پلی‌آمید چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟
احتمالاً تا حالا اسم ماده شیمیایی پلی‌آمید به گوش‌تان خورده، اما شاید ندانید این ماده دقیقاً چیست و چرا اینقدر در صنایع مختلف کاربرد دارد. این ترکیب شیمیایی، یکی از آن موادی است که بدون آن‌که خودمان بفهمیم، هر روز با آن سر و کار داریم! از لباس‌هایمان گرفته تا قطعات خودرو و حتی بسته‌بندی مواد غذایی.
امروز در این مطلب از نشریه شیمی داکس قصد داریم به این سوال که پلی‌آمید چیست، چه ویژگی‌هایی دارد و چرا اینقدر در صنایع پرکاربرد است؟ پاسخ دهیم. اگر کنجکاوید بدانید این ماده چطور زندگی روزمره‌ی ما را تحت تأثیر قرار داده، تا انتهای این مطلب همراه ما باشید!
پلی‌آمید چیست؟
پلی‌آمید (Polyamide) که در صنعت با نام نایلون هم شناخته می‌شود، یک پلیمر مصنوعی است که از واکنش پلیمریزاسیون تراکمی بین یک دی‌اسید (اسید دو عاملی) و یک دی‌آمین (آمین دو عاملی) تشکیل می‌شود. به زبان ساده، این ماده یک ابرمولکول است که از تکرار واحدهای کوچک و مرتبط با پیوندهای آمید (-CONH-) ساخته شده است. همین ساختار شیمیایی خاص، به پلی‌آمید ویژگیهای منحصربه‌فردی مثل استحکام بالا، مقاومت در برابر سایش و انعطاف‌پذیری می‌دهد و آن را به یکی از پرکاربردترین مواد در صنایع مختلف تبدیل کرده است.
جالبه بدانید که تاریخچهٔ استفاده از پلی‌آمید به دههٔ ۱۹۳۰ میلادی بازمی‌گردد و اولین بار والاس کاروترز، شیمیدان شرکت دوپونت (DuPont)، در سال ۱۹۳۵ موفق به تولید نایلون شد. این ماده در ابتدا برای ساخت الیاف مصنوعی مثل موهای مسواک و جوراب‌های نایلونی زنان استفاده می‌شد و به‌سرعت به دلیل سبکی و دوام بالا محبوبیت جهانی پیدا کرد. اما جالب‌تر اینجاست که در جنگ جهانی دوم، نایلون جایگزین مواد سنتی مثل ابریشم و کنف در ساخت چتر نجات، طناب و حتی لباس‌های نظامی شد و نقش مهمی در پیشبرد فناوری آن دوران ایفا کرد. امروزه اما پلی‌امیدها فراتر از الیاف، در ساخت قطعات خودرو، قطعات الکترونیکی و حتی در صنعت پزشکی نیز کاربرد دارند.
فرمول شیمیایی پلی‌آمیدها
پلی‌آمیدها به طور کلی از تکرار واحدهای پیوند آمید (CONH-) تشکیل شده‌اند. فرمول عمومی آنها به صورت زیر است:
فرمول عمومی
فرمول عمومی پلی آمیدهای آلیفاتیک مانند نایلون عبارت است از:
[-NH-(CH2)n-CO-]x
نمونه‌های خاص
- فرمول نایلون 6 که حاصل پلیمریزاسیون کاپرولاکتام می‌باشد عبارت است از: [-NH-(CH2)5-CO-]n
- نایلون 6,6 که حاصل واکنش هگزامتیلن دی‌آمین و اسید آدیپیک می‌باشد عبارت است از: [-NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO-]n
- کولار (پلی‌پارافنیلن ترفتالامید) که حاصل حلقه‌های آروماتیک عامل استحکام بالا می‌باشد عبارت است از: [-NH-C6H4-NH-CO-C6H4-CO-]
n نشان‌دهنده درجه پلیمریزاسیون (تعداد واحدهای تکرارشونده) است.
انواع پلی‌آمید
پلی‌آمیدها به دلیل تنوع در ساختار، منشأ تولید و کاربرد، دسته‌بندی‌های مختلفی دارند. ما در این مطلب از شیمی داکس سعی کردیم یک تقسیم‌بندی جامع ارائه کنیم که بدون اغراق، نظیرش در هیچ جایی پیدا نمی‌کنید!
۱. پلی‌آمیدهای طبیعی
این گروه از پلی آمیدها به‌طور طبیعی در موجودات زنده یا گیاهان تولید می‌شوند. معروف‌ترین مثال‌ها پروتئین‌ها هستند که از زنجیره‌های اسید آمینه با پیوند آمید (-CONH-) تشکیل شده‌اند. ابریشم(فیبروئین) و کراتین(موجود در مو و پشم) نمونه‌های بارز پلی‌آمیدهای طبیعی هستند. برخی گیاهان مانند گونه‌هایی از اقاقیا نیز در دانه‌هایشان پلی‌آمیدهای طبیعی تولید می‌کنند. این مواد به‌دلیل سازگاری با محیط زیست و کاربرد در صنایع نساجی و پزشکی اهمیت زیادی دارند.
2.پلی آمید های مصنوعی
این دسته در آزمایشگاه یا صنعت توسط ما انسان‌ها ساخته می‌شوند و به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- پلی‌آمیدهای آلیفاتیک: پلی‌آمیدهای آلیفاتیک دارای ساختار ساده‌ای بدون حلقه‌های آروماتیک هستند که از جمله معروف‌ترین نمونه‌های آن می‌توان به نایلون ۶ (ساخته شده از کاپرولاکتام) و نایلون ۶٫۶ (حاصل واکنش هگزامتیلن دی‌آمین با اسید آدیپیک) اشاره کرد. این مواد به دلیل برخورداری از ویژگیهای ممتازی همچون استحکام مکانیکی بالا، انعطاف‌پذیری قابل توجه و مقاومت عالی در برابر سایش، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف پیدا کرده‌اند که از آن جمله می‌توان به تولید الیاف لباس، ساخت چرخ‌دنده‌ها، قطعات خودرو و انواع فرش اشاره نمود.
- پلی‌آمیدهای آروماتیک: پلی‌آمیدهای آروماتیک(آرامیدها) با دارا بودن حلقه‌های آروماتیک در ساختار مولکولی خود، از جمله پیشرفته‌ترین مواد پلیمری محسوب می‌شوند. معروف‌ترین نمونه‌های این گروه شامل کِولار با مقاومت کششی پنج برابری نسبت به فولاد و نومکس با خاصیت ضدحریق می‌باشد. این مواد به دلیل ویژگیهای استثنایی مانند مقاومت حرارتی بسیار بالا، استحکام کششی فوق‌العاده و پایداری شیمیایی قابل توجه، در کاربردهای حساس و تخصصی مورد استفاده قرار می‌گیرند که از مهمترین آنها می‌توان به تولید جلیقه‌های ضدگلوله، پوشش محافظ آتشنشان‌ها، عایق‌های الکتریکی پیشرفته و همچنین قطعات مورد استفاده در صنایع هوافضا اشاره کرد.
3. پلی‌آمیدهای زیستی
میتوانیم بگیم به عنوان زیرمجموعه‌ای نوین از پلی‌آمیدهای مصنوعی، با استفاده از منابع تجدیدپذیری مانند روغن کرچک تولید می‌شوند و ویژگیهای منحصر به فردی از جمله کاهش وابستگی به منابع نفتی و سازگاری بالاتر با محیط زیست را ارائه می‌دهند. این مواد پیشرفته کاربردهای وسیعی در تولید بسته‌بندی‌های دوستدار محیط زیست، محصولات پزشکی با قابلیت تجزیه‌پذیری و همچنین منسوجات پایدار دارند که آنها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای صنایع سبز تبدیل کرده است.
| نام ماده شیمیایی | نام لاتین | نام‌های دیگر | فرمول مولکولی | جرم مولی (g/mol) | نقطه ذوب (°C) | نقطه جوش (°C) | چگالی (g/cm³) | حلالیت | ویژگیهای کلیدی |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| نایلون 6 | Nylon 6 | پلی‌کاپرولاکتام | (C₆H₁₁NO) | 113.16 (واحد تکرارشونده) | 215-220 | قبل از جوش تجزیه می‌شود. | 1.14 | اسید فرمیک، فنول | انعطاف‌پذیر، مقاوم در برابر سایش |
| نایلون 66 | Nylon 66 | پلی‌هگزامتیلن آدیپامید | (C₁₂H₂₂N₂O₂) | 226.32 (واحد تکرارشونده) | 260-265 | قبل از جوش تجزیه می‌شود. | 1.14 | اسید فرمیک، متانول | استحکام بالا، مقاومت حرارتی |
| کولار | Kevlar | پلی‌پارافنیلن ترفتالامید | (C₁₄H₁₀N₂O₂) | 238.24 (واحد تکرارشونده) | 500-600 (تجزیه) | قبل از جوش تجزیه می‌شود. | 1.44 | اسید سولفوریک غلیظ | مقاومت کششی بسیار بالا |
| نومکس | Nomex | پلی‌متافنیلن ایزوفتالامید | (C₁₄H₁₀N₂O₂) | 238.24 (واحد تکرارشونده) | 370-400 (تجزیه) | قبل از جوش تجزیه می‌شود. | 1.38 | حلال‌های آلی قوی | مقاوم در برابر شعله، عایق حرارتی |
ویژگی پلی امیدها
خب تا اینجای این مقاله تا حدودی با ویژگیهای این ماده شیمیایی آشنا شدید، در ادامه قصد داریم تا بصورت دقیق و جامع ویژگیهای کلیدی پلی‌آمیدها را بررسی کنیم.
- استحکام مکانیکی بالا: پلی‌آمیدها (به‌ویژه انواع آروماتیک مانند کولار) استحکام کششی فوق‌العاده‌ای دارند (تا ۵ برابر فولاد) و جالبه بدانید که همین مقاومت در برابر ضربه و سایش باعث شده در ساخت چرخ‌دنده‌ها، قطعات خودرو و تجهیزات صنعتی استفاده شوند.
- انعطاف پذیری: این ماده شیمیایی عموما از کشش و انعطاف پذیری خوبی برخوردار است. برخی از انواع پلی‌آمید (مثل نایلون ۶) قابلیت کشش تا ۳۰۰٪ را هم دارند که همین ویژگی باعث استفاده گسترده در تولید الیاف نساجی و فیلم‌های بسته‌بندی می‌شود.
- پایداری هیدرولیز: برخی گریدها (مثل نایلون ۱۲) در محیط‌های مرطوب بسیار پایدارند که به همین دلیل در قطعات پزشکی و تجهیزات دریایی کاربرد زیادی دارند.
- مقاومت شیمیایی بالا: این ماده در برابر روغن‌ها، حلال‌های آلی و بازهای رقیق مقاومت بالایی دارند ولی توجه کنید که در برابر اسیدهای قوی مانند اسید سولفوریک آسیب می‌بینند.
در ادامه یک جدولی را آماده کردیم که برخی از ویژگیهای این ماده را در انواع آن بررسی کردیم.
| ویژگی | نایلون ۶ | نایلون ۶۶ | کولار | نومکس |
|---|---|---|---|---|
| استحکام کششی (MPa) | ۸۰ | ۹۰ | ۳۰۰۰ | ۲۵۰ |
| دمای ذوب (°C) | ۲۲۰ | ۲۶۵ | ۵۰۰-۶۰۰ | ۳۷۰-۴۰۰ |
| مقاومت شیمیایی | متوسط | خوب | عالی | عالی |
| کاربرد کلیدی | نساجی | خودروسازی | جلیقه ضدگلوله | عایق حرارتی |
مزایا پلی آمید
همان طور که گفتیم، پلی‌آمیدها به دلیل استحکام مکانیکی بالا، مقاومت حرارتی و شیمیایی، انعطاف‌پذیری و سبکی، جایگاه ویژه‌ای در صنایع مدرن پیدا کرده‌اند. این مواد با تحمل دمای ذوب بالا (تا ۵۰۰°C در برخی انواع) و مقاومت در برابر سایش، ضربه و حلال‌های آلی، در ساخت قطعات خودرو، الیاف نساجی، تجهیزات الکترونیکی و حتی کاربردهای پزشکی استفاده می‌شوند. سبکی آنها (در مقایسه با فلزات) باعث کاهش وزن محصولات و صرفه‌جویی انرژی شده، ضمن این که برخی انواع زیست‌تخریب‌پذیر یا ضدحریق (مثل نومکس) نیز پاسخگوی نیازهای خاص صنایع سبز و ایمنی هستند.
کاربردهای پلی امید
در ادامه مهمترین کاربردهای این پلیمر مصنوعی را با هم بررسی می‌کنیم.
۱. صنایع نساجی و الیاف
پلی‌آمیدها به‌ویژه نایلون‌های ۶ و ۶٫۶، تحول عظیمی در صنعت نساجی ایجاد کرده‌اند. این مواد به‌دلیل استحکام کششی بالا، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر سایش، برای تولید الیاف پارچه‌هایی مانند جوراب‌های نایلونی، لباس‌های ورزشی و حتی فرش‌های ماشینی استفاده می‌شوند. بارزترین مثالی که برای این کاربرد میتوانیم بزنیم، جوراب‌های زنانه نایلونی هست که در دهه ۱۹۴۰ وارد بازار شد و انقلابی در صنعت مد ایجاد کرد.
پارچه پلی آمید چیست؟
پارچه پلی‌آمید به منسوجاتی گفته می‌شود که از الیاف مصنوعی پلی‌آمید که معروف‌ترین نوع آن نایلون می‌باشد، تولید شده‌اند. این پارچه‌ها ویژگیهای منحصر به فردی مانند خشک‌شدن سریع، حفظ شکل اولیه و مقاومت در برابر چروک شدن، آنها را برای تولید لباس‌های ورزشی، جوراب، لباس‌های زمستانی و حتی کفش مناسب کرده است.
پلی‌آمیدها در تولید لباس، اغلب با الیاف دیگر مانند پنبه یا الاستان ترکیب می‌شوند تا علاوه بر حفظ مزایای اصلی، راحتی و تنفس‌پذیری را بهبود بخشند. از این الیاف در تولید لباس‌های ضدآب، لباس‌های محافظ (مثل کاپشن‌های کوهنوردی) و حتی لباس‌های مجلسی استفاده می‌شود، چرا که قابلیت رنگ‌پذیری عالی دارند و درخشندگی مناسبی به پارچه می‌دهند. با این حال، برخی انواع پلی‌آمیدها ممکن است در تماس با پوست حساسیت ایجاد کنند یا در محیط‌های مرطوب رطوبت را به خوبی جذب نکنند.
۲. صنعت خودروسازی
پلی‌آمیدها در ساخت قطعات تحت فشار مانند مخازن سوخت، قطعات موتور و چرخ‌دنده‌ها استفاده می‌شوند. نایلون‌های تقویت‌شده با الیاف شیشه (مثل نایلون ۶۶ GF) به‌دلیل مقاومت حرارتی و تحمل بارهای مکانیکی، جایگزین فلزات در بسیاری از قطعات شده‌اند. این مواد وزن خودرو را کاهش داده و به بهینه‌سازی مصرف سوخت کمک می‌کنند. جالبه بدانید که از پلی امیدها در ساخت سپر برای خودروهای مدرن به‌دلیل سبکی و جذب ضربه استفاده می‌شود .
۳. صنایع الکترونیک
پلی‌آمیدها در تولید بردهای مدار چاپی (PCB)، کابل‌های عایق و محفظه قطعات الکترونیکی کاربرد دارند. ویژگی‌هایی مانند مقاومت الکتریکی بالا، پایداری حرارتی و عدم اشتعال‌پذیری (در مورد نومکس) آنها را برای این صنعت ایده‌آل کرده است. مثلا از فیلم‌های پلی‌آمیدی در ساخت صفحه‌نمایش گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شود.
۴. کاربردهای پزشکی
پلی‌آمیدهای زیست‌سازگار مانند نایلون ۱۲ در تولید ابزارهای جراحی، پروتزهای مصنوعی و بسته‌بندی داروها استفاده می‌شوند. این مواد به‌دلیل عدم سمیت و مقاومت در برابر استریلیزاسیون (حرارت یا پرتودهی) گزینه‌ای مطمئن در پزشکی هستند. یک نمونه کاربردی برای این مثال اگر بخواهم بزنم به نخ‌های بخیه جراحی اشاره کنم که به‌آهستگی در بدن جذب می‌شوند.
۵. صنایع نظامی و امنیتی
پلی‌آمیدهای آروماتیک مانند کولار در ساخت جلیقه‌های ضدگلوله، کلاه‌های ایمنی نظامی و محافظ‌های بالستیک به‌کار می‌روند. استحکام کششی کولار (۵ برابر فولاد) و سبکی آن، جان سربازان و پرسنل امنیتی را نجات داده است. جالبه بدانید که ۹۰٪ جلیقه‌های ضدگلوله جهان از کولار ساخته می‌شوند!
۶. صنایع بسته‌بندی
فیلم‌های پلی‌آمیدی در بسته‌بندی مواد غذایی (مثل پوشش سوسیس و کالباس) استفاده می‌شوند. این مواد از نفوذ اکسیژن و رطوبت جلوگیری کرده و ماندگاری محصولات را افزایش می‌دهند.
۷. صنعت هوافضا
پلی‌آمیدها در ساخت قطعات بدنه هواپیما، عایق‌های حرارتی و سپرهای فضایی کاربرد دارند. نومکس به‌دلیل مقاومت در برابر دمای ۳۰۰°C+ در موتورهای جت هم استفاده می‌شود. یک نمونه تاریخی جالب استفاده از پلی‌آمیدها در لباس فضانوردان مأموریت آپولو بود.
معایب و خطرات پلی امید
پلی‌آمیدها با وجود مزایای چشمگیر، معایب و چالش‌هایی نیز دارند. یکی از اصلی‌ترین مشکلات، وابستگی به منابع نفتی در تولید انواع مصنوعی است که هم از نظر زیست‌محیطی (انتشار کربن) و هم اقتصادی (نوسان قیمت نفت) چالش‌برانگیز است. برخی پلی‌آمیدها مانند نایلون‌های معمولی زیست‌تخریب‌پذیر نیستند و تجمع آنها در طبیعت به شکل میکروپلاستیک‌ها، تهدیدی برای اکوسیستم‌های آبی و خاکی محسوب می‌شود. از سوی دیگر، مقاومت شیمیایی محدود در برابر اسیدهای قوی یا مواد اکسیدکننده ممکن است باعث تخریب زنجیره‌های پلیمری و کاهش عمر مفید قطعات شود.
خطرات سلامتی و ایمنی نیز در حین تولید و استفاده وجود دارد. برای مثال، استنشاق ذرات یا بخارات حاصل از ذوب پلی‌آمیدها (به‌ویژه در دمای بالا) می‌تواند برای دستگاه تنفسی مضر باشد. برخی انواع آرامیدها مانند کولار در صورت سوختن، گازهای سمی مانند سیانید هیدروژن آزاد می‌کنند. علاوه بر این، حساسیت به نور UV در پلی‌آمیدهای آلیفاتیک باعث تردشدن و کاهش استحکام آنها در کاربردهای فضای باز می‌شود. برای کاهش این معایب، امروزه روی توسعه پلی‌آمیدهای زیست‌سازگار و بازیافت‌پذیر تحقیقات گسترده‌ای در حال انجام است.
تفاوت پلاستیک با نایلون
مهمترین تفاوت پلاستیک و نایلون در چیست؟ در واقع پلاستیک یک دسته بزرگ از مواد پلیمریه که از نفت خام یا گاز طبیعی تولید می‌شود و شامل انواع مختلفی مثل پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و پلی‌وینیل کلراید (PVC) می‌شود. اما نایلون یک نوع خاص از پلاستیک که به خاطر مقاومت بالا، انعطاف‌پذیری و دوام زیادی که دارد در صنایع تخصصی مثل پارچه، ابزار صنعتی و حتی قطعات خودرو استفاده می‌شود.
