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Polyamide

Polyamid
Dichte 1,14 g/cm3
Elektrische Leitfähigkeit (σ) 10-12 (Ω · m)-1
Wärmeleitfähigkeit 0,25 W · m-1 · K-1
Zug-E-Modul 2.300 N · mm-2
Glasübergangstemperatur (60-75) °C

Polyamide (Kurzzeichen PA) sind lineare Polymere mit sich regelmäßig wiederholenden Amidbindungen entlang der Hauptkette. Die Amidgruppe kann als Kondensationsprodukt einer Carbonsäure und eines Amins aufgefasst werden. Die dabei entstehende Bindung ist eine Amidbindung, die hydrolytisch wieder spaltbar ist.

Polyamide werden wegen ihrer hervorragenden Festigkeit und Zähigkeit oft als Konstruktionswerkstoffe verwendet. Gute chemische Beständigkeit besteht gegenüber organischen Lösungsmitteln, doch können sie leicht von Säuren und oxidierenden Chemikalien angegriffen werden.

Die Bezeichnung Polyamide wird üblicherweise als Bezeichnung für synthetische, technisch verwendbare thermoplastische Kunststoffe verwendet und grenzt diese Stoffklasse damit von den chemisch verwandten Proteinen ab. Fast alle bedeutsamen Polyamide leiten sich von primären Aminen ab, denn die sich wiederholende Einheit besteht aus der funktionellen Gruppe –CO–NH–. Daneben existieren auch Polyamide von sekundären Aminen (–CO–NR–, R = organischer Rest). Als Monomere für die Polyamide werden besonders Aminocarbonsäuren, Lactame und/oder Diamine und Dicarbonsäuren verwendet.

Chemische Konstitution

Polyamidketten
Polyamide Amidegroup V.1.png
Schematische Darstellung: Die markierten Amidgruppen (im schematischen Beispiel je drei in zwei Ketten) sind Namensgeber der Polyamide.
Polyamide Structural Formula V.2.png
Schematische Darstellung: Die von links nach rechts gegenläufig verlaufenden Ketten von Polyamid 6.6 sind über Wasserstoffbrückenbindungen (rot gestrichelt gezeichnet) miteinander verknüpft. Die Amidbindungen sind blau markiert.

Polyamide lassen sich in folgende Klassen einordnen:

  1. nach der Art der Monomere
    • aliphatische Polyamide: die Monomere leiten sich von aliphatischen Grundkörpern ab, z.B. PA aus ε-Caprolactam (Polycaprolactam, kurz PA 6) oder aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure (PA 6.6).
    • teilaromatische Polyamide: die Monomere leiten sich zum Teil von aromatischen Grundkörpern ab, z.B. PA aus Hexamethylendiamin und Terephthalsäure (PA 6T).
    • aromatische Polyamide (Polyaramide): die Monomere leiten sich von rein aromatischen Grundkörpern ab, z.B. para-Phenylendiamin und Terephthalsäure (Aramid)
  2. nach der Art der Monomerzusammensetzung
    • Homopolyamide: das Polyamid leitet sich von einer Aminocarbonsäure oder einem Lactam bzw. einem Diamin und einer Dicarbonsäure ab. Solche Polyamide lassen sich durch eine einzige Wiederholeinheit beschreiben. Beispiele hierfür sind das PA aus Caprolactam [NH–(CH2)5–CO]n (PA 6) oder das PA aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure [NH–(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO]n (PA 6.6).
    • Copolyamide: das Polyamid leitet sich von mehreren unterschiedlichen Monomeren ab. Solche Polyamide lassen sich nur durch Angabe mehrerer Wiederholeinheiten beschreiben. Beispiele hierfür sind das PA aus Caprolactam, Hexamethylendiamin und Adipinsäure [NH-(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO]n–[NH–(CH2)5–CO]m (PA 6/66), oder PA aus Hexamethylendiamin, Adipinsäure und Sebacinsäure [NH–(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO]n–[NH–(CH2)6–NH–CO– (CH2)8–CO]m (PA 66/610). Zu beachten ist, dass die angegebenen Formeln lediglich die Polymerzusammensetzung beschreiben, nicht aber die Abfolge der Monomereinheiten; diese sind üblicherweise statistisch über die Polymerketten verteilt.
  3. nach Art des Erweichungs-/Erstarrungsverhaltens
    • teilkristalline Polyamide: bilden beim Abkühlen aus der Schmelze kristalline Domänen (Phasenübergang 1. Ordnung). In der Regel erstarrt nicht die gesamte Schmelze kristallin, sondern es bilden sich auch amorphe Domänen (siehe unten). Das Verhältnis zwischen kristallinen und amorphen Domänen wird von der chemischen Natur des Polyamids und den Abkühlbedingungen bestimmt. Zusätzlich kann die Kristallisation durch nukleierende oder antinukleierende Additive gefördert oder behindert werden. Leicht kristallisierende Polyamide sind z.B. das PA 4.6 oder das PA 6.6, schwer kristallisierende Polyamide sind z.B. das PA mXD6 aus m-Xylylendiamin und Adipinsäure oder bestimmte Copolyamide.
    • amorphe Polyamide: erstarren glasartig aus der Schmelze. Im festen Zustand gibt es keine Fernordnung der Wiederholungseinheiten. Der Übergang zwischen fest und flüssig wird durch die Glasübergangstemperatur (Phasenübergang 2. Ordnung) beschrieben. Beispiele sind das PA aus Hexamethylendiamin und Isophthalsäure (PA 6I) und bestimmte Copolyamide. Im Allgemeinen enthalten amorphe Polyamide Monomereinheiten, die eine regelmäßige, kristalline Anordnung der Ketten unmöglich machen. Unter extremen Abkühlbedingungen können auch ansonsten teilkristalline Polyamide amorph erstarren.

Nach diesen Klassifizierungen ist beispielsweise PA66 ein aliphatisches, teilkristallines Homopolyamid.

Darstellung

Bei der Darstellung der Homopolyamide muss zwischen dem Aminocarbonsäure-Typ (AS) und dem Diamin-Dicarbonsäure-Typ (AA-SS) unterschieden werden, A steht hierbei für eine Aminogruppe und S für eine Carboxygruppe.

Homopolyamide des AS-Typs werden entweder durch Polykondensation (kettenförmiges Monomer, Beispiel: ε-Aminocapronsäure, oben) oder ringöffnende Polymerisation (ringförmiges Monomer, Beispiel: ε-Caprolactam, unten) erzeugt:

Darstellung von Aminen des Typs SA

Polymere des AA-SS-Typs werden dagegen durch Polykondensation eines Diamins und einer Dicarbonsäure hergestellt:

Darstellung von Aminen des Typs SS SA

Für die Umsetzung zu hohen Molmassen ist es bei Polymeren des AA-SS-Typs notwendig, beide Monomere im Verhältnis 1:1 umzusetzen. Bereits geringe Abweichungen von diesem Verhältnis können die Molmasse des Produkts stark verringern. Um dies zu verhindern, werden in der PA-6,6-Synthese (Nylon) zunächst die Monomere Hexan-1,6-Diamin (die AA-Komponente) und Adipinsäure (die SS-Komponente) zum AH-Salz umgesetzt. Im AH-Salz liegen beide Monomere im Verhältnis 1:1 vor, sodass kein Wägefehler mehr zu einem Missverhältnis der Monomere führen kann. Anschließend wird das AH-Salz zum Produkt umgesetzt.

Kurzzeichen

Zur rationellen Bezeichnung der Polyamide existieren Kurzzeichen, die aus den Buchstaben PA sowie darauf folgenden Zahlen und Buchstaben bestehen. Einige wichtige Vertreter sind in der DIN EN ISO 1043-1 genormt.

Polyamide, die sich von Aminocarbonsäuren des Typs H2N–(CH2)x–COOH oder den entsprechenden Lactamen ableiten lassen, werden als PA Z gekennzeichnet, wobei Z die Anzahl der Kohlenstoffatome im Monomer bezeichnet (Z = x + 1). So steht z.B. PA 6 für das Polymere aus ε-Caprolactam bzw. ω-Aminocapronsäure, [NH–(CH2)5–CO]n.

Polyamide, die sich von Diaminen und Dicarbonsäuren der Typen H2N–(CH2)x–NH2 und HOOC–(CH2)y–COOH ableiten lassen, werden als PA Z1Z2 gekennzeichnet, wobei Z1 die Anzahl der Kohlenstoffatome im Diamin und Z2 die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Dicarbonsäure bezeichnet (Z1 = x, Z2 = y + 2). So steht z.B. PA 66 für das Polymer aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure, [NH–(CH2)6–NH–CO–(CH2)4–CO]n.

Analog lassen sich auch Copolyamide bezeichnen. Aus den im Copolyamid vorhandenen Monomeren werden die möglichen Homopolyamidkombinationen gebildet und dann aneinander gehängt. Ein schon genanntes Beispiel ist das PA 66/610, welches aus drei Monomeren (Hexamethylendiamin, Adipinsäure, Sebacinsäure) gebildet wird. Aus diesen drei Monomeren sind die Homopolymerkombinationen PA 66 (Hexamethylendiamin und Adipinsäure) und PA610 (Hexamethylendiamin und Sebacinsäure) möglich, woraus sich PA 66/610 als Bezeichnung für das Copolyamid ergibt.

Für einige andere wichtige Monomere, insbesondere solche mit aromatischem Grundkörper, sind auch Buchstabenkürzel gebräuchlich. So steht T für Terephthalsäure und I für Isophthalsäure. PA 6I ist demzufolge das Polyamid aus Hexamethylendiamin und Isophthalsäure.

Zur klareren Darstellung sind Trennsymbole nicht unüblich (. oder /), die zwischen die Monomerkürzel eingefügt werden, allerdings ist deren Gebrauch häufig nicht einheitlich. Beispielsweise können folgende Bezeichnungen synonym auftreten: PA 6/6.6 = PA 6/66 = PA 6.66 = PA 666.

Das meistverwendete Polyamid wird üblicherweise "PA 6.6" oder "PA6.6" geschrieben. Mit der Kenntnis, wie die Bezeichnung von den Molekülstrukturen der Komponenten abhängt, wird klar, dass es niemals "P A sechsundsechzig" gesprochen werden sollte, sondern immer "P A sechs sechs".

Weitere Beispiele für weniger gebräuchliche Polyamide:

PA 6 versus PA 6.6

Polymerisation von ε-Caprolactam zu Polyamid 6
Polyamid-Granulat, Typ 4.10

Die zwei technisch am häufigsten verwendeten Polyamide sind PA 6 und PA 6.6. Ihr Herstellprozess ist grundlegend verschieden:

PA 6.6 und PA 6 sind sich chemisch sehr ähnlich, da sie sich lediglich durch die gespiegelte Anordnung einer –CH2–NH–CO-Gruppe unterscheiden. Sie haben aber deutlich unterschiedliche physikalische Eigenschaften.

Handelsnamen

Fasern

Weitere Handelsnamen waren oder sind: Polycaprolactam; Caprolan (Honeywell); Silon; Danamid; Nivion; Enka; Hydrofil (Honeywell); Dorlon (später Bayer-Perlon); Lamigamid (Schwartz); Anjamid (almaak); Radilon (Radici Plastics); Schulamid (A. Schulman).

Bekannte synthetische Vertreter der Polyamide sind unter den Namen Nylon (PA 66), Cordura, Kevlar und Perlon (PA 6) im Handel. In der DDR war letzterer Kunststoff als Dederon bekannt. Auch Proteine gehören chemisch zu den Polyamiden, auch wenn diese Benennung nicht üblich ist.

Perlon, Nylon und Dederon sind Warenzeichen für chemisch verwandte Kunstfaserprodukte. Perlon (PA 6) (auch: Nylon 6) wird durch Polymerisation von Caprolactam hergestellt. Es ist dem aus Adipinsäure hergestellten Nylon (PA 6.6) sehr ähnlich, nimmt jedoch leichter Farbstoffe auf und hat einen niedrigeren Schmelzpunkt.

Eigenschaften

Viele technisch bedeutsame Polyamide sind teilkristalline thermoplastische Polymere und zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit aus, besitzen eine gute Chemikalienbeständigkeit und Verarbeitbarkeit. Viele Eigenschaften der Polyamide werden weitgehend durch die Amidgruppen dominiert, die über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander wechselwirken.

Genaue Werte für die Eigenschaften der Polyamide hängen unter anderem von deren kristallinem Gefüge und insbesondere von deren Wassergehalt ab. Polyamide reagieren auf den Feuchtegehalt der Umgebung mit reversibler Wasseraufnahme oder -abgabe. Dabei wird das Wasser in die amorphen Bereiche des Polyamids eingelagert. Ganz wesentlich hängt die Wasseraufnahme von der Konzentration der Amidgruppen ab. An Umgebungsluft nimmt PA 6 ca. 2,5-3,5 % Wasser auf, PA 12 aber nur ca. 0,2-0,5 %. Es sind Additive auf Polyolefin-Basis entwickelt worden, um auch im trockenen Zustand hohe Schlagzähigkeit zu gewährleisten.

Im Folgenden sind einige wichtige Eigenschaften aufgeführt:

  PA 6 PA 6.6 PA 6.10 PA 6.12 PA 11 PA 12
Bezeichnung Polycaprolactam Poly-(N,N'-hexamethylenadipindiamid)
Poly-(hexamethylenadipamid)		 Poly-(hexamethylensebacamid) Poly-(hexamethylendodecandiamid) Polyundecanolactam Polylauryllactam
CAS-Nummer 25038-54-4 32131-17-2 9011-52-3 26098-55-5 25035-04-5 24937-16-4
Schmelzpunkt in °C 220 260 240 218 198 178
Glastemperatur1) in °C (trocken) 50-60 50-60 40 46 46 37
Dichte in kg/dm3
- teilkristallin (typischer Wert)
- kristalline Phase (a-Modifikation)
- amorphe Phase
1,130
1,235
1,084
1,13...1,14		 1,04 1,3 1,03 1,01
Feuchtigkeitsaufnahme in % (23 °C, 50 % Luftfeuchtigkeit) 2,6-3,4 2,5-3,1        
Zug-Modul in MPa (trocken/luftfeucht) 2700-3500/900-1200 2700-3500/1000-1600        

1) Die Glastemperatur sinkt bei zunehmender Feuchtigkeit stark ab und kann dann auch unter 0 °C liegen

Kompakte Polyamide haben einen hohen Verschleißwiderstand und gute Gleiteigenschaften. Durch Faserverbunde mit Glas- oder Kohlefasern lassen sich die mechanischen Eigenschaften weiter verbessern, so dass Festigkeiten und Schlagzähigkeit auf den Anwendungsfall abgestimmt werden können. Jedoch steigt durch Faserzugabe die Hydrolyseempfindlichkeit der Materialien, da zwischen Matrix und Faser ein mikroskopisch kleiner Spalt verbleibt, über den durch den Kapillareffekt Feuchtigkeit eingezogen wird. In Abhängigkeit zur Schlichte der Glasfaser und der damit verbundenen Anbindung zwischen Faser und Matrix fällt dieser Effekt jedoch unterschiedlich aus.

Erkennung

Polyamide lassen sich auf einfache Weise mit wenigen Hilfsmitteln identifizieren. Am einfachsten ist die Brennprobe. Ein kleiner Abschnitt des zu untersuchenden Kunststoffteils wird entzündet. PA brennt mit blauer Flamme mit gelblichem Rand, wobei das verbrennende Material etwas schäumt und braunschwarze Ränder bildet. Bläst man die Flamme aus, riecht der Rauch leicht hornartig. PA lässt sich mit Ameisensäure anlösen und damit auch kleben, abhängig vom Polyamid-Typ benötigt man unterschiedliche Konzentrationen (PA 6 70 %, PA 6.6 80 %).

Färben von Polyamidfasern

Fasern kommen entweder als spinndüsengefärbtes Material oder als rohweißes Fasermaterial vor. Das rohweiße Fasermaterial kann in verschiedenen Aufmachungsstufen (Flocke, Garn, Stück) eingefärbt werden. Zur Verwendung kommen Säure- bzw. Metallkomplexfarbstoffe. Auch lässt sich Polyamid mit Dispersions- und Direktfarbstoffen färben, die erzielten Echtheiten sind aber in der Regel deutlich schlechter.

In neuerer Zeit kommen auch Reaktivfarbstoffe zum Einsatz, die die Echtheiten von Säure-, Dispers- und Direktfarbstoffen deutlich übertreffen.

Verwendung

Insgesamt wurden 2004 weltweit 6800 kt Polyamide hergestellt.
Polyamid Menge Anteil an Gesamtproduktion
PA 6 2500 kt Fasern / 1100 kt Werkstoffe / 300 kt Folien 57 %
PA 6.6 1600 kt Fasern / 1000 kt Werkstoffe 38 %
Übrige 300 kt 5 %

Der größte Teil der Polyamidproduktion wird als Synthesefaser für Textilien verwendet. Beispiele sind Angelschnur, Dessous, Kittel, künstliche Schwämme, Mähfaden für Rasentrimmer, Strümpfe, Regenbekleidung, Seile jeder Größe vo der Wäscheleine bis zur Hochsee-Schlepper-Trosse, Spanndrähte, Sprungtücher für Trampoline, technische Gewebe (Papierherstellung), Saiten für Streichinstrumente und Zupfinstrumente, Tennissaiten, Teppichböden, Sportbekleidung,.....

Außerdem findet es Verwendung zur Herstellung von unzerbrechlichen Haushaltsgegenständen und technischen Teilen, die sehr abriebfest sein müssen, wie Dübel, Schrauben, Gehäuse, Gleitlager, Isolationsteile im Bereich Elektrotechnik, Kabelbinder, Sanitätszelte, Küchenutensilien (Kellen, Löffel usw.), Maschinenteile und Zahnbürsten-Borsten.

Aufgrund seiner Beständigkeit gegen Schmier- und Kraftstoffe bei Temperaturen bis über 150 °C wird es auch im Fahrzeugbau für Motoranbauteile wie Ansaugsysteme, Kraftstoffleitungen, Motorabdeckungen, Ölwannen usw. eingesetzt.

Polyamide eignen sich aufgrund ihrer einheitlich, glatten Oberfläche gut als Nahtmaterial in der Chirurgie. Das Nahtmaterial aus Polyamid zeichnet sich besonders durch seine sehr guten Knüpfeigenschaften und hohe Zugfestigkeit aus. Es ist ein monofiles, nicht resorbierbares chirurgisches Material aus Polyamid 6 und Polyamid 6.6.

Recycling

Recycling-Code für Polyamide

Der Recycling-Code für Polyamide ist 07.

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Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 28.05. 2020