追溯尼龍和聚酯纖維的歷史

文/ 本刊編譯自Plastics Technology（作者Michael Sepe）

在很多方面，尼龍和聚酯纖維似乎可以互換，但這兩個材料家族卻因各自的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同而在性能上存在一些很有趣的差異。

聚酯纖維和尼龍的發(fā)展史是交織在一起的。杜邦公司作為發(fā)明者最先創(chuàng)造了聚酯纖維，但卻在初期放棄了它，而是更青睞于尼龍。然而，當(dāng)其他研究人員利用芳香酸來制造聚合物從而提高了聚酯纖維的化學(xué)性能之后，杜邦公司又于1940 年代最終買下了該產(chǎn)品的所有權(quán)，并于1950 年實現(xiàn)了商業(yè)化，令聚酯纖維成為該公司聚合物產(chǎn)品中的支柱產(chǎn)品之一。

由于聚酯纖維和尼龍是采用相似的化學(xué)成分同時被開發(fā)出來的，所以它們的應(yīng)用常常是重疊在一起的，在許多方面，這兩種材料似乎可以互換，比如，這兩種材料很快都被用作合成纖維來取代絲綢、羊毛和棉花等天然纖維。

但是，這兩個材料家族卻在性能上存在著一些有趣的差異，這是由它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)引起的。眾所周知，表征這些材料的官能團是酰胺和酯基。在大多數(shù)的商用尼龍中，短的碳鏈段從酰胺基團中延伸出來，這些鏈段的長度取決于尼龍的類型，短鏈段與尼龍46 和尼龍66 等有關(guān)，而長鏈段則出現(xiàn)在尼龍 612 和尼龍1212 等材料中。

這些鏈段被稱為脂肪鏈。脂肪族結(jié)構(gòu)要比芳香環(huán)結(jié)構(gòu)具有更大的分子流動性，因此常與性能較差的材料有關(guān)，如聚乙烯和聚丙烯。但是，尼龍中的這些脂肪鏈段卻允許材料擁有相對較高的性能，這是因為酰胺基團提供了強度。

通過觀察它們的間距是如何影響各種尼龍的性能，就可以了解酰胺基團的重要性。尼龍 46 的熔點是285 ℃，而尼龍612 的熔點只有217 ℃，大多數(shù)脂肪族尼龍的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都低至60～75 ℃的范圍內(nèi)。當(dāng)同樣的脂肪族結(jié)構(gòu)用于聚酯纖維時，結(jié)果就沒有那么令人印象深刻，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大約在室溫水平，而熔點則低于200 ℃。

這種差異說明了氫鍵的作用。當(dāng)氫與一個電負性很強的原子如氮或氧鍵合時，氫原子核周圍唯一的電子被拉得足夠遠，從而產(chǎn)生一個無屏蔽的正電荷，這對于帶負電荷的鄰近分子（如尼龍鏈上的碳氧鍵）而言，就形成了非常強大的吸引力，需要很大的能量才能打破，這最終轉(zhuǎn)化為強度、剛度和耐熱性。

這種氫鍵的特征與在水中產(chǎn)生高沸點是一樣的。酯基官團沒有為氫鍵提供這樣的機會，因此必須在聚酯主鏈上使用芳香環(huán)，以獲得具有競爭力的性能。即使有了這些芳香環(huán)，最常見的聚酯纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點也只是接近或者匹配于主流尼龍的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點。

但是，氫鍵的存在卻帶來了代價。由于尼龍中的氫鍵與水中的氫鍵一樣，所以尼龍有著很強的吸濕性，其吸濕量是聚酯纖維的10 倍。在從干燥成型到濕度調(diào)節(jié)狀態(tài)的過程中，尼龍會產(chǎn)生眾所周知的力學(xué)性能和電氣性能的變化。通常，未填充的尼龍在室溫下的強度和剛度因濕度可以降低50%～60%，而體積電阻率可減少4 至5 個數(shù)量級。

此外，用尼龍制造的部件在吸濕后尺寸也會發(fā)生變化，而暴露在這種環(huán)境中的聚酯纖維不會出現(xiàn)如此劇烈的變化。當(dāng)可注射成型的聚酯纖維于20 世紀70 年代被推向市場時，發(fā)明者預(yù)計其優(yōu)勢會導(dǎo)致尼龍的市場份額顯著降低。聚酯纖維最初的應(yīng)用領(lǐng)域是電氣工業(yè),由于其在材料性能和成型尺寸方面擁有更高的一致性，所以在此行業(yè)中要比尼龍更受歡迎。

然而，尼龍仍然是一個主流材料，這有幾個原因。首先，尼龍中的脂肪結(jié)構(gòu)增強了分子的流動性，令結(jié)晶度更高，使得材料在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的環(huán)境中能保持其卓越的性能。高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，未填充的尼龍46 和尼龍66 能保持其在室溫下干燥成型后所具備模量的25%，而PBT 只能保持15%，這種差異在加入玻璃纖維后會更加明顯。在所有通常用玻璃纖維增強的工程樹脂中，玻璃纖維對尼龍力學(xué)性能的提高程度是最大的，比如，向PBT 中添加30%的玻璃纖維，可使該材料的拉伸屈服強度增加一倍，而向尼龍6 和尼龍66 中添加同樣百分比的玻璃纖維，其拉伸屈服強度將提高到未填充聚合物的2.25～2.4倍。

較高水平的結(jié)晶度也確保了卓越的長期力學(xué)性能。尼龍6 和尼龍66 的抗蠕變性和抗疲勞性要比PBT 和PET 的更好。雖然吸濕會顯著降低尼龍的這些性能，但仍比PET 的好，而且在過去的20年里，沒有一個尼龍部件因疲勞失效而被退回。

不僅如此，在20 世紀80 年代，當(dāng)芳香環(huán)與聚合物主鏈相結(jié)合的商用尼龍被推出時，尼龍與聚酯纖維之間的性能差距變得越來越大。今天，部分芳香尼龍的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以達到140 ℃，熔點高于300 ℃，同時減輕了吸濕帶來的影響。

尼龍和聚酯纖維都容易水解，與水反應(yīng)會破壞聚合物鏈中的共價鍵。如果在加工過程中材料未能得到恰當(dāng)干燥，可能就會出現(xiàn)這種情況，這對PET 來說尤為如此。如果成型部件暴露在高溫高濕環(huán)境中，這種情況也可能會長期存在。用于尼龍的抗水解添加劑實現(xiàn)商業(yè)化已有40 多年了，這項技術(shù)的進步甚至允許將尼龍66 用于汽車的散熱器部件。而用于聚酯纖維的抗水解技術(shù)是在此后很長時間才出現(xiàn)的，而且主要用于PBT。

盡管尼龍家族擁有這些固有的優(yōu)點，但聚酯纖維也有其長處。通常，酰胺基團很容易被氧化，暴露在高溫下時，尼龍會表現(xiàn)出眾所周知的顏色變化，這一機制也解釋了為什么尼龍在強力干燥過程中會脆化以及其相對熱指數(shù)（RTI）較低的原因，特別是在考慮抗沖擊性能時。即使加入了熱穩(wěn)定劑，尼龍的RTI 值也很難高于130 ℃，而PBT 的RTI 值輕松就能達到140 ℃，有些級別的PET 的RTI值甚至達到了155 ℃。雖然最近開發(fā)的一些用于尼龍的新型熱穩(wěn)定劑抵消了這方面的一些優(yōu)勢，但大多數(shù)商用尼龍材料的抗氧化性卻低于聚酯纖維，而且聚酯纖維的抗紫外性能也更好。

這兩個材料家族性能重疊的一個很好的例子可以在輪胎簾布工業(yè)中看到。尼龍是第一種用于制造輪胎簾布的材料，也是這個行業(yè)最先選用的材料。但隨著時間的推移，聚酯纖維取得了重大進展，并占據(jù)了該業(yè)務(wù)領(lǐng)域很大的市場份額。因此客觀地說，雖然輪胎簾布行業(yè)因性能對其很重要而仍然認可尼龍，但聚酯纖維在該市場中占有的份額也相當(dāng)大。