ПА6, полиамид-6, PA6 и капролон: свойства, производство и применение

Полиамид-6 (ПА6, PA6), или Nylon 6 — один и тот же тип полиамида, обозначаемое в разных языках и технических системах.

Термин "капролон" используется иначе. В российской практике им обычно называют блочный литой полиамид-6, поэтому ПА6 и капролон — не полностью взаимозаменяемые термины.

На практике названия материалов используются не всегда строго. Поэтому стержень с маркировкой PA6 и стержень, который продавец называет капролоном, не стоит считать одинаковым материалом только по названию. Имеют значение конкретная марка, состав и способ получения материала.

ПА6, PA6, Nylon 6 и капролон — что это такое

Полиамид-6 (ПА6, PA6) — конструкционный термопластичный полимер из семейства полиамидов. Его используют для получения волокон, пленок, полуфабрикатов и деталей машин, а также в электротехнике и других областях.

Nylon 6 — другое, преимущественно англоязычное, название полиамида-6.

С Nylon 6,6 (PA66) ситуация другая. Это тоже полиамид, но уже другой химический тип: Nylon 6 получают из капролактама, а Nylon 6,6 — из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. Поэтому Nylon 6 и Nylon 6,6 нельзя считать разными названиями одного материала.

Таким образом:

ПА6 — название полимера.
PA6 — его международное обозначение.
Nylon 6 — распространенное название PA6.
Капролон — блочный литой полиамид-6; в англоязычной технической литературе — cast nylon или cast PA6.
Экструзионный ПА6 — ПА6, из которого методом экструзии получают длинномерные полуфабрикаты.

Почему два материала с одинаковым названием могут отличаться

У разных производителей могут отличаться молекулярные характеристики исходного полимера, в том числе вязкостное число, а также технология получения полимера и последующей переработки. То есть надпись PA6 задает химическую основу материала, а конкретная марка — его промышленную рецептуру и свойства.

То же относится и к модифицированным материалам. Если в торговом названии просто указано PA6 + MoS₂, это еще не позволяет определить точное содержание дисульфида молибдена, характеристики самого наполнителя или свойства базового полиамида. Даже цвет сам по себе не позволяет надежно определить состав или назначение материала. Логика ISO 16396-1:2022 прямо указывает: одинаковое обозначение материала само по себе не задает его эксплуатационные характеристики.

Почему в этой статье мы ориентируемся на ISO

Российский рынок полиамидов исторически использует собственную терминологию: рядом существуют названия материалов, марки и технические условия на отдельные виды продукции. Для конкретной продукции такая система вполне работоспособна, но для общей классификации быстро появляется множество исторически сложившихся обозначений.

Поэтому в статье для общей классификации мы ориентируемся на действующий ISO 16396-1:2022. Он устанавливает систему обозначения полиамидных материалов для литья и экструзии и учитывает вязкостное число, модуль упругости, состав, способ переработки, добавки, наполнители и армирование. Предыдущая редакция ISO 16396-1:2015 отозвана и заменена редакцией 2022 года. При этом ISO 16396-1:2022 не распространяется на мономерно-литые полиамиды PA6 — тот класс материалов, к которому относится рассматриваемый здесь блочный капролон.

Откуда берется полиамид-6

Исходным веществом для получения Nylon 6 служит ε-капролактам. В 1938 году немецкий химик Пауль Шлак получил полиамид-6 полимеризацией капролактама. При полимеризации его молекулы соединяются в длинные цепи полиамида. А в том же году DuPont вывела на рынок Nylon 6,6 — другой тип полиамида, получаемый из другого исходного сырья.

Для дальнейшего производства важна простая цепочка:

капролактам → полиамид-6 → полуфабрикат или готовое изделие.

Как из ПА6 получают полуфабрикаты и готовые детали

Экструзия

Готовый ПА6 расплавляют и непрерывно продавливают через формующий инструмент. После охлаждения получают стержень, профиль и другие длинномерные полуфабрикаты.

Готовый ПА6 → экструзия → полуфабрикат

Литье под давлением

Готовый ПА6, обычно в виде гранул, расплавляют непосредственно в литьевой машине и впрыскивают в заранее изготовленную пресс-форму. После охлаждения получают готовую деталь требуемой геометрии.

Такой способ особенно эффективен при серийном производстве одинаковых деталей сложной формы, когда стоимость пресс-формы распределяется на большой объем выпуска.

Готовый ПА6 → литье под давлением → готовая деталь

Блочное литье

Здесь в форму поступает не готовый ПА6, а капролактам с системой инициирования/активации полимеризации. Сам полиамид образуется непосредственно внутри формы.

Получают, как правило, массивную заготовку — стержень, плиту или трубную заготовку, из которой затем механической обработкой получают готовую деталь. Именно этот материал в российской практике обычно называют капролоном

Капролактам → полимеризация в форме → заготовка → механическая обработка

Почему литой и экструдированный ПА6 отличаются

Это не просто два способа придать одному и тому же материалу форму.

Экструдированный ПА6 получают переработкой готового полимера методом экструзии. При блочном литье полимерные цепи образуются непосредственно внутри формы. Для литого PA6 характерны высокая молекулярная масса и высокая степень кристалличности; внутренние напряжения в нем ниже, чем у экструдированного PA6. Поэтому литой и экструдированный PA6 могут иметь заметно разные эксплуатационные свойства.

Экструзия особенно удобна для непрерывного получения длинномерных полуфабрикатов, а блочное литье — для крупных массивных заготовок, которые затем можно механически обработать.

Зачем добавляют наполнители

Базовый ПА6 уже обладает хорошим сочетанием прочности, износостойкости, небольшой массы и технологичности. Но универсального варианта для всех задач нет. Поэтому в полиамид добавляют наполнители и другие компоненты, изменяя его свойства под конкретные условия работы.

При этом добавка не делает материал просто «лучше». Она смещает баланс свойств: нужные характеристики усиливаются, но вместе с ними меняются и другие. Поэтому модификацию выбирают под конкретную задачу, а не ради максимального значения какого-либо одного показателя.

Стекловолокно

Стекловолокно добавляют прежде всего для повышения жесткости, прочности и стойкости к деформации при нагреве. Обратная сторона — материал становится плотнее и жестче что существенно меняет свое поведение при нагрузке и обработке. Для стеклонаполненных марок PA6 BASF это прямо указывает.

Такие материалы используют там, где от детали требуется сохранять форму при механической нагрузке и нагреве. Конкретная 15%-ная стеклонаполненная марка BASF Ultramid 8231G HS применяется для шестерен, шайб, деталей двигателей и электродвигателей, а 30%-ная B3WG6 — в частности, для автомобильных впускных коллекторов и педалей.

Графит

Графит используют прежде всего для получения антифрикционного и износостойкого ПА6. Его слоистая структура позволяет слоям относительно легко сдвигаться, поэтому графит применяют как твердую смазочную добавку.

Для чистого графита как твердой смазки наличие водяного пара способствует снижению трения, а удаление влаги и снижение давления, наоборот, ухудшают его трибологические свойства. У чистого дисульфида молибдена (MoS₂) наблюдается обратная зависимость: он сохраняет хорошие антифрикционные свойства при низкой влажности и в вакууме.

Для готового графитонаполненного PA6 результат зависит уже от всей композиции. Mitsubishi Chemical, к примеру, для Nylatron NSM PA6 указывает самосмазывающие свойства, высокую износостойкость и применение в износных накладках, седлах клапанов и уплотнениях.

Дисульфид молибдена

Дисульфид молибдена, MoS₂, также используют как твердую смазочную добавку. В некоторых композициях с MoS₂ важен не только антифрикционный эффект. Например, Mitsubishi Chemical для Nylatron GSM PA6 прямо указывает, что MoS₂ повышает несущую способность, сохраняя ударную стойкость материала. Марка применяется для шестерен, подшипников, звездочек и канатных блоков в строительной и тяжелой технике.

Показателен пример крупной шестерни оборудования очистных сооружений. Она часто находилась под водой, из-за чего металлическая деталь и сопряженные элементы подвергались коррозии. Mitsubishi Chemical заменила ее на шестерню из Nylatron GSM PA6: заготовку сформировали близкой к конечной форме, затем механически обработали. Срок службы увеличился, а простои и обслуживание сократились.

Если графит лучше проявляет себя при наличии влаги, почему тогда использовали не графитонаполненный материал?

В этой детали определяющим было сочетание несущей способности, прочности, износостойкости, антифрикционных свойств и коррозионной стойкости, а не одно преимущество конкретного наполнителя. Поэтому здесь выбирали не отдельный “лучший” наполнитель, а материал с подходящим сочетанием свойств.

Масляная модификация

В отличие от графита и дисульфида молибдена, которые работают как твердые смазки, масло вводят в полимер как внутреннюю смазывающую фазу. При изготовлении и последующей работе детали эта смазочная фаза сохраняется внутри материала и обеспечивает смазывающее действие на поверхности.

Например, Mitsubishi Chemical для Nylatron SLG указывает применение в деталях, работающих без внешней смазки, при больших нагрузках и низких скоростях. Ensinger для TECAST L также указывает применение там, где внешняя смазка затруднена или непрактична.

Таким образом, главное преимущество масляной модификации — снизить зависимость детали от внешней смазки и обслуживания. При этом конкретный режим работы всегда определяется маркой материала.

Другие модификации

Кроме вариантов выше, существуют и другие наполнители, стабилизаторы, минералы, эластомеры, твердые смазки и армирующие материалы.

Добавки можно не только использовать по отдельности, но и комбинировать. Это позволяет получить другой баланс свойств. Пример на двух конкретных материалах Mitsubishi Chemical: Nylatron SLG — маслонаполненный PA6 и Nylatron GSM Blue, который дополнительно содержит MoS₂

Если сравнить характеристики двух конкретных марок одного производителя, получаются следующие значения:

У Nylatron SLG:

прочность при растяжении — 70 МПа;
модуль упругости — 2900 МПа;
твердость Shore D — 80.

У Nylatron GSM Blue:

прочность при растяжении — 82 МПа;
модуль упругости — 3400 МПа;
твердость Shore D — 85

Видно, GSM Blue имеет более высокие прочность, модуль упругости и твердость, чем SLG. Это показывает, как изменение состава позволяет получить другой баланс свойств. Но это не универсальный эффект MoS₂ для любого PA6, а различие между двумя конкретными промышленными рецептурами.

Перечислять все добавки и вариации здесь нет необходимости. Важен сам принцип: состав ПА6 меняют для получения конкретного сочетания свойств под определенную задачу.

Основные свойства ПА6

ПА6 обладает свойствами, благодаря которым его используют как конструкционный материал. При этом конкретный набор свойств зависит от марки, способа получения, состава и состояния материала.

Прочность и износостойкость. ПА6 способен работать в нагруженных узлах. Нагрузочная способность детали зависит от марки материала, температуры, влажности и режима работы.

Небольшая масса. Плотность различных марок PA6 обычно находится примерно в районе 1,1–1,2 г/см³, что значительно меньше плотности стали и большинства конструкционных металлов.

Стойкость к коррозии. ПА6 не подвержен коррозии, характерной для обычных металлов, поэтому в некоторых конструкциях оказывается удобнее металла. Однако химическая стойкость зависит от конкретной марки и среды.

Электроизоляционные свойства. Ненаполненный ПА6 уже обладает электроизоляционными свойствами, а разные наполнители и модификаторы способны усилить или ослабить электрические характеристики под конкретную задачу.

Влагопоглощение. ПА6 поглощает влагу из окружающей среды, из-за чего изменяются размеры и некоторые механические и электрические свойства. Поэтому при изготовлении точной детали нужно учитывать условия ее эксплуатации.

Температура. При повышении температуры жесткость и прочность снижаются; конкретная зависимость определяется маркой и состоянием материала. При этом температура плавления и допустимая рабочая температура — разные параметры.

Где применяется ПА6

Область применения ПА6 очень широка:

В автомобильной промышленности, машиностроении, конвейерной и транспортирующей технике это детали передач и узлов скольжения: втулки, подшипники, шестерни, направляющие, ролики и другие элементы механизмов. Те же проставки для боди лифта внедорожников часто делаются из полиамида.

В электротехнике его применяют для изоляторов, держателей контактов, клеммных колодок, корпусов и других деталей электроаппаратуры.

ПА6 используется не только в промышленности. Полуфабрикаты из полиамида покупают для ремонта, частных мастерских и самостоятельного изготовления деталей на 3D принтере. Стержень или плиту можно обработать на токарном, фрезерном или другом станке под нужный размер и получить необходимую деталь. Конечно же, в качестве полуфабриката так же можно использовать и готовые изделия, к примеру проставки.

ПА6 и металл: когда полимер имеет смысл

ПА6 имеет смысл сравнивать с металлом не по одному показателю, а по их совокупности: стоимости материала, стоимости изготовления детали, ее характеристик и условий ее эксплуатации.

У металла остаются преимущества там, где требуются экстремальные нагрузки, высокая температура, высокая жесткость или другие свойства, которых конкретный PA6 обеспечить не может.

Есть и экономическая сторона. Сравнивать материалы только по цене килограмма бессмысленно: при одинаковом объеме полимерная деталь будет значительно легче металлической. Кроме цены материала, имеют значение обработка, оснастка, необходимость антикоррозионной защиты, смазка, обслуживание и срок службы.

Правильный вопрос звучит не «что дешевле и/или надежнее — металл или ПА6?», а:

Из какого материала конкретную деталь дешевле и рациональнее изготовить и эксплуатировать?

Заключение

ПА6 — это не один материал с фиксированным набором характеристик, а целое семейство материалов на одной химической основе. Его свойства зависят от конкретной марки, состава и технологии получения.

Поэтому для конкретной детали выбирают не абстрактный «ПА6», а конкретную марку с подходящим сочетанием свойств и характеристик под реальные условия эксплуатации. Если в документации указано только «ПА6», без марки, технических характеристик и информации о способе получения, этого недостаточно для оценки ответственной детали.