Blog Mechanizmów Twórczych

Czym jest nylon i do czego służy?

Nylon jest syntetycznym termoplastycznym liniowym poliamidem (duża cząsteczka, której składniki są związane określonym typem wiązania), który został po raz pierwszy wyprodukowany w 1935 r. przez amerykańskiego chemika Wallace’a Carothersa, pracującego wówczas w ośrodku badawczym DuPont w Delaware. Wallace wyprodukował materiał znany pod techniczną nazwą Nylon 66 (nadal jeden z najbardziej rozpowszechnionych wariantów). Zapotrzebowanie na materiały syntetyczne w ogóle, a na Nylon w szczególności, wzrosło w czasie II wojny światowej, kiedy to artykuły naturalne, takie jak jedwab, guma i lateks, były w znacznie mniejszym stopniu dostępne.

Nylon jest używany do wielu zastosowań, w tym do produkcji odzieży, wzmacniania materiałów gumowych, takich jak opony samochodowe, jako lina lub nić, a także do wielu formowanych wtryskowo części pojazdów i urządzeń mechanicznych. Jest wyjątkowo mocny, stosunkowo odporny na ścieranie i chłonięcie wilgoci, trwały, odporny na chemikalia, elastyczny i łatwy do prania. Nylon jest często stosowany jako zamiennik dla metali o niskiej wytrzymałości. Jest wybierany jako tworzywo sztuczne do produkcji elementów w komorze silnika pojazdów ze względu na swoją wytrzymałość, odporność na temperaturę i kompatybilność chemiczną.

Nylon może być również łączony z wieloma różnymi dodatkami w celu uzyskania różnych wariantów o znacząco różnych właściwościach materiałowych. Oto przykład przekładni kompozytowej wykonanej zarówno z nylonu, jak i węgla.

Nylon jest powszechnie określany za pomocą oznaczenia chemicznego „PA” (np. PA 6 lub PA 6/66) i jest najczęściej dostępny w kolorze czarnym, białym i naturalnym (biało-beżowym). Prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionym wariantem do zastosowań inżynieryjnych jest Nylon 6/6. Nylon 6/6 może być wytłaczany (topiony i przepuszczany przez matrycę) i jest również odpowiednim tworzywem sztucznym do formowania wtryskowego i druku 3D. Ma wysoką temperaturę topnienia, co czyni go doskonałym zamiennikiem dla metali w środowiskach o wysokiej temperaturze (np. pod maską samochodu). Wadą tego materiału jest jego stosunkowo niska udarność (nawet w porównaniu z innymi tworzywami sztucznymi; patrz wykres poniżej). Poniższy wykres przedstawia względną udarność nylonu w porównaniu z udarnością innych powszechnie stosowanych tworzyw sztucznych, takich jak ABS, polistyren (PS) lub poliwęglan (PC). Należy zauważyć, że udarność Nylonu można poprawić poprzez proces zwany „kondycjonowaniem”. Z tego powodu, jak również z powodu łatwości, z jaką Nylon może być łączony z innymi materiałami w celu zwiększenia jego wytrzymałości, ważne jest, aby sprawdzić właściwości materiałowe konkretnego materiału Nylon, którego używasz.

Image From ptsllc.com

Jakie są właściwości Nylonu?

Gdy już wiemy, do czego jest używany, przeanalizujmy niektóre z kluczowych właściwości Nylonu (PA). Nylon jest kopolimerem kondensacyjnym, który składa się z kilku różnych typów monomerów połączonych ze sobą. Może być produkowany na różne sposoby, zazwyczaj zaczynając od destylacji ropy naftowej, ale może być również produkowany z biomasy. Nylon jest klasyfikowany jako materiał „termoplastyczny” (w przeciwieństwie do „termoutwardzalnego”), co odnosi się do sposobu, w jaki tworzywo sztuczne reaguje na ciepło. Materiały termoplastyczne stają się płynne w temperaturze topnienia – w przypadku nylonu jest to bardzo wysoka temperatura 220 stopni Celsjusza.

Jedną z użytecznych cech tworzyw termoplastycznych jest to, że można je podgrzać do temperatury topnienia, schłodzić i ponownie podgrzać bez znaczącej degradacji. Zamiast się palić, tworzywa termoplastyczne, takie jak nylon, upłynniają się, co pozwala na ich łatwe formowanie wtryskowe, a następnie recykling. W przeciwieństwie do nich, tworzywa termoutwardzalne mogą być podgrzewane tylko raz (zazwyczaj podczas procesu formowania wtryskowego). Pierwsze podgrzanie powoduje utwardzenie materiałów termoutwardzalnych (podobnie jak w przypadku dwuskładnikowych epoksydów), co skutkuje zmianą chemiczną, której nie można odwrócić. Jeśli próbowałbyś podgrzać termoutwardzalne tworzywo sztuczne do wysokiej temperatury po raz drugi, spaliłoby się. Ta cecha sprawia, że materiały termoutwardzalne są słabymi kandydatami do recyklingu.

Dlaczego nylon jest tak często używany?

Nylon jest często używany w przekładniach, tulejach i łożyskach plastikowych ze względu na swoje właściwości zmniejszające tarcie. Nylon nie jest najbardziej śliskim z dostępnych tworzyw sztucznych – zazwyczaj zalecamy acetal, jeśli niskie tarcie jest jedynym czynnikiem branym pod uwagę. Jednak jego wysoka wydajność w zakresie innych właściwości mechanicznych/chemicznych/termicznych sprawia, że jest dobrym wyborem dla części, które mogą być narażone na duże zużycie.

Nylon jest również niezwykle użytecznym tworzywem sztucznym w zastosowaniach, które wymagają zarówno tworzywa sztucznego, jak i wysokiej temperatury topnienia. Jest również niewiarygodnie różnorodny. Nylon może być dostosowany do wielu różnych zastosowań ze względu na wiele różnych wariantów w produkcji i regulowane właściwości materiałowe tych wariantów wynikające z różnych materiałów, z którymi nylon może być łączony. W Creative Mechanisms używaliśmy nylonu w wielu zastosowaniach w różnych gałęziach przemysłu. Oto kilka przykładów:

• Produkty konsumenckie (np. zabawki). W przeszłości pracowaliśmy nad hulajnogą, która została ostatecznie uformowana z Nylonu wypełnionego szkłem.
• Punkty uderzenia mebli.
• Drukowane modele 3D do zastosowań wymagających wysokiej temperatury, gdy ABS nie jest opcją (chociaż jest to opcja, zazwyczaj używamy materiałów kompozytowych Nylonu bardziej dla ich wytrzymałości, a mniej dla ich wydajności temperaturowej podczas drukowania 3D).
• Przekładnie do przekładni mechanizmów.

Jakie są różne rodzaje nylonu?

Mimo że nylon został odkryty i początkowo opatentowany przez Wallace’a Carothersa z firmy Dupont, został wyprodukowany (jako Nylon 6) trzy lata później (w 1938 r.) przy użyciu innej metodologii przez niemieckiego chemika badawczego Paula Schlacka, pracującego wówczas w IG Farben. W czasach współczesnych jest on produkowany przez wiele firm, z których każda ma swój własny proces produkcyjny, unikalną formułę i nazwy handlowe. Pełną listę producentów materiałów można zobaczyć tutaj.

Wspólne warianty obejmują Nylon 6, Nylon 6/6, Nylon 66 i Nylon 6/66. Liczby wskazują liczbę atomów węgla pomiędzy grupami kwasowymi i aminowymi. Pojedyncze cyfry (jak „6”) oznaczają, że materiał został opracowany z pojedynczego monomeru w połączeniu z samym sobą (tj. cząsteczka jako całość jest homopolimerem). Dwie cyfry (jak „66”) wskazują, że materiał jest stworzony z wielu monomerów w połączeniu ze sobą (komonomerów). Ukośnik wskazuje, że materiał składa się z różnych grup komonomerów w połączeniu ze sobą (tj. jest to kopolimer).

Jak powstaje nylon?

Nylon, podobnie jak inne tworzywa sztuczne, zwykle zaczyna się od destylacji paliw węglowodorowych do lżejszych grup zwanych „frakcjami”, z których niektóre są łączone z innymi katalizatorami w celu wytworzenia tworzyw sztucznych (zwykle poprzez polimeryzację lub polikondensację). Nylon może być również produkowany z biomasy. Biorąc pod uwagę naturę biomasy, może to potencjalnie prowadzić do powstania materiału bardziej biodegradowalnego. Rzeczywisty proces produkcji nylonu podlega jednej z dwóch metodologii. Pierwsza obejmuje reakcję monomerów z grupami aminowymi (NH2) reagującymi z kwasem karboksylowym (COOH). Druga polega na reakcji diaminy (cząsteczka z 2 x grupami NH2) z kwasem dikarboksylowym (cząsteczka z 2 x grupami COOH).

Nylon do opracowywania prototypów na maszynach CNC, drukarkach 3D, & Wtryskarkach

Nylon można łatwo stopić w filamenty (przydatne do druku 3D), włókna (przydatne do tkanin), folie (przydatne do opakowań) i arkusze (przydatne do produkcji maszyn CNC). Jest to również materiał, który łatwo poddaje się formowaniu wtryskowemu. Naturalny nylon jest najczęściej koloru białego, a także powszechnie dostępny w kolorze białym i czarnym. Nylon może być barwiony na praktycznie każdy kolor. Materiał ten jest łatwo dostępny w formie filamentu do druku 3D, gdzie jest podgrzewany, a stopiony filament jest wytwarzany w pożądanym kształcie 3D.

Gdy nasza firma projektuje prototypowe części nylonowe, obrabiamy je CNC. Kilka lat temu nasza firma zaczęła prototypować plastikowe haczyki do użycia z linami bungee. Zaczynamy od prototypu ABS FDM, aby potwierdzić rozmiar/kształt/estetykę/funkcję. Następnie obrabiamy CNC hak z Nylonu, aby sprawdzić jego wytrzymałość. Ostatnim etapem jest formowanie wtryskowe części produkcyjnych.

W formowaniu wtryskowym Nylon jest czasami wypełniany pewnym procentem włókien szklanych, aby zwiększyć jego wytrzymałość na rozciąganie. Procentowa zawartość szkła wynosi zazwyczaj od 10% do 40%. Haki, które formujemy wtryskowo są w rzeczywistości powyżej 40%. Włókna szklane zwiększają wytrzymałość, ale mają również wpływ na sposób, w jaki część zawodzi. Bez wypełnienia szklanego, nylon będzie się zginać i poddawać zanim pęknie. Po dodaniu włókien szklanych (zwłaszcza przy wyższych udziałach procentowych), awaria staje się natychmiastowym pęknięciem kruchym z minimalnym zginaniem. Kiedy nylon jest wypełniony włóknem szklanym, określa się go, na przykład, jako nylon 30% GF. (GF oznacza „wypełniony szkłem”).

Jakie są wady Nylonu?

Mimo że Nylon ma wysoką temperaturę topnienia, nie wytrzymuje dobrze otwartego płomienia. Jest to materiał łatwopalny i szybko się pali, gdy i jeśli jest wystawiony na działanie otwartego płomienia. Środki zmniejszające palność mogą być dodawane do nylonu w celu poprawy jego palności. Na przykład, Nylon używany do produkcji rozdzielaczy w jednym z naszych nowych projektów ma najwyższą klasę palności (V-0).=

Nylon może być również narażony na negatywny wpływ promieniowania UV, głównie bezpośredniego światła słonecznego. Z tego powodu, stabilizator UV jest często dodawany do materiału przed jego formowaniem wtryskowym.

Wszystkie dane dla niewzmocnionego Nylonu 6. *W stanie standardowym (przy 25 °C (77 °F), 100 kPa). ** Source data . *** Source data