Creative Mechanisms Blog

Che cos’è il nylon e a cosa serve?

Il nylon è una poliammide lineare termoplastica sintetica (una grande molecola i cui componenti sono legati da un particolare tipo di legame) che fu prodotta per la prima volta nel 1935 dal chimico americano Wallace Carothers, che allora lavorava presso la struttura di ricerca DuPont nel Delaware. Wallace produsse quello che tecnicamente è conosciuto come Nylon 66 (ancora oggi una delle varianti più comuni). La domanda di materiali sintetici in generale, e di nylon in particolare, è cresciuta durante la seconda guerra mondiale, quando gli articoli naturali come la seta, la gomma e il lattice erano significativamente meno disponibili.

Il nylon è usato per una varietà di applicazioni, tra cui l’abbigliamento, il rinforzo in materiali di gomma come i pneumatici delle auto, per l’uso come corda o filo, e per molte parti stampate a iniezione per veicoli e attrezzature meccaniche. È eccezionalmente forte, relativamente resistente all’abrasione e all’assorbimento dell’umidità, di lunga durata, resistente agli agenti chimici, elastico e facile da lavare. Il nylon è spesso usato come sostituto dei metalli a bassa resistenza. È la plastica preferita per i componenti del vano motore dei veicoli a causa della sua forza, resistenza alle temperature e compatibilità chimica.

Il nylon può anche essere combinato con una grande varietà di additivi per produrre diverse varianti con proprietà materiali significativamente diverse. Ecco uno sguardo ad un ingranaggio composito fatto sia di nylon che di carbonio.

Il nylon è comunemente indicato con la denominazione chimica “PA” (ad esempio, PA 6 o PA 6/66) ed è più ampiamente disponibile in nero, bianco e nel suo colore naturale (bianco sporco o beige). Forse la variante più comune per le applicazioni di ingegneria è il nylon 6/6. Il Nylon 6/6 può essere estruso (fuso e forzato attraverso uno stampo) ed è anche una plastica adatta sia allo stampaggio a iniezione che alla stampa 3D. Ha un’alta temperatura di fusione, che lo rende un eccellente sostituto dei metalli in ambienti ad alta temperatura (ad esempio, sotto il cofano di un veicolo). L’aspetto negativo del materiale è che ha una forza d’urto relativamente bassa (anche rispetto ad altre materie plastiche; vedi il grafico qui sotto). Il seguente diagramma mostra la forza d’urto relativa del nylon rispetto alla forza d’urto di altre plastiche comunemente usate come l’ABS, il polistirene (PS) o il policarbonato (PC). Da notare che la forza d’impatto del nylon può essere migliorata da un processo chiamato “condizionamento”. Per questo motivo, così come per la facilità con cui il nylon può essere combinato con altri materiali per migliorare la sua forza, è importante controllare le proprietà del materiale specifico di nylon che si sta utilizzando.

Image From ptsllc.com

Quali sono le caratteristiche del nylon?

Ora che sappiamo per cosa viene utilizzato, esaminiamo alcune delle proprietà chiave del nylon (PA). Il nylon è un copolimero di condensazione composto da diversi tipi di monomero in combinazione tra loro. Può essere prodotto in vari modi, in genere partendo dalla distillazione del petrolio greggio, ma può anche essere prodotto dalla biomassa. Il nylon è classificato come materiale “termoplastico” (al contrario di “termoindurente”), che si riferisce al modo in cui la plastica risponde al calore. I materiali termoplastici diventano liquidi al loro punto di fusione – 220 gradi Celsius nel caso del nylon.

Una caratteristica utile dei termoplastici è che possono essere riscaldati al loro punto di fusione, raffreddati e riscaldati di nuovo senza degradazione significativa. Invece di bruciare, le termoplastiche come il nylon si liquefanno, il che permette loro di essere facilmente stampate a iniezione e poi successivamente riciclate. Al contrario, le plastiche termoindurenti possono essere riscaldate solo una volta (tipicamente durante il processo di stampaggio a iniezione). Il primo riscaldamento provoca l’indurimento dei materiali termoindurenti (simile a una resina epossidica in 2 parti), con un conseguente cambiamento chimico che non può essere invertito. Se si provasse a riscaldare una seconda volta una plastica termoindurente ad alta temperatura, si brucerebbe. Questa caratteristica rende i materiali termoindurenti cattivi candidati per il riciclaggio.

Perché il nylon è usato così spesso?

Il nylon è spesso usato in ingranaggi, boccole e cuscinetti di plastica a causa delle sue proprietà intrinseche a basso attrito. Il nylon non è la plastica più scivolosa disponibile – in genere, raccomandiamo l’acetale se il basso attrito è l’unica considerazione. Tuttavia, le sue alte prestazioni in altre proprietà meccaniche/chimiche/termiche lo rendono una buona scelta per le parti che potrebbero vedere molta usura.

Il nylon è anche una plastica incredibilmente utile per le applicazioni che richiedono sia una materia plastica che un’alta temperatura di fusione. È anche incredibilmente vario. Il nylon può essere adattato a un’ampia varietà di usi a causa delle molte varianti diverse in produzione e delle proprietà regolabili di queste varianti risultanti dai diversi materiali con cui il nylon può essere combinato. Noi di Creative Mechanisms abbiamo utilizzato il nylon in diverse applicazioni in diversi settori. Alcuni esempi sono i seguenti:

• Prodotti di consumo (ad esempio, giocattoli). Abbiamo lavorato su uno scooter in passato che alla fine è stato modellato in Nylon caricato a vetro.
• Punti d’impatto per mobili.
• Modelli stampati in 3D per applicazioni ad alto calore quando l’ABS non è un’opzione (anche se questa è un’opzione, di solito usiamo materiali compositi di Nylon più per la loro forza e meno per le loro prestazioni di temperatura quando stampiamo in 3D).
• Ingranaggi per trasmissioni di meccanismi.

Quali sono i diversi tipi di nylon?

Anche se il nylon fu scoperto e inizialmente brevettato da Wallace Carothers della Dupont, fu prodotto (come Nylon 6) tre anni dopo (nel 1938) usando una metodologia diversa dal chimico di ricerca tedesco Paul Schlack, che allora lavorava alla IG Farben. Nell’era moderna, è prodotto da un gran numero di aziende, ognuna con il proprio processo di produzione, una formula unica e nomi commerciali. È possibile visualizzare una lista completa dei produttori del materiale qui.

Le varianti comuni includono Nylon 6, Nylon 6/6, Nylon 66 e Nylon 6/66. I numeri indicano il numero di atomi di carbonio tra i gruppi acido e amminico. Le cifre singole (come “6”) indicano che il materiale è concepito a partire da un solo monomero in combinazione con se stesso (cioè, la molecola nel suo insieme è un omopolimero). Due cifre (come “66”) indicano che il materiale è concepito a partire da più monomeri in combinazione tra loro (comonomeri). La barra indica che il materiale è composto da diversi gruppi di comonomeri in combinazione tra loro (cioè, è un copolimero).

Come si produce il nylon?

Il nylon, come altre materie plastiche, inizia tipicamente con la distillazione di combustibili idrocarburici in gruppi più leggeri chiamati “frazioni”, alcuni dei quali sono combinati con altri catalizzatori per produrre materie plastiche (di solito tramite polimerizzazione o policondensazione). Il nylon può anche essere prodotto dalla biomassa. In base alla natura della biomassa, può potenzialmente risultare in un materiale più biodegradabile. Il processo attuale di produzione del nylon rientra in una delle due metodologie. La prima comporta la reazione di monomeri con gruppi amminici (NH2) che reagiscono con acido carbossilico (COOH). La seconda consiste nella reazione della diammina (una molecola con 2 gruppi NH2) con l’acido dicarbossilico (una molecola con 2 gruppi COOH).

Nylon per lo sviluppo di prototipi su macchine CNC, stampanti 3D, & macchine per lo stampaggio a iniezione

Il nylon può essere facilmente fuso in filamenti (utili per la stampa 3D), fibre (utili per i tessuti), film (utili per l’imballaggio) e fogli (utili per la produzione di macchine CNC). È anche un materiale facilmente stampabile a iniezione. Il nylon naturale è più comunemente un colore bianco sporco, ed è anche comunemente disponibile in bianco e nero. Detto questo, il nylon può essere tinto praticamente in qualsiasi colore. Il materiale è facilmente disponibile in forma di filamento per la stampa 3D, dove viene riscaldato e il filamento fuso viene fabbricato nella forma 3D desiderata.

Quando la nostra azienda progetta prototipi di parti in nylon, li lavoriamo a macchina CNC. Alcuni anni fa, la nostra azienda ha iniziato a creare prototipi di ganci di plastica da usare con le corde elastiche. Iniziamo con un prototipo ABS FDM per confermare dimensioni/forma/estetica/funzione. Poi lavoriamo a CNC il gancio in nylon per testare la forza. Il passo finale è lo stampaggio a iniezione delle parti di produzione.

Con lo stampaggio a iniezione, il nylon è talvolta riempito con una certa percentuale di fibre di vetro per aumentare la sua resistenza alla trazione. La percentuale di vetro è tipicamente tra il 10% e il 40%. I ganci che stiamo stampando a iniezione sono in realtà superiori al 40%. Le fibre di vetro aumentano la forza, ma hanno anche un impatto sul modo in cui una parte si rompe. Senza vetro, il nylon si piega e cede prima di rompersi. Con l’aggiunta delle fibre di vetro (specialmente alle percentuali più alte), il cedimento diventa una rottura istantanea fragile con una flessione minima. Quando il nylon ha un riempimento di fibra di vetro, è indicato, per esempio, come 30% GF Nylon. (GF sta per “glass filled”).

Quali sono gli svantaggi del nylon?

Anche se il nylon ha un’alta temperatura di fusione, non resiste bene ad una fiamma aperta. È un materiale infiammabile e brucia rapidamente quando e se è esposto a una fiamma aperta. I ritardanti di fiamma possono essere aggiunti al nylon per migliorarne l’infiammabilità. Per esempio, il nylon usato per il collettore in uno dei nostri nuovi progetti di design ha il più alto rating di fiamma (V-0).=

Il nylon può anche essere influenzato negativamente dall’esposizione ai raggi UV, principalmente dalla luce solare diretta. Per questo motivo, uno stabilizzatore UV viene spesso aggiunto al materiale prima dello stampaggio a iniezione.

Tutti i dati per il Nylon 6 non rinforzato. * Allo stato standard (a 25 °C (77 °F), 100 kPa). ** Source data . *** Source data