聚 醯 胺 (PA) 聚 醯 胺 是 指 分 子 鏈 上 含 有 醯 胺 重 複 結 構 單 元 的 一 種 聚 合 物, 主 要 由 二 元 胺 和 二 元 酸 縮 聚 或 由 氨 基 酸 內 醯 胺 自 聚 合 而 成, 俗 稱 尼 龍, 英 文 名 稱 Polyamide 或 Nylon, 簡 稱 PA, 是 目 前 最 常 用 的 通 用 工 程 塑 膠 由 於 PA 的 品 種 繁 多, 結 構 不 同, 性 能 各 異 按 其 主 鏈 結 構 可 分 為 脂 肪 族 PA 半 芳 香 族 PA 全 芳 香 族 PA 含 雜 環 芳 香 族 PA 等 目 前 塑 料 工 業 常 用 的 是 脂 肪 族 PA, 具 體 的 品 種 有 PA6 PA66 PA610 PA1010 PA11 PA12 PA9 PA612 PA121 等
由 ε- 氨 基 己 內 醯 胺 開 環 聚 合 而 成 之 尼 龍 6 己 二 胺 與 己 二 酸 經 縮 聚 合 而 成 之 尼 龍 66 己 二 胺 與 癸 二 酸 經 縮 聚 合 而 成 之 尼 龍 610 ε- 氨 基 十 一 碳 炔 酸 聚 縮 合 而 成 之 尼 龍 11 ω- 氨 基 十 二 內 醯 胺 聚 縮 合 而 成 之 尼 龍 12 由 1-5 之 尼 龍 中 兩 種 以 上 成 分 共 聚 合 而 成 之 尼 龍
聚 醯 胺 的 命 名 由 氨 基 酸 內 醯 胺 合 成 的 聚 醯 胺 : 這 類 PA 可 用 通 式 表 示, 其 中 x 為 氨 基 酸 或 內 醯 胺 分 子 中 的 碳 原 子 數, 稱 為 聚 醯 胺 x(pax) 或 尼 龍 x 最 常 用 的 是 聚 己 內 醯 胺, 是 己 內 醯 胺 開 環 縮 聚 的 產 物, 稱 為 PA6 由 二 元 胺 和 二 元 酸 合 成 的 聚 醯 胺 : 這 類 PA 可 用 通 式 表 示, 其 中 x 為 二 元 胺 中 的 碳 原 子 數,y 為 二 元 酸 中 的 碳 原 子 數, 稱 為 聚 醯 胺 xy(paxy) 或 尼 龍 xy 由 己 二 胺 和 己 二 酸 合 成 的 稱 為 PA66
開 發 歷 史 於 1939 年 杜 邦 公 司 所 開 發 的 聚 醯 胺 合 成 纖 維 命 名 為 耐 龍, 當 初 是 以 耐 龍 66 生 產, 以 後 耐 龍 6 合 成 成 功, 適 合 纖 維 以 外 的 成 形 加 工 以 耐 龍 6 為 主 流 日 本 東 麗 公 司 於 1958 年 開 始 生 產 耐 龍 6 聚 醯 胺 的 歷 史 比 聚 縮 醛 及 聚 碳 酸 酯 早, 泛 用 EP 中 需 要 量 最 大, 日 本 的 類 別 大 概 是 PA6 佔 70% 66 佔 20% 其 他 10%
尼 龍 6 製 法 聚 合 : 將 原 料 己 內 醯 胺 結 晶 於 熔 解 槽 中 熔 融, 再 於 調 整 槽 中 添 加 水 聚 合 度 調 整 劑 等 混 合 之 加 水 後 之 熔 融 己 內 醯 胺 原 料 成 為 80-90% 之 水 溶 液, 經 加 熱 至 約 260, 送 入 聚 合 槽 經 15-20 小 時 之 滯 留 後 達 聚 合 平 衡, 聚 合 物 由 槽 底 取 出, 予 以 製 粒 萃 取 : 尼 龍 6 在 聚 合 溫 度 時 仍 有 平 衡 低 分 子 物 存 在, 通 常 以 常 壓 連 續 聚 合 之 尼 龍 6 中 約 含 有 10% 己 內 醯 胺 與 2-3% 環 狀 寡 聚 物 此 等 低 分 子 物 之 除 去 可 加 80-120 的 熱 水 於 萃 取 裝 置 中 操 作
乾 燥 : 經 熱 水 萃 取 之 尼 龍 6 含 10% 以 上 之 水 分, 為 防 尼 龍 受 熱 氧 化, 乾 燥 須 在 真 空 或 惰 性 氣 體 中 以 100 左 右 之 溫 度 進 行 乾 燥 工 程 除 採 脫 水 乾 燥 外, 尚 有 利 用 高 聚 化 工 程, 在 120 以 上 高 溫 乾 燥 時, 分 子 末 端 之 氨 基 羧 基 間 會 起 縮 合 反 應, 得 出 高 聚 合 度 之 聚 合 物 此 稱 為 固 相 聚 合, 一 般 在 150-200 實 施
配 製 : 乾 燥 後 包 裝 即 可 出 貨 如 需 添 加 玻 璃 纖 維 滑 石 等 補 強 材 料, 填 料 或 其 他 添 加 劑, 則 用 擠 壓 機 在 熔 融 狀 態 混 練 添 加 玻 璃 纖 維 等 纖 維 狀 補 強 材 時, 應 採 用 儘 量 能 抑 制 纖 維 折 斷 細 化 的 螺 桿 把 他 種 添 加 物 微 細 分 散 時 應 採 用 能 輸 出 強 大 剪 斷 力 的 螺 桿
尼 龍 66 610 製 法 尼 龍 66 610 是 二 胺 與 二 羧 酸 間 經 由 脫 水 聚 縮 合 反 應 所 製 成, 與 尼 龍 6 之 開 環 反 應 不 同 由 於 不 加 水, 所 成 尼 龍 鹽 熔 點 高, 均 一 加 熱 困 難, 在 加 壓 下 進 行 因 無 開 環 反 應, 聚 合 所 需 時 間 只 需 6 小 時 以 下, 聚 合 後 不 須 萃 出 低 分 子 產 物 聚 合 裝 置 為 加 壓 分 批 或 連 續 裝 置 乾 燥 工 程 與 製 尼 龍 6 相 同
尼 龍 11 12 製 法 尼 龍 12 之 出 發 原 料 為 ω- 十 二 內 醯 胺, 與 採 用 己 內 醯 胺 不 同, 頗 難 溶 於 水, 同 時 開 環 反 應 性 亦 較 己 內 醯 胺 低, 於 水 存 在 下 須 在 300 附 近 反 應, 因 而 須 加 壓 聚 合 尼 龍 11 原 料 氨 基 十 一 碳 炔 酸 亦 難 溶 於 水, 須 以 特 殊 方 法 進 行 原 料 調 整, 再 藉 加 壓 聚 合 製 造
聚 醯 胺 的 結 構 脂 肪 族 PA 如 PA6 PA66 等 都 是 線 型 結 構, 分 子 鏈 上 具 有 極 性 醯 胺 基, 可 以 使 分 子 鏈 之 間 形 成 氫 鍵 氫 鍵 結 構 使 PA 分 子 間 的 作 用 力 增 大, 加 上 PA 分 子 結 構 規 整, 易 於 結 晶, 所 以 PA 有 較 高 的 力 學 性 能 和 熔 點 同 時 PA 分 子 鏈 的 醯 胺 基 之 間 嵌 有 非 極 性 的 亞 甲 基 結 構, 這 些 結 構 單 元 可 在 晶 區 或 非 晶 區 這 種 結 晶 和 非 結 晶 極 性 和 非 極 性 共 存 的 結 構 使 PA 宏 觀 上 表 現 出 堅 而 韌 的 性 質
醯 胺 基 是 親 水 基 團, 因 而 PA 吸 濕 性 大, 其 吸 水 率 隨 分 子 結 構 中 醯 胺 基 的 密 度 增 加 而 增 大 例 如 PA3 的 平 衡 吸 水 率 7-9% PA4 為 4-7% PA6 為 3.5% PA1010 僅 為 1% 吸 水 率 對 製 品 的 影 響, 一 是 因 吸 水 後 發 生 尺 寸 變 化, 降 低 製 品 尺 寸 穩 定 性 ; 二 是 力 學 性 能 對 吸 水 率 有 較 大 依 賴 性, 在 使 用 時 需 考 慮 環 境 濕 度 的 變 化
聚 醯 胺 的 結 晶 性 由 於 PA 大 分 子 鏈 中 極 性 的 醯 胺 基 團 空 間 排 列 規 整, 分 子 間 作 用 力 強, 因 而 具 有 較 高 的 結 晶 能 力 成 型 加 工 條 件 對 PA 結 晶 形 態 和 結 晶 度 的 影 響 較 大, 一 般 對 PA 模 塑 製 品 進 行 緩 慢 冷 卻, 結 晶 度 可 達 50-60%, 且 形 成 較 大 尺 寸 的 球 晶 結 構 結 晶 度 高 可 使 PA 的 拉 伸 強 度 剛 度 硬 度 耐 磨 性 抗 熱 氧 老 化 性 提 高, 但 對 衝 擊 強 度 有 不 利 影 響
當 對 PA 製 品 進 行 快 速 冷 卻 時, 結 晶 度 降 低, 並 形 成 微 小 球 晶 結 構 具 這 種 結 晶 結 構 的 PA 製 品 在 使 用 中 遇 熱 或 有 外 力 作 用 或 曝 露 在 潮 濕 環 境 中 會 發 生 二 次 結 晶 現 象
聚 醯 胺 的 分 子 量 PA 的 分 子 量 不 高, 一 般 不 超 過 5 萬 增 加 PA 的 分 子 量 可 提 高 其 力 學 性 能 耐 熱 性 和 尺 寸 穩 定 性 如 常 用 的 PA6 分 子 量 2-3 萬, 而 單 體 澆 鑄 PA6 的 分 子 量 達 7 萬, 後 者 的 力 學 性 能 和 熱 變 型 溫 度 大 大 高 於 前 者 儘 管 PA 分 子 量 不 高, 但 由 於 大 分 子 間 形 成 氫 鍵 和 結 晶, 因 而 具 有 工 程 塑 膠 的 優 良 性 能
材 料 特 性 概 要 優 點 在 室 溫 附 近 的 機 械 強 度 優 良 磨 擦 磨 耗 特 性 優 良 耐 油 性 優 良 具 自 消 火 性 玻 纖 等 的 複 合 效 果 顯 著 氧 氣 透 過 率 小
缺 點 吸 濕 性 大, 因 而 物 性 值 及 尺 寸 變 化 大 耐 酸 性 差
聚 醯 胺 的 一 般 性 能 PA 無 毒 無 味 不 霉 爛, 外 觀 為 半 透 明 或 不 透 明 的 乳 白 色 或 淡 黃 色 粒 料 密 度 一 般 在 1.02-1.36g/cm 3, 吸 水 率 0.3-9.0%, 隨 鏈 節 中 碳 原 子 數 增 加, 密 度 和 吸 水 率 下 降
聚 醯 胺 的 力 學 性 能 PA 是 典 型 的 硬 而 韌 聚 合 物, 綜 合 性 能 優 於 通 用 塑 料 PA 的 拉 伸 強 度 彎 曲 強 度 和 硬 度 隨 溫 度 和 吸 水 率 的 增 大 而 降 低, 衝 擊 強 度 則 明 顯 提 高 不 同 品 種 的 PA, 隨 醯 胺 基 之 間 亞 甲 基 數 的 增 加, 受 溫 度 和 吸 水 率 的 影 響 減 弱 玻 璃 纖 維 增 強 PA 的 強 度 受 溫 度 和 吸 水 率 的 影 響 較 小
優 良 的 耐 磨 性 是 PA 的 顯 著 特 點, 尤 其 以 PA1010 最 佳 其 密 度 約 為 銅 的 1/7, 耐 磨 性 為 銅 的 8 倍 PA 具 有 良 好 的 耐 疲 勞 性, 在 交 變 循 環 應 力 作 用 下 的 疲 勞 壽 命 達 10 7 次, 與 鋼 鐵 和 鋁 合 金 等 金 屬 材 料 相 當 纖 維 增 強 PA 疲 勞 強 度 提 高 2.5 倍, 其 衝 擊 硬 度 抗 蠕 變 耐 熱 尺 寸 穩 定 性 都 大 大 改 善, 擴 大 作 為 工 程 塑 料 的 應 用 範 圍
聚 醯 胺 的 熱 性 能 PA 是 結 晶 性 聚 合 物, 熔 點 較 高 熔 融 溫 度 範 圍 窄, 具 明 晰 的 熔 點, 一 般 在 180-280 之 間, 隨 品 種 而 異 PA 熔 點 雖 較 高, 但 長 期 使 用 溫 度 卻 不 高, 通 常 在 80 左 右, 在 100 以 上 長 期 與 氧 接 觸 會 引 起 表 面 緩 慢 熱 氧 降 解, 逐 漸 呈 現 褐 色, 喪 失 使 用 功 能 芳 香 族 PA 長 期 使 用 溫 度 可 達 200
PA 線 膨 脹 係 數 是 金 屬 5-7 倍, 熱 導 率 為 碳 鋼 的 1/200 黃 銅 的 1/400, 考 慮 摩 擦 熱 的 排 除, 一 般 宜 與 金 屬 配 合 使 用, 或 採 用 潤 滑 油 加 入 銅 粉 或 石 墨 可 提 高 PA 的 散 熱 能 力 大 多 數 PA 具 有 自 熄 性, 少 數 品 種 雖 有 可 燃 性, 但 對 火 燄 的 傳 播 速 度 很 慢
玻 璃 轉 移 點 融 點 熱 變 形 溫 度 尼 龍 的 融 點 與 主 鏈 中 的 胺 基 濃 度 有 關 尼 龍 I 為 單 數 的 Tm 高 於 雙 數 的 Tm 尼 龍 6 與 尼 龍 66 比 較, 即 使 胺 基 濃 度 相 同,PA66 的 Tm 高 約 40, 具 有 在 更 高 溫 環 境 下 使 用 的 潛 力 脂 肪 族 尼 龍 的 Tg 在 絕 對 乾 燥 時 約 40-50, 引 進 芳 香 族 成 份 後 Tg 會 上 昇 Tg 及 Tm 對 材 料 的 熱 變 形 溫 度 有 密 切 關 係,Tg 是 不 添 加 補 強 材 時 熱 變 形 溫 度 的 指 標 以 玻 璃 纖 維 補 強 結 晶 性 尼 龍 後, 熱 變 形 溫 度 將 上 昇 到 Tm 附 近, 成 為 極 有 用 的 材 料
聚 醯 胺 的 化 學 性 能 PA 在 室 溫 下 耐 稀 酸 弱 鹼 和 大 多 數 鹽 類, 但 強 酸 和 高 濃 度 的 酸 及 強 氧 化 劑 會 明 顯 侵 蝕 PA 的 耐 溶 劑 性 優 良, 能 耐 烃 類 油 類 及 一 般 溶 劑 耐 油 性 好 是 PA 的 重 要 特 性, 對 礦 物 油 植 物 油 和 油 脂 均 呈 惰 性, 但 水 和 醇 等 化 合 物 能 使 PA 產 生 溶 漲, 在 常 溫 下 能 與 某 些 溶 劑 形 成 氫 鍵 而 被 溶 解, 工 業 上 常 用 此 特 性 對 其 製 品 進 行 黏 接
PA 的 耐 候 性 一 般, 製 品 在 不 受 陽 光 照 射 的 地 方 使 用 其 性 能 隨 時 間 的 延 長 變 化 不 大, 但 直 接 曝 露 在 陽 光 或 熱 氧 環 境 下 則 易 老 化, 導 致 變 色, 力 學 性 能 下 降 通 常 加 入 炭 黑 胺 類 和 酚 類 穩 定 劑 可 明 顯 提 高 其 耐 候 性, 並 使 耐 熱 性 也 改 善
聚 醯 胺 的 電 性 能 PA 在 低 溫 及 低 濕 度 條 件 下 是 較 好 的 電 絕 緣 體, 但 溫 濕 度 增 加, 絕 緣 性 能 惡 化, 因 此 PA 不 適 合 作 為 高 頻 和 在 潮 濕 環 境 下 工 作 的 電 絕 緣 材 料
聚 醯 胺 的 加 工 特 性 含 醯 胺 基 易 吸 水, 成 型 前 需 進 行 乾 燥, 使 吸 水 率 降 至 0.2% 以 下 熔 體 黏 度 低, 流 動 性 好 熔 程 窄, 一 般 在 10 左 右 成 型 收 縮 率 大, 一 般 為 1.5-2.5%
聚 醯 胺 的 加 工 方 法 與 應 用 射 出 成 型 與 製 品 : 經 由 射 出 成 型 可 製 得 各 種 形 狀 複 雜 尺 寸 精 度 較 高 的 PA 製 品 製 品 如 齒 輪 軸 承 凸 輪 滑 塊 導 軌 螺 栓 螺 母 等 擠 出 成 型 與 製 品 : 擠 出 製 品 佔 PA 總 量 約 25%, 產 品 主 要 有 薄 膜 管 材 棒 材 單 絲 片 材 等 PA 薄 膜 力 學 性 能 高 氣 密 性 好, 尤 其 對 香 味 油 脂 和 氧 的 阻 隔 性 優 異 管 材 有 軟 質 與 硬 質, 主 要 用 於 汽 車 石 油 天 然 氣 方 面 棒 材 可 以 二 次 加 工 製 成 機 械 零 件
單 體 澆 鑄 : 是 指 已 內 醯 胺 採 用 鹼 為 摧 化 劑, 直 接 在 模 具 內 聚 合 成 型, 稱 為 單 體 澆 鑄 尼 龍 (MC 尼 龍 ) MC 尼 龍 各 種 性 能 優 於 PA6, 適 合 大 件 多 品 種 和 小 批 量 製 品 的 生 產, 如 大 型 齒 輪 高 負 荷 軸 承 輥 軸 導 軌 等
聚 醯 胺 的 改 性 品 種 增 強 PA: 主 要 用 玻 纖 為 增 強 材 料, 一 般 玻 纖 含 量 大 於 30% 時, 其 力 學 性 能 耐 蠕 變 性 尺 寸 穩 定 性 和 耐 熱 性 都 有 明 顯 提 高 PA 合 膠 : 主 要 有 PA/ABS 等
P64 表
產 品 發 展 動 向 尼 龍 樹 脂 技 術 開 發 狀 況, 代 表 性 之 一 為 難 燃 性 尼 龍 之 製 造, 各 廠 家 相 繼 推 出 相 當 於 UL 94V-0 難 燃 及 尼 龍, 主 要 用 途 是 供 製 作 電 氣 零 件 以 玻 璃 纖 維 強 化 之 尼 龍 為 另 一 發 展, 這 類 尼 龍 具 高 強 度 高 彈 性 特 性, 又 無 損 其 他 性 質, 因 吸 水 而 致 尺 寸 變 化 之 缺 點 亦 或 改 善 高 玻 纖 濃 度 (45%) 型 代 替 金 屬 性 能 優
礦 物 強 化 尼 龍 是 為 改 良 成 形 性 表 面 平 滑 性 塗 裝 性 尺 寸 安 定 性 剛 性 等 目 的 而 開 發 擠 壓 用 途 方 面, 利 用 尼 龍 之 低 氧 氣 透 過 率, 可 製 成 薄 膜, 供 食 品 包 裝 用 利 用 尼 龍 與 聚 烯 烴 系 材 料 之 積 層 而 作 成 多 層 薄 膜 及 多 層 中 空 容 器 等, 應 用 日 廣
其 他 特 殊 用 途 包 括 製 作 要 求 柔 軟 性 之 管 柔 軟 成 形 品 等 尼 龍 11 12 已 開 發 柔 軟 級 製 品, 廣 泛 使 用 中 又 利 用 熔 點 低, 接 著 性 佳 之 優 點, 將 尼 龍 11 12 及 其 共 聚 物 製 成 熱 熔 型 接 著 劑, 應 用 於 衣 料 金 屬 等 之 接 著
市 場 展 望 美 國 歐 洲 日 本 為 世 界 主 要 尼 龍 生 產 地 區, 在 需 求 方 面, 美 國 以 尼 龍 66 為 主, 日 本 及 歐 洲 以 尼 龍 6 為 主 歐 洲 尼 龍 11 及 12 之 比 重 高 於 其 他 地 區, 美 國 尼 龍 612 及 其 共 聚 物 之 生 產 能 力 最 高 尼 龍 之 主 要 用 途 在 汽 車 電 子 / 電 機 家 電 機 械 零 件 單 絲 薄 膜 電 線 電 覽 等 加 工 法 以 射 出 成 形 約 佔 56-60%, 擠 壓 成 形 約 佔 30%
技 術 開 發 除 強 化 尼 龍 難 燃 尼 龍 外, 還 有 高 耐 衝 擊 尼 龍, 有 Du Pont 日 本 東 麗 等 公 司 的 產 品 今 後 之 展 望, 經 由 共 聚 合 而 賦 予 柔 軟 性 低 熔 點 透 明 度 將 會 被 重 視 各 種 聚 合 物 之 掺 混, 各 種 添 加 劑 之 添 加 而 達 強 化 難 燃 耐 候 耐 磨 等 效 果 亦 將 繼 續 進 展