尼龙的基本性质

1、聚合过程与工艺己二酸和己二胺发生缩聚反应即可得到尼龙-66。工业上为了己二酸和己二胺以等摩尔比进行反应，一般 先制成尼龙-66盐后再进行缩聚反应，反应式如下： 在水的脱出的同时伴随着酰胺键的生成，形成线型高分子。所以体系内水的扩散速度决定了反应速度，因此在短时间内高效率地将水排出反应体系是尼龙-66制备工艺的关键所在。上述缩聚过程既可以连续进 行也可以间歇进行。在缩聚过程中，同时存在着大分子水解、胺解（胺过量时）、酸解（酸过量时）和高温裂解等使尼龙66 的分子量降低的副反应。尼龙-66盐的制备尼龙-66盐是己二酰己二胺盐的俗称，分子式：C12H26O4N2，分子量，结构式：+H3N（CH2）6

2、NH3+-OOC（CH 2）4COO-。尼龙-66盐是无臭、无腐蚀、略带氨味的白色或微黄色宝石状单斜晶系结晶。室温下，干燥或溶液中的尼 龙-66盐比较稳定，但温度高于200C时，会发生聚合反应。其主要物理性质列于表01-63中。表01-63尼龙-66盐的主要物理性质性质数据性质数据熔点，C193197生成热，J/kgKX105折射率，nD（30C）（50%水溶液）水中溶解率，g/ml，50C升华温度，C78密度，g/cm3尼龙-66盐在水中的溶解度很大（见表01-69）。且随着温度上升而增大，其溶解度cs与温度的关系可描述为：cs=+表01-64尼龙-66盐在水中的溶解度温度，K溶解度，g/m

3、l（1）水溶液法以水为溶剂，以等当量的己二胺和己二酸在水溶液中进行中和反应，得到50%的尼龙-66盐溶液。其工艺流 程图如图01-40所示。图01-40水溶液法生产尼龙-66盐工艺流程1一己二酸配制槽2一己二胺配制槽3一中和反应器4一脱色罐5一过滤器6、9、11、12一贮槽7一泵8一成品反应器10一鼓风机13一蒸发反应器将纯己二胺用软水配成约30%的水溶液，加入反应釜中，在4050C、常压和搅拌下慢慢加入等当量的纯 己二酸，控制pH值在。在反应结束后，用1%的活性炭净化、过滤，即可得到50%的尼龙-66盐水溶液。 成盐反应为放热反应，为此必须将反应热以外循环水冷却除去，同时为防止尼龙-66盐与

4、空气接触而被氧 化，在生产系统中充以氮气保护。在真空状态下，将50%的尼龙-66盐水溶液经蒸发、脱水、浓缩、结晶、 干燥，即可得到固体尼龙-66盐。一般每吨尼龙-66盐（100% ）消耗己二胺（%），己二酸（%）。本法的特点是不采用甲醇或乙醇等溶剂，方便易行，安全可靠，工艺流程短，成本低。但对原料中间体质 量要求高，远途运输费用也较高。美国孟山都公司、杜邦公司和法国罗纳-普朗克公司采用本法生产。（2）溶剂结晶法以甲醇或乙醇为溶剂，经中和、结晶、离心分离、洗涤，制得固体尼龙-66盐。氨基和羧基经中和后形成 菱形无色结晶盐，并有热量放出。其工艺流程如图01-41所示。图01-41溶剂法生产尼龙-6

5、6盐工艺流程1一己二酸配制槽2一己二胺配制槽3一中和反应器4一乙醇计量槽5一离心机乙醇贮槽7一蒸汽泵8、11乙醇高位槽9一乙醇回收蒸馏塔10合格乙醇贮槽 纯己二酸溶解于4倍质量的溶剂（乙醇）中，完全溶解后，移入带搅拌的中和反应器并升温到65C，慢慢 加入配好的己二胺溶液，控制反应温度在7580C。在反应终点有白色结晶析出，继续搅拌至反应完全。 冷却并过滤，用乙醇洗涤数次除去杂质。最后经离心分离后尼龙-66盐的总收率可达以上。一般每吨尼龙 -66盐耗己二胺，己二酸，乙醇。原料纯度、结晶温度、机械损失、溶剂浓度和用量等都对尼龙-66盐的收率和质量产生影响。另外残存于 己二胺中的1,2-二氨基环己烷

6、、1-氨基甲基环戊烷、氨基己腈等杂质，可影响尼龙-66盐的稳定性。溶剂结晶法的特点是运输方便、灵活，产品质量好，但对温度、湿度、光和氧敏感性较强，在缩聚操作中 要重新加水溶解。英国ICI公司、BASF采用此法生产。（3）其它方法除以上方法外，美国孟山都公司、杜邦公司、日本旭化成公司也采用以水为溶剂的生产工艺，己二胺和己 二酸直接送入缩聚反应器进行缩聚反应，或在缩聚前用活性炭净化处理以除去有机杂质，然后再蒸馏浓缩 后缩聚,。美国塞拉尼斯公司开发了一条以甲苯为原料通过生物转化的二步法生产尼龙-66盐的工艺口。具有创新性 的第一步包括利用一种假单细胞微生物进行甲苯的生物氧化，得到己二烯二酸（粘康酸）

7、，然后再加氢得 到己二酸。但在发酵的中间体中，粘康酸的浓度极为有限，为此塞拉尼斯公司开发了加入化学计量的己二 胺迫使粘康酸生成粘康酸己二酸盐，从而使粘康酸的浓度上升到 （重量），然后将粘康酸己二酸酸盐直接 加氢得到尼龙-66盐。由于甲苯比苯便宜，能量和公用工程的消耗也低于传统的环己烷氧化工艺，这一工 艺的优点是显而易见的。（4）产品质量规格及测试方法现有尼龙-66盐的质量指标为外观、色度、pH值、水分、硝酸盐、灰份、铁含量、总挥发碱、假硝酸、UV 指数、假二氨基环己烷（DCH）等。为了完整地反映尼龙-66盐的内在质量，有人建议增加稳定指数PS、硝 酸根、抗氧值三项指标口。PS定义为试样溶液的光

8、密度与空白溶液的光密度之差的负数，反映了尼龙-66 盐中易变质杂质的数量，PS越高，则尼龙-66盐存放期间越不容易变质；硝酸根反映聚合物的色泽和可纺 性，一般控制在5mg/kg以下；抗氧值则反映了尼龙-66盐中的易氧化杂质含量，抗氧性能差的尼龙-66盐， 聚合后注带切片白度差，后加工困难，因此抗氧值最好在12ml以下。表01-65、表01-66分别是一些企业 的尼龙-66盐的质量指标和尼龙-66盐水溶液的质量指标。表01-65尼龙-66盐的质量指标指标名称德国美国塞拉尼斯公司法国罗纳-普朗克公司中国辽化公司一级二级外观白色结晶粉末PH值土（10%水溶液）（10g/10ml水溶液）（同前）水分,

9、（质量）WWW总挥发碱,mg/kgWmmol/LkgW1015ml可还原氮（HNO3计），mg/kg353550灰分,mg/kgWW101550铁,mg/kgWW620硝酸盐,mg/kgW615（HNO3 计）150 （同前）色度，APHAW81515（Hazen）表01-66尼龙-66盐水溶液的规格指标孟山都罗纳-普朗克外观清澈液体清澈液体浓度，% （质量）4551色度，Hazen15pH值土灰分，mg/kg1010硝酸盐,mg/kg206硼,mg/kg?铜,mg/kg?铁,mg/kg?连续聚合尼龙-66的连续缩聚，按所用设备的形式和能力可分为立管式连续缩聚和横管式减压连续缩聚二种。国内 一

10、般采用后者。其工艺流程图见图01-42。图01-70尼龙-66盐连续缩聚工艺流程1-尼龙66盐贮罐2-醋酸罐3-静态混合器4-蒸发反应器5-冷凝液槽6-管式反应器蒸汽喷射器8-成品反应器9-分离器01-添加剂罐11-冷凝液贮槽12-挤压机13-造粒机14-脱水桶15-水预分离器16-进料斗17-流化床干燥器18-树脂料仓浓度为63%的尼龙-66盐水溶液从贮槽泵入静态稳合器，加入少量己二胺的醋酸溶液，进入蒸发反应器，物 料被加热到232C，在氮气保护、的条件下停留3h脱水预缩聚，蒸发反应器出口物料含水量约18%，50% 的尼龙-66盐巳经聚合为低分子量聚合物。蒸发出来的水蒸汽经冷凝后进入冷凝液槽

11、，从中可以回收己二 胺。从蒸发器出来的物料进入二个平行的管式反应器，每个反应器的典型管长，并在若干点设有静态混合器， 并在适当的位置设置添加剂加入口。物料在285C下停留40min，出口压力，反应完成。通过闪蒸除去反 应过程中形成并保留在熔体中的水蒸汽后，用螺旋输送机将熔体向下输送到成品反应器，同时从熔体中挤 出剩余的水蒸汽。成品反应器在40kPa、271C的条件下操作，物料的停留时间取决于产品的要求：对于通 常的注射级的产品，停留时间为50min，产品的数均分子量约为18000。尼龙66熔体由位于成品反应器底部的挤出机挤出，铸带切粒。尼龙66颗粒先经过预分离器，再经脱水筛 后送入流化床干燥器

12、，在热氮气保护下维持流化状态，使切片彻底干燥，即得本色注射级尼龙66树脂。间歇聚合间歇缩聚法与连续缩聚法的原理相同，反应条件基本一致，只是相关的反应过程均在高压缩聚釜中完成， 而连续缩聚不同的反应过程则是在不同的反应设备中连续进行。即间歇过程中缩聚过程随反应时间而变化， 而连续法中缩聚过程则随空间位置而变化。目前工业上一般采用连续缩聚法，间歇缩聚仅用于生产特殊产品或试验品和生产装置能力在4500t/a的小 装置中。在同一高压釜中完成缩聚的全过程（升温、加压、卸压、真空），尼龙-66熔体从釜底挤出铸带， 与最初挤出的产物相比，最后挤出的产物停留时间较长。由于其分子量较大程度上取决于最后阶段的停留

13、 时间，所以间歇法固有的分子量不均匀性是严重的，大型反应器更为严重，因而目前工业上用于间歇缩聚 的反应器容积大多在4m3以下，最大者也不过7m3。尼龙66的间歇缩聚包括溶解、调配、缩聚、铸带、切 粒、干燥等工序，其生产流程图如图01-43所示。图01-43尼龙-66盐间歇缩聚工艺流程1-料仓2-螺旋运输器3-溶解釜4-冷凝器5-反应器6-蒸汽喷射器7-醋酸罐添加剂罐9-挤压机01-水浴11-造粒机12-料仓固体尼龙-66盐在溶解釜中溶解后，在氮气保护下进入反应器中，在227232C、下加料，加入分子量调 节剂（己二胺的醋酸溶液），在238243C、下继续加热1h，在此期间加入稳定剂、消光剂和其

14、它配料。 当温度升高至271C时逐渐卸压，然后在271277C抽真空（根据要求产品的品级调整时间、温度、压力）， 最后在氮气压力下卸料约。整个过程约需5h。熔体经挤压机铸带，在水浴中冷却、切粒后得成品。间歇法的生产过程是柔性的，通过对添加剂和反应时间的调整可以生产出不同品级的产品。不同品级的产 品成本差异主要取决于添加剂。表01-72是二种聚合过程的经济指标对比。表01-67尼龙-66盐聚合工艺的经济指标口项目间歇法连续法产品收率，%?反应周期,h5104尼龙-66盐单耗,t?电力单耗,kWh1090820设备能力小生产工业化产品质量不稳定稳定技术水平一般高工艺操作一般先进经济效益一般好其它方

15、法除了尼龙-66盐的连续聚合和间歇聚合之外，德国Zimmer公司开发了己二腈和己二胺直接缩聚生产尼龙-6 6的工艺。该工艺1982年进行了 150L的中间试验，1993年建立了 20t/d的半工业化连续缩聚装置，但尚 未见到工业化的报道。其生产工艺是首先将己二胺、己二腈、水和催化剂混合，再通过三个串联的反应器 预聚，预聚物依次送入二个串联的闪蒸器和成品反应器反应完全后，按常规方法造粒热性质（1）熔点（Tm）熔点即结晶熔解时的温度，对结晶性高分子尼龙-66，显示清晰的熔点，根据采用的测试方法，熔点在 259267C的范围内波动。通常采用差热分析（DTA）法测出的尼龙-66的熔点为264C。实际上

16、，尼 龙-66的熔点可以根据结晶的熔融热（和熔融（AS）计算出来：？尼龙-66的H为mol，AS为kmol，Tm的理论值为C 口。如果将体积膨胀系数显示极大值的温度当作熔点，则尼龙-66的熔点温度范围为246263C。接近理 论熔解温度259C。（2）玻璃化温度（Tg）高分子的比容和比热容等温度特性值在某一温度可出现不规则的变化，这一温度就是玻璃化转变温度， 是分子链的链段克服分子间力开始运动的温度。在这一温度附近，模量、振动频率、介电常数等也开 始发生变化。尼龙-66的玻璃化温度，与测试方法、试样中的水分含量、单体浓度、结晶度等因素有关。Wilhoit和 Dole等从比热容的温度变化分析，认

17、为尼龙-66的玻璃化温度为47C 口，而Rybnikar则在低温下测定 了尼龙-66的比容，发现在尼龙-66在-65C也有一个转变温度口。结晶和结晶度（1）结晶构造Bill认为，尼龙-66的晶形有a型和8型二种形态，在常温下为三斜晶形，在165C以上为六方晶形 口。Bunn等确定了尼龙-66 a型的结晶构造口，如图01-72所示，其晶胞的晶格常数列于表01-73。从图0 1-72可见，尼龙-66分子中的亚甲基呈锯齿状平面排列，酰胺基取反式平面结构，分子链被笔直地拉 长。相邻的分子以氢键连成平面的片状，其模型如图01-68所示。表01-68 尼龙-66稳定晶形的晶格常数晶体abc（纤维轴）a8Y

18、a 型结晶（三斜晶系）X10-4 5X10-4 5 X10-4um487763?计算密度=cm3?图01-44尼龙-66的a晶型结构图01-45尼龙-66分子中晶片排列模型口线条：链状分子；。：氧原子从图01-45可以看出，尼龙-66的a晶型是一系列晶片沿链轴方向一个接一个的垒积，而8晶型则每隔 一片相互上下偏移垒积。对未进行热处理的普通成型品，构成结晶的氢键平面片的重叠方式，是这种a晶 型和8晶型的任意混合。（2）球晶熔融状态的尼龙-66缓慢冷却时，在235245C急剧生成球晶。球晶不仅包含于结晶部分，也包含于非结 晶部分，结晶度为20%40%。球晶有在径向上优先取向的正球晶及在切线方向上优

19、先取向的负球晶口。尼龙-66球晶通常为正球晶，但 在250265C下加热熔融结晶时可以生成负球晶,。球晶生成速度和球晶大小，除显着地受冷却温度的 影响之外，还受到熔融温度、分子量等因素的影响。（3）结晶度一般认为，普通结晶形高分子，具有结晶区域和非结晶区域，结晶区域的比例便称为结晶度。在很大程度 上，结晶度可以左右尼龙-66的物理、化学和机械性质。结晶度可以用X-射线、红外吸收光谱、熔融热、 密度和体积膨胀率等求得，其中以密度法最为简单方便。分子量和分子量分布综合考虑尼龙-66的可应用性和可加工性，通常将其分子量调整为1500030000 （聚合度约150300）, 若分子量太大，成型加工性能

20、变差。巳经开发了一系列方法测定聚酰胺的分子量，如粘度法（溶液粘度法 和熔融粘度法）、末端基定量法（中和滴定法、比色法、电位滴定法、电导滴定法）、光散射法、渗透压 法、熔融电导法等，其中溶液粘度法在实验室条件较为容易进行。热分解和水解反应与其它聚酰胺相比，尼龙-66最容易热降解和三维结构化。当尼龙-66发生热分解时，首先表现为主链开裂 引起分子量、熔体粘度降低；进一步降解时，由三维结构化引起熔体粘度上升而最终变成凝胶，成为不溶 不熔物。其机理尚未完全阐明，但相信主要原因是尼龙-66本质造成的，与己二酸残基容易形成环戊酮衍 生物密切相关。在惰性气体氛围中，尼龙-66可以在300C保持短时间的稳定性

21、，但时间长后（如290C5小时）就可看出 明显的分解，产生氨和二氧化碳等。在无氧的条件下，其分解产物为氤基（-CN）和乙烯基（-CH=CH2）。在有氧和水等存在时，尼龙-66在200C就显示出明显的分解倾向。在有氧存在时，加热还会引起分子链之 间的交联，如下式所示107： 尼龙-66对室温水和沸水是稳定的，但在高温尤其是在熔融状态下则会发生水解。另外，尼龙-66在碱性水 溶液中也很稳定，即使在10%的NaOH溶液中于85C处理16小时也观察不到明显的变化。但在酸性水溶液 中容易发生水解。尼龙66的性能参考文献108109收集了大量不同牌号的尼龙-66的物性数据。同时尼龙-66的各种性能指标随着

22、聚 合度、结晶度、吸水（湿）率或添加剂的种类和数量的不同而有所变化。测试方法和测试条件的变化 也会导致测试结果的不一致，加上后结晶化和应力驰豫的客观存在，所以控制成型条件和成型后的保 管状态及测试条件对各项力学指标的测试尤为重要。力学性质未改性的尼龙-66因为其高强度、硬度、刚度、抗蠕变性和抗热降解性、耐摩擦而着称，添加10%20% 的橡胶状聚合物改性的尼龙-66的抗冲性能得到改善，但是强度和刚度有所降低。添加矿物质特别是玻 璃纤维改性可以增强其硬度、强度、抗蠕变性和耐疲劳性。表01-69列出了不同的尼龙-66牌号的力学 性质。表01-69尼龙-66的力学性质109性质ASTM方法单位均聚物增

23、韧33%玻纤矿物增强一般性质熔点密度模塑收缩吸水率，-24h-50%RH饱和？D789D792D570?Cg/cm3%？255？255255255力学 拉伸强度 极限伸长 屈服伸长 挠曲模量 洛氏硬度IZOD冲击强度 拉伸冲击强度 泰伯磨耗？ D638D638 D638 D790 D785 D256 D1822 D1044？ Mpa % %MpaJ/m KJ/m2 mg/1000？ 87(77) 60(300) 5(25) 2800(1200) 121 53(112) 500(1500) 7？ 52(4) 60(210) 5(15) 1700(860)110900(1070)588(1155)

24、-?186(124)3(4)3(4)9000(6200)125117(133)-14?89(63)17(40)17(40)5200(1900)12137(70)-22热性质挠曲温度，?膨胀系数X10-5?D648D648?m/m/C2359072167112260249230 185?数据来源：尼龙-66在干燥或50%RH平稳下的性能，引自NylonPlasticsHandbook,PA66的拉伸屈服强度随温度降低和吸水率增加而降低，此外还受到结晶度、应变速度和球晶大小的影响。 随着应变速度增加，拉伸屈服强度加大，断裂伸长变小。PA66的弯曲弹性模量随温度升高而明显降低，随吸水率增加而降低，随

25、着应变速度变大，弹性模量也会增 加。蠕变和疲劳性质在较宽的温度范围内，未增强的尼龙-66都具有较好的耐疲劳性和抗震性，加上其优良的耐化学品性，因 而在一些载荷经常变化或者动态加载的机械部件上得到广泛应用。玻纤增强的尼龙-66则提供了更高的应 力水平。在工业测试中，其拉伸一压缩循环次数可以达107量级。？表面性质尼龙-66因其表面光滑、良好的韧性和表面硬度，耐热和耐疲劳性能，表面自润滑性在齿轮等传动装置、 链轮齿、凸轮和其它一些要求耐摩擦、磨耗的零部件件上获得大量应用，众多用MoS2、PTFE和石墨改性的 尼龙66也获得广泛应用。表01-70列出了不同级别尼龙-66的摩擦学性质。表01-70尼龙

26、-66的摩擦学性质110性质ASTM方法单位未增强的30%玻纤增强增润的MoS2PTFE？相对密度D792-？硬度 D785-M60M85M65R120静摩擦D1894-？动摩擦D1894-？磨耗系数M/s-？PV极限值Mpa？数据来源：NylonPasticsHandbook耐环境特性尼龙-66对润滑剂、机油、液压油、冷却剂、致冷剂、油漆溶剂、清洁剂、洗涤剂、脂肪族和芳香族溶剂 及其它一些溶剂即使在高温下也具有较好的耐受性，同样对许多水溶液和盐溶液也具有较好的耐受性。在 某些化学物质如水和二氯甲烷中，尼龙-66可被塑化或软化，但当这些化学物质被除去以后，又可恢复尼 龙-66本身的性质。正是由

27、于尼龙-66有很好的耐热水性和耐蒸汽性，才在汽车引擎的冷却系统中得到了应 用。富空气水中的氧气可能损坏尼龙制件，但可通过添加剂改性来避免这种氧化过程。在较高温度下，尼龙-66可能受到无机酸、某些氧化剂、某些氯化溶剂及某些重金属盐溶液的腐蚀。关于 化学品对尼龙性能的影响，文献109 对此有详尽的论述。通常，尼龙-66具有优良的户外稳定性，使用某些添加剂会使尼龙-66制件的表面光泽保持得更加持久。在 本色和着色制品中适当添加稳定剂是有益的，例如添加2%的高度分散的炭黑可以显着改善耐侯性。电性能由于尼龙-66具有良好的绝缘性能，体积电阻和表面电阻也较大，以及抗电荷径迹性能较好，因而在输电 系统中广泛

28、用作绝缘器件，其他选择因素有耐热性和阻燃性。表01-76列出了尼龙-66的电性质和阻燃性 质。文献有关于尼龙-66在电力和通信方面应用的详细信息。表01-71尼龙-66的电性质和阻燃性质109性质ASTM方法单位均聚物增韧33%玻纤矿物电性质？体积电阻 D257Q-cm1015(1013)1014(1013)10151014(108)介电常数(1000Hz)D150-?损耗因数(1000Hz)D150-?介电强度 D149KV/mm10-1510-15?阻燃性？氧指数 D2683%28(31)18(19)-30UL 级别 UL94-V-2HBHBHBIEC-707?-BH2-10mm2-50mm?-FH2-20mm3-20mm?-FVFV2-?热丝着火 UL746AS1520913高安培电流着火 UL746AA