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Glossar

PA 6.6 - Polyamid 6.6

chem-Formel-PA66-1568e6679693bbPolyamid 6.6

andere Bezeichnungen:  Nylon, Poly-Hexamethylenadipamid

Kurzzeichen:  PA 6.6 oder PA 66

CAS-Nr.: 32131-17-2

 

Wichtige Handelsnamen und Markeneigner

AKULON® - Royal DSM N.V.

CAPROLAN® - Allied Chemical & Dye Corp.

CAPRON® - BASF

GRILON® BFZ - EMS Chemie AG

MIRAMID® - BASF

MINLON® - DuPont

TIMBRELLE® - Daun & Cie. Gruppe

ULTRAMID® - BASF

ZYTEL® - DuPont

 

Geschichtliches

Zu Anfang der 30er Jahre gelang dem US-Chemiker Wallace Hume Carothers (1896 - 1937) in den Forschungslaboratorien von DuPont (E. I. du Pont de Nemours, Wilmington, DE) die Synthese eines dünnflüssig schmelzenden Kunststoffs aus Adipinsäure und Hexamethylendiamin, der sich zu dünnen, elastischen Fäden ausziehen ließ und zu Garnen versponnen werden konnte. Bekannt wurde dieser Kunststoff, den Carothers bereits 1935 unter dem Namen Norun patentieren ließ, als Nylon, das DuPont 1938 in die Produktion überführte. Ein Jahr später, im Jahre 1939, wurden in den Vereinigten Staaten erstmalig daraus hergestellte Feinstrümpfe (Nylons) verkauft.

Carothers hatte das allerdings nicht mehr erleben können; er hatte Ende 1937 den Freitod gewählt. Seine Beweggründe dafür sind nicht bekannt. Möglicherweise waren ihm zu Ohren gekommene Forschungsergebnisse des deutschen Chemikers Dr. Paul Schlack (1897-1987) der Auslöser. Denn Schlack hatte Mitte des Jahres 1937 einen dem Carother’schen  Nylon sehr ähnlichen Kunststoff gefunden, das Perlon®. Sein Ausgangsprodukt war jedoch ε-Caprolactam, mit dem auch Carothers zeitweilig schon experimentiert hatte, allerdings ohne greifbare Erfolge. Vielmehr hatte Carothers das Lactam ausdrücklich als “nicht polymersierbar“ beschrieben.

Der Name Nylon ist von DuPont niemals geschützt worden, vielmehr wurde er bald zum Synonym für Polyamide, vor allem in Amerika, wo er bis heute auch Perlon® oft mit einschließt.

 

Allgemeine Beschreibung

Nylon ist ein linear aufgebautes Polyamid. Es schmilzt dünnflüssig, ohne sich dabei zu zersetzen, und lässt sich aus der Schmelze zu Fäden ziehen oder durch Düsen zu Endlosfasern pressen.

Nylon gehört zur Gruppe der Copolymeren. Solchen Polyamiden liegen zwei verschiedene Monomerkomponenten zugrunde, ein aliphatisches Diamin und eine aliphatische Dicarbonsäure. Die Unterscheidung der Vielzahl aller möglichen, einander sehr ähnlichen Polyamide erfolgt durch eine unkomplizierte, technische Nomenklatur. Sie gibt im Verbund mit PA für Polyamid (DIN EN ISO 1043-1) die Zahl der Kohlenstoffatome beider zugrunde liegenden Monomerkomponenten an. Der besseren Übersicht halber werden beide Zahlen meist durch einen Punkt getrennt.

Somit ist Nylon, dem als monomere Säurekomponente Adipinsäure (HOOC-[CH2]4-COOH) mit 6 Kohlenstoffatomen im Molekül zugrunde liegt, und Hexamethylendiamin (H2N-[CH2]6-NH2) als monomere Aminkomponente mit ebenfalls 6 Kohlenstoffatomen im Molekül, durch das einfache Kürzel PA 6.6 klar ausgewiesen.

 

Verarbeitung

Nylon (PA 6.6) ist sowohl als Fasermaterial als auch als Granulat verfügbar, das nach Aufschmelzen zu kompakten Grundmaterial weiterverarbeitet werden kann. Kompaktes PA 6.6 lässt sich problemlos spanabhebend bearbeiten, wenngleich Fertigungen durch Spritzguss oder Extrusion aus Granulat meist kostengünstiger realisierbar sind. Ebenso lässt sich PA 6.6 schweißen und verkleben. Für letzteres kommen sowohl Einkomponentenkleber auf Cyanacrylatbasis (Sekundenkleber) als auch Zweikomponentenkleber auf Epoxidharzbasis in Betracht. Ferner sind Formulierungen aus Ameisensäure und PA 6.6-Granulat zum Verkleben geeignet.

 

Verwendung

Die Hauptmenge des heute produzierten Nylons (PA 6.6 ) wird durch Schmelzspinnen oder Extrudieren zu Fäden verarbeitet, die zu verwebbaren Garnen weiterverarbeitet werden. Großabnehmer dafür ist die Feinstrumpf- und Wäscheindustrie, ein beträchtlicher Teil wird auch zur Herstellung von Industrietextilen eingesetzt. Hierzu gehören Netze, Matten, Seile und Trosse sowie Fußbodenbeläge.

In vielen Anwendungsbereichen ersetzt PA 6.6 metallische Werkstoffe. Derartige Kunststoffteile, die aus Granulaten meist durch Spritzguss hergestellt werden, korrodieren nicht und zeichnen sich durch geringes Eigengewicht aus. Hierzu gehören Massen-Formteile für den Maschinenbau, wie verschleißwidrige Gleitlager, Buchsen, Zahnräder und Laufrollen sowie Schlauchmaterialien für schlagzähe Kraftstoffleitungen im Fahrzeugbau.

Darüber hinaus hat sich PA 6.6 als Material für zahlreiche technische Nischenprodukte etabliert. Dazu zählen Maschinenschrauben und Muttern, Dübel und Kabelbinder, Siebe, aber auch Saiten für Musikinstrumente und Sportgeräte. Schließlich haben sich auch Haushaltgegenstände aus PA 6.6 wegen ihrer einfachen Fertigungsmöglichkeiten durch Spritzguss und ihrer weitgehenden Unzerbrechlichkeit vielfach als langlebige und preiswerte Alternativen für herkömmliches Gerät bewährt.

 

Chemische Eigenschaften

Grundbaustein aller Polyamide ist die sog. Peptidbindung: 

chem-Formel-PA66-2-Peptidbindung568e66780f961

Sie bildet sich bei der Reaktion einer Aminogruppe mit einer Carboxylgrppe unter Wasseraustritt (Kondensationsreaktion)

chem-Formel-PA66-3-Aminogruppe-Carboxylgruppe568e6678796b2

Die Kettenbildung wird durch bifunktionelle Reaktionskomponenten erreicht, durch die Reaktion von Diaminen mit Dicarbonsäuren, deren jeweiligen, funktionellen Gruppen endständig sind.

Die Peptidbindung ist auch Grundbaustein aller natürlichen Eiweißkörper. Eiweiße werden deshalb auch als Peptide bezeichnet. Infolge der starken Polarität der Peptidbindung bilden sich zwischen den fadenförmigen Polymermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen aus, die die Struktur der Polyamide stabilisieren und ihnen ihre Schlagzähigkeit verleihen.

chem-Formel-PA66-4-Wasserstoffbr-cken568e6678ec883

Wasserstoffbrücken sind auch für das hohe Wasserabsorptionsvermögen der Polyamide  verantwortlich. 

Ausgangsprodukte für die großtechnische Nylon-Synthese sind Adipinsäure HOOC-[CH2]4-COOH (Fp. +151 °C), die natürlich in Zuckerrüben vorkommt und industriell meist durch ringöffnende Oxidation von Cyclohexanol (C6H11OH;  Fp. +24 °C) gewonnen wird, sowie Hexamethylendiamin H2N-[CH2]6-NH2 (Fp +41 °C), das durch katalytische Druckhydrierung von Adipinsäuredinitril N ≡ CH-(CH2)4-CH≡N (Fp. +2 °C) zugänglich ist, ein auf DuPont zurückgehendes Verfahren. Beide Monomere, Adipinsäure und Hexamethylendiamin, das sog. AH-Salz, werden in Reaktoren in Lösung diskontinuierlich umgesetzt.

Der Ersatz der Adipinsäure durch homologe Dicarbonsäuren führt zu gleichartigen Polyamiden mit ähnlichen Eigenschaften. Solche Kombinationen sind z. B. PA 6.12 (Hexamethylendiamin mit  1,10-Dodecandicarbonsäure) oder PA 6.9 Hexamethylendiamin mit  1,7-Heptandicarbonsäure). Ebenso ist der Ersatz des Hexamethylendiamins durch andere Diamine möglich. Beispielsweise führt die Umsetzung von Tetramethylendiamin mit Adipinsäure zu PA 4.6 . Eine Vielzahl weiterer Kombinationen ist denkbar. Solche Polyamide sind jedoch Nischenprodukte, denen meist auch nur geringe anwendungstechnische Bedeutung zukommt.

Chemisch entspricht die Peptidbindung einer Säureamidstruktur, die generell hydrolytisch leicht spaltbar ist. Daher ist PA 6.6 gegenüber Säuren und Laugen nicht stabil. Hingegen ist es gegenüber den meisten Lösungsmitteln völlig beständig. Die Sterilisierung von PA 6.6 -Gerät kann daher auch chemisch, etwa durch Ethlylenoxid, erfolgen.

PA 6.6  ist, wie alle Polyamide, brennbar, unterhält aber nicht selbst die Verbrennung. Es brennt mit gelblich geränderter Flamme, dabei schäumt das brennende Material auf und tropft. Die nach verbranntem Horn riechenden Verbrennungsgase enthalten hauptsächlich Ammoniak sowie verschiedene Amine. Deshalb können PA 6.6 - Reststoffe und -abfälle durch Verbrennen zwar entsorgt werden, der Rückgewinnung des wertvollen Materials, dem Recycling, ist aber unbedingt der Vorzug einzuräumen, das heute weitgehend industriell erfolgt. Voraussetzung ist allerdings die Sortenreinheit des aufzuarbeitenden Materials.

Das in Rest- und Abfallstoffen enthaltene Polyamid 6.6 wird durch hydrolytische Spaltung mit Natronlauge bei +210 °C depolymerisiert. Nachfolgend werden beide Monomere Hexamethylendiamin und Adipinsäure aus dem Reaktionssumpf abgetrennt. So gereinigt können sie dem Polymerisationsprozess wieder zugeführt werden. Vor allem von DuPont und Toyota ist in jüngster Zeit das industrielle Recycling von Polyamiden technisch vorangebracht worden. 

 

Handelsformen

Neben Fasermaterialien für Industrietextilien, technische Gewebe und für die Bekleidungsindustrie wird PA 6.6 als Granulat und daraus hergestellte Halbzeuge, wie Profile, Stangen, Rohr- und Schlauchmaterialien, gehandelt. Hinzu kommen gefüllte PA-6-Qualitäten, wie Glasfaser-gefülltes PA 6.6, die stark veränderte technische Daten aufweisen. Sie sind oft für spezielle Einsatzzwecke entwickelt worden.

 

Technische Daten  
allgemeine Eigenschaften  
Dichte 1,14 g / cm3 (ISO 1183)
Farbe opak, einfärbbar
Wasseraufnahme  
+23 °C, 50 % rel. Luftfeuchte 2,8 % (ISO 62)
Sättigung 8,5 % (ISO 62)
Sauerstoffindex (LOI) 28 % (ISO 4589)
Brandklasse UL 94  V-2
   
thermische Eigenschaften  
Wärmeleitfähigkeit 0,23 W / K · m (DIN 52 612)
spez. Wärmekapazität 1,7 J / g · K  (IEC 1006)
Schmelztemperatur +260 °C (ISO 11 253)
Zersetzungstemperatur < +300 °C
Wärmeformstabilität   
(0,45 MPa) +220 °C (ISO 75 HDT/B)
(1,8  MPa) +75 °C (ISO 75 HDT/A)
lin. Wärmeausdehungskoeffizient 0,7 · 10-4 / K  (ISO 11 359)
max. Einsatztemperatur  
ständig +100 °C
kurzzeitig +200 °C
min. Einsatztemperatur -40 °C
   
elektrische Eigenschaften  
Dielektrizitätskonstante (50 Hz) 3,8 (IEC 60 250)
Dielektrizitätskonstante (1 MHz)  3,2 (IEC 60 250)
dielektrischer Verlustfaktor (50 Hz) 5,0 · 10-3 (IEC 60 250)
dielektrischer Verlustfaktor (1 MHz) 2,5 · 10-2 (IEC 60 250)
Durchschlagfestigkeit (1mm)  22  KV / mm (IEC 60 243-1)
spezifischer Durchgangswiderstand 1013 Ω · m (IEC 60 093)
Oberflächenwiderstand 1013 Ω (IEC 60093)
Kriechstromfestigkeit CTI 600 (IEC 60112)
   
mechanische Eigenschaften  
Shore-Härte D 84 (ISO 868)
Streckspannung 85  MPa (ISO 527)
Reißdehnung 40 % (DIN 53455)
Zug-Elastizitätsmodul 3,1 GPa  (ISO 527)
Kugeldruckhärte 160  MPa (ISO 2039-1)
Charpy-Kerbschlagzähigkeit (+23 °C) 5,0 kJ / m2 (ISO 179/1eA)
Izod-Kerbschlagzähigkeit (+23 °C) 5,5 kJ / m2 (ISO 180/1A)
Gleitreibungskoeffizient
(p=0,05 N/mm2; v= 0,6 m/s) gegen Stahl, gehärtet und geschliffen
0,37 - 0,50
Gleitreibungsverschleiß
(p=0,05 N/mm2; v= 0,6 m/s) gegen Stahl, gehärtet und geschliffen
6  μm / km
   
chemische Beständigkeit  
Schmierstoffe, Öle, Benzin beständig
aliphatische Kohlenwasserstoffe beständig
Alkohole, Ketone beständig
cyclische Kohlenwasserstoffe beständig
aromatische Kohlenwasserstoffe beständig
halogenierte Lösungsmittel  
Trichlorethylen beständig
Perchlorethylen beständig
schwache organische Säuren bedingt beständig
starke organische Säuren unbeständig
Mineralsäuren unbeständig
Ammoniak, Amine bedingt beständig
Alkalilaugen unbeständig
Heißwasser bedingt beständig
UV-Strahlung bedingt beständig

 

Weiterführende Literatur

(1) H. Klare. E. Fritsche, V. Gröbe, Synthetische Fasern aus Polyamiden, Akademie-Verlag Berlin (O), [1963]

(2)  H. Klare, Geschichte der Chemiefaserforschung, Akademie-Verlag, Berlin (O), [1985]

(3) A. W. Birley, B. Haworth, T. Batchelor, Physics of Plastics, Carl Hanser Verlag, München [1992], ISBN 3-446-16274-7

(4) M. I. Kohan, Nylon Plastics Handbook, Carl Hanser Verlag, München [1995], ISBN 3-446-17048-0.

(4)  L. Bottenbruch, R. Binsack, (Hrsg.), Polyamide, Kunststoffhandbuch Bd. 3/4, Technische Plaste, Carl Hanser Verlag, München [1998], ISBN 3-446-16486-3

(5) J. A. Brydson, Plastic Materials, 7th. Ed., Butterworth-Heinemann Ltd. Oxford [1999], ISBN 0-7506-4132-0

(6) H.-G. Elias, Makromoleküle, 6. Aufl., Verlag Whiley VCH Weinheim [2002], ISBN/EAN 978- 3-527-29959-9

(7) O. Schwarz, F. W. Ebeling (Hrsg.), Kunststoffkunde: Aufbau, Eigenschaften, Verarbeitung, Anwendung der Thermoplaste, Durolaste und Elastomere, 9. Aufl., Vogel Verlag, München [2007], ISBN 3-834-33105-8