomerů s aminovými (NH2) skupinami reagujícími s karboxylovou kyselinou (COOH). Druhý spočívá v reakci diaminu (molekula s 2 x NH2 skupinami) s dikarboxylovou kyselinou (molekula s 2 x COOH skupinami).

Nylon pro vývoj prototypů na CNC strojích, 3D tiskárnách, & vstřikovacích strojích

Nylon lze snadno roztavit na vlákna (užitečná pro 3D tisk), vlákna (užitečná pro tkaniny), fólie (užitečné pro obaly) a plechy (užitečné pro výrobu na CNC strojích). Je to také snadno vstřikovatelný materiál. Přírodní nylonový materiál má nejčastěji bílou barvu a běžně je k dispozici také v bílé a černé barvě. Nylon lze však obarvit prakticky na jakoukoli barvu. Materiál je snadno dostupný ve formě vlákna pro 3D tisk, kdy se zahřeje a roztavené vlákno se vyrobí do požadovaného 3D tvaru.

Když naše společnost navrhuje prototypy nylonových dílů, obrábíme je na CNC strojích. Před několika lety začala naše společnost vyrábět prototypy plastových háčků pro použití s bungee šňůrami. Začínáme s prototypem ABS FDM, abychom potvrdili velikost/tvar/estetiku/funkčnost. Poté hák obrábíme na CNC stroji z nylonu, abychom otestovali jeho pevnost. Posledním krokem je vstřikování výrobních dílů.

Při vstřikování se nylon někdy plní určitým procentem skleněných vláken, aby se zvýšila jeho pevnost v tahu. Procento skla se obvykle pohybuje mezi 10 a 40 %. Háky, které vstřikujeme, jsou ve skutečnosti nad 40 %. Skleněná vlákna sice zvyšují pevnost, ale také ovlivňují způsob, jakým se díl porouchá. Bez skleněné výplně se nylon ohne a poddají se dříve, než se zlomí. Po přidání skleněných vláken (zejména při vyšším procentuálním podílu) se porucha stane okamžitým křehkým zlomem s minimálním ohybem. Když má nylon náplň ze skleněných vláken, označuje se například jako 30% GF Nylon. (GF znamená „plněno sklem“).

Jaké jsou nevýhody nylonu?

Ačkoli má nylon vysokou teplotu tání, špatně odolává otevřenému ohni. Je to hořlavý materiál a rychle hoří, když a pokud je vystaven otevřenému ohni. Za účelem zlepšení hořlavosti lze do nylonu přidávat zpomalovače hoření. Například nylon, který se používá pro rozdělovač v jednom z našich nových designových projektů, má nejvyšší stupeň hořlavosti (V-0).=

Nylon může být také negativně ovlivněn působením UV záření, především přímého slunečního záření. Z tohoto důvodu se do materiálu před vstřikováním často přidává UV stabilizátor.

Všechny údaje pro nevyztužený nylon 6. *Ve standardním stavu (při 25 °C, 100 kPa). ** Source data . *** Source data