Если вы думаете, что химия — это скучно, то сильно ошибаетесь. Делимся историей, полной пробирок, абсурда, трагедии и женских ножек, а заодно рассказываем о наших филаментах из нейлонов и полиамидных композитов для FDM 3D-принтеров.
Содержание:
- История создания нейлона
- Нейлоновые и композитные филаменты под брендом REC
- REC PA6 (полиамид-6)
- REC PA12 (полиамид-12)
- REC UltraX (угленаполненный полиамид-6)
- REC Friction (стеклонаполненный полиамид-12)
- REC Printamid 1284 (угленаполненный полиамид-12)
- Рекомендации по 3D-печати
История создания нейлона
Появлению нейлонов на коммерческом рынке предшествовали двенадцать лет напряженных научных работ, ставших возможными благодаря одному дальновидному управленцу. В 1926 году американская компания DuPont по инициативе директора химического подразделения Чарльза Стайна решила изменить подход к исследованиям: Стайн считал, что вместо попыток получить что-то коммерчески привлекательное на основе уже имевшихся соединений нужно искать принципиально новые решения, то есть смещать фокус с прикладных исследований на фундаментальные. Совет директоров согласился, утвердил ежемесячный бюджет в размере двадцати пяти тысяч долларов (в наши дни это около $450 тысяч) и распорядился нанять двадцать пять химиков — самых лучших, каких только можно найти.
Химики особого энтузиазма не проявили: научное сообщество зачастую консервативно, и многие специалисты в то время считали, да и продолжают считать по сей день, что настоящим ученым положено работать в институтских и университетских лабораториях, а не в какой-то частной конторе под капиталистической диктатурой управляющих и инвесторов. Тем не менее, Стайну улыбнулась удача: ему удалось завербовать молодого, но уже именитого химика Уоллеса Каротерса (в другой транслитерации — Карозерса). Тридцатилетний ученый к тому времени защитил докторскую и преподавал в Гарварде, а среди коллег славился новаторским подходом к решению сложных научных задач.
Уоллес Каротерс
Каротерс тоже поначалу противился, но ссылаясь уже на личные проблемы: он страдал клинической депрессией и откровенно уведомил Стайна, что его поведение непредсказуемо и может привести к проблемам с коллективом и руководством предприятия. Стайна это не смутило, и Каротерс получил должность руководителя новой научно-исследовательской лаборатории под названием Purity Hall или «Зал чистоты». Вслед за Каротерсом быстро подтянулись другие талантливые специалисты.
Роль Каротерса особенно важна, так как он был убежденным сторонником концепции полимеризации. В то время механизмы получения пластиков еще не были достаточно изучены: многие ученые считали, что это комплексные коллоидные системы, но немецкий химик Герман Штаудингер выдвинул другую теорию — идею получения длинных цепочек из химически активных коротких молекул, то есть полимеров из мономеров. В 1953 году Штаудингер получит Нобелевскую премию, а пока его «макромолекулярную теорию», как она называлась самим автором, предстояло доказать на практике.
Команда Каротерса приступила к работе в 1927 году, и уже в апреле 1930 один из сотрудников лаборатории, Джулиан Хилл, сумел синтезировать длинную эфирную цепочку с молекулярной массой свыше 12000 а. е. м., скомбинировав двухатомный спирт (диол) и двухосновную кислоту. Получившееся полиэфирное волокно назвали полиэстером.
Фото: DuPont
Результат был впечатляющим: после охлаждения новое синтетическое волокно можно было растягивать аж в четыре раза, не разрывая тонкие нити. Вслед за воодушевлением пришло разочарование: оказалось, что новый материал слишком легкоплавок, а значит не выдержит ни утюга, ни стирки в горячей воде.
Следующие несколько лет прошли практически безрезультатно, пока преемник Стайна, новый директор химического подразделения DuPont по имени Элмер Болтон, не настоял на продолжении работ над синтетическими волокнами. Под его чутким руководством передовики химического фронта взялись за исследования с удвоенной силой и одной оговоркой: Каротерс считал, что баловство с полиэстером нужно прекращать, потому что у них есть вариант получше.
Вариант получше назывался полиамидом.
В мае 1934 года отличился еще один сотрудник команды Каротерса по имени Дональд Коффман, синтезировавший полимерное волокно из аминоэтилэфира. По сути, это был первый нейлон. Ученые сжали кулачки: новый материал тоже обладал высокой эластичностью и прочностью, при этом не демонстрируя недостатки полиэстера. Но и тут их ждало разочарование: прекурсором служил слишком сложный в изготовлении эфир аминононановой кислоты. Для массового производства требовалось что-то попроще и подешевле.
Фото: DuPont
В течение следующего года команде удалось получить еще два перспективных материала. Один из них синтезировали из пентаметилендиамина и себациновой кислоты. Первый из этих мономеров содержит пять атомов углерода, а второй — десять, поэтому получившийся полимер назвали полиамидом-5,10. Другой вариант получили из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты с шестью атомами углерода в каждом мономере. Назвали его, соответственно, полиамидом-6,6.
Каротерс предпочитал первый вариант, но Болтон настоял на производстве полиамида-6,6, так как основным сырьем служил доступный и недорогой бензол, получаемый из угольных смол и нефти. Здоровье Каротерса к тому времени сильно ухудшилось, так что возражать он не стал. Все усилия были брошены на коммерциализацию первого массового нейлона — полиамида-6,6.
Рекламная инсталляция в Лос-Анджелесе. Фото: Hagley Museum and Library
В 1938 году DuPont приступила к постройке специализированного завода по производству нейлона с годовыми объемами на уровне пяти с половиной миллионов тонн. Ставку предприятие сделало на женскую моду, а точнее производство колготок — не напрямую, а через промышленных партнеров в текстильной отрасли. В то время чулочки из шелка или вискозного волокна считались непременным аксессуаром любой уважаемой барышни, но шелк стоил дорого, а вискозное волокно, получаемое из целлюлозы, не отличалось долговечностью и не дружило с водой.
За испытания синтетических колготок отвечал отряд специального назначения, собранный из сотрудниц DuPont, а также жен и любовниц ученых-химиков. Испытания прошли успешно, и за колготками из удобного, недорогого и износостойкого материала немедленно выстроились очереди. Компания DuPont, со своей стороны, всячески подогревала интерес рекламной акцией на Всемирной выставке в Нью-Йорке и через прессу: нейлон лучше и дешевле шелка, все бегом в магазины! Дамы дружно спешили к прилавкам, и всего за два года DuPont захватила треть колготочного рынка.
Фото: Getty
К сожалению, Уоллес Каротерс так и не стал свидетелем успеха своего детища: не справившись с депрессией, талантливый ученый покончил с собой в 1937 году, еще до запуска массового производства.
На успев оправиться от смерти научного руководителя, коллективу пришлось иметь дело с еще одной проблемой, на этот раз абсурдной: представители желтой прессы запустили слух, что нейлон якобы могут делать из трупов. Причиной слуха стало упоминание в профильных научных работах гексаметилендиамина, альтернативно называемого кадаверином из-за образования при разложении белков и ответственного за характерный трупный запах. Само собой, никакие кадавры в производстве не использовались, тем более в полиамиде-6,6 с совсем другими прекурсорами, но представителям DuPont все же пришлось объяснять нахмурившейся общественности, что сырьем для производства коммерческого нейлона служат только каменный уголь, вода и воздух. Общественность все поняла и вернулась к прилавкам.
Впрочем, дамы тоже радовались недолго: в конце 1941 года США вступили во Вторую мировую войну, и внезапно выяснилось, что основными поставщиками натурального шелка на американском рынке были японцы. DuPont немедленно свернула поставки сырья производителям колготок и переориентировалась на военно-промышленный сектор. Нейлон-6,6 пошел в основном на изготовление парашютов и шинных кордов. Параллельно легкий, прочный и химически стойкий материал нашел применение в производстве буксировочных тросов, авиационных топливных баков, обувных шнурков, москитных сеток, гамаков и даже бронежилетов для экипажей бомбардировщиков.
Фото: National Archives
Достать нейлоновые колготки в те дни можно было разве что на черном рынке, да и то изготовленные из, скажем так, ловко перенаправленных партий сырья. Как только война закончилась, DuPont быстро вернулась к старой рыночной нише, и очереди из изголодавшихся по удобным колготкам женщин не заставили ждать. Рекорд, пожалуй, поставили жительницы Питтсбурга: в 1946 году за долгожданным товаром выстроилась очередь длиной в полтора километра из сорока тысяч дам. Дело чуть не дошло до потасовки, ведь завезли всего тринадцать тысяч пар. К счастью, по мере масштабирования производства, в том числе силами других производителей, социальное напряжение быстро спало.
Здесь стоит упомянуть, что DuPont не стала регистрировать нейлон как защищенный бренд. Изначально компания делала расчет на то, что слово войдет в обиход как нечто привычное и само собой разумеющееся, вроде хлопка или шелка, а это поспособствует принятию нового материала широкой публикой. Как мы теперь знаем, этот расчет оправдался. Впоследствии компания решила еще и лицензировать производство во избежание обвинений в монополизации рынка, но при этом сохранила и даже нарастила собственные мощности.
Реклама 1957-го года
Помимо колготок нейлон стали применять в производстве носков, нижнего белья, корсетов, платьев, а также свитеров и верхней одежды, где синтетические волокна имитировали шерсть и мех. В 1955 году маркетологи DuPont даже протолкнули свой продукт в от-кутюр: на помостах парижских модных шоу красовались модели в синтетических нарядах от Коко Шанель, Жана Пату, Кристиана Диора. Текстильный бизнес доминировал в поставках DuPont вплоть до конца 1960-х, когда спрос на синтетику резко пошел на спад в пользу натуральных тканей.
Впрочем, к тому времени DuPont и другим компаниям, занимавшимся производством нейлона, уже было все равно: полимер настолько положительно зарекомендовал себя в технических приложениях, что спрос на сырье не падал, а наоборот рос стремительными темпами.
3D-печатная шестерня из полиамида-12 REC PA12
Вместо с ростом спроса рос и ассортимент. За прошедшие со времен первых опытов годы химикам удалось синтезировать самые разные варианты нейлонов, заточенные под разные задачи. Полиамид-6,6, также называемый полиамидом-66, нейлоном-6,6 и нейлоном-66, остается, пожалуй, самым массовым, но помимо него доступны дешевый полиамид-6, максимально эластичный полиамид-11, более химически стойкий полиамид-12 и другие разновидности.
В производстве филаментов мы сконцентрировались на двух вариантах — полиамиде-6 и полиамиде-12. Помимо этого мы выпускаем и нейлоновые композиты — REC UltraX на основе полиамида-6 с углеволоконным армированием, REC Friction из полиамида-12 со стекловолоконным наполнителем и угленаполненный полиамид-12 под обозначением REC Printamid 1284.
3D-печатный впускной коллектор гоночного автомобиля формулы «Студент» из угленаполненного полиамида-6 REC UltraX
Нейлоновые и композитные филаменты под брендом РЭК
1. REC PA6 (полиамид-6)
Полиамид-6 — самый доступный вариант нейлона, но в то же время самый гигроскопичный. Высокая гигроскопичность — вообще общая черта всех полиамидов, поэтому перед 3D-печатью нейлоновые филаменты настоятельно рекомендуется просушивать. В случае с REC PA6 хватит четырех часов при температуре 85°C. Подробно про хранением и просушивание филаментов рассказывается в отдельных статьях — здесь и здесь.
Полиамид-6 похож на полиамид-6,6, будучи износостойким, прочным и способным выдерживать довольно высокие эксплуатационные температуры, но в то же время выгодно отличается несколько более высокой ударной прочностью и стойкостью к ультрафиолету. REC PA6 также обладает высокой стойкостью к горюче-смазочным материалам, эфирам, керосину, спиртам, слабым кислотам, слабым и концентрированным щелочам, морской воде, органическим растворителям.
Этот вариант используется в производстве автомобильных деталей, ударопрочных корпусов, уплотнителей, изоляции, разнообразных нагруженных и износостойких механических деталей — роликов, шестерней, втулок, подшипников и тому подобного.
Основные характеристики REC PA6:
- Плотность: 1,13 г/см^3
- Диапазон эксплуатационных температур: от -40°C до 85°C
- Ударная вязкость по Шарпи: 5 кДж/м^2
- Предел прочности при растяжении вдоль слоев: 64,1 МПа
- Модуль упругости при растяжении вдоль слоев: 3,1 ГПа
- Предел прочности при растяжении поперек слоев: 40,2 МПа
- Модуль упругости при растяжении поперек слоев: 3,1 ГПа
Настройки 3D-печати REC PA6:
- Температура хотэнда: 250-270°C
- Температура столика: 100-110°C
- Минимальный диаметр сопла: 0,3 мм
- Температура камеры: 60-90°C
- Вспомогательные адгезионные средства: жидкий клей REC Adhesivix Pro или клей-карандаш REC PEEK
Филаменты REC PA6 диаметром 1,75 мм доступны в натуральном и черном оттенках на катушках массой 500 грамм нетто.
2. REC PA12 (полиамид-12)
Главная особенность полиамида-12 — повышенная химическая стойкость, хотя по прочностным характеристикам он немного уступает полиамиду-6. Материал устойчив к воздействию органических растворителей, смазок, гидравлических жидкостей, жиров, спиртов, масел, нефти, бензина и других горюче-смазочных материалов.
Помимо этого полиамид-12 может похвастаться низким коэффициентом трения, высокой ударной вязкостью, отличным сопротивлением механической усталости и низкой гигроскопичностью, но только по меркам нейлонов: хоть этот вариант и менее склонен к впитыванию влаги, чем другие полиамиды, его все равно крайне желательно просушивать перед 3D-печатью, иначе расплав может вскипеть в хотэнде, а это приведет к появлению пропусков в слоях, снижению когезии и другим неприятностям. Тем не менее, полиамид-12 лучше подходит для эксплуатации во влажных средах, чем другие нейлоны.
Полиамид-12 применяется в производстве конструкционных, электроизоляционных и антифрикционных изделий, в том числе деталей автомобильной, радиотехнической и приборостроительной промышленности, а также медицинских инструментов и приспособлений.
Основные характеристики REC PA12:
- Плотность: 1,01 г/см^3
- Температура эксплуатации: от -40°С до 85°С
Настройки 3D-печати REC PA12:
- Температура хотэнда: 275-295°C
- Температура столика: 90-110°C
- Минимальный диаметр сопла: 0,3 мм
- Температура камеры: 100°C
- Дополнительное адгезионное средство: жидкий клей REC Adhesivix Pro или клей-карандаш REC PEEK
Филаменты REC PA12 диаметром 1,75 мм предлагаются в натуральном и черном оттенках на стандартных катушках массой 750 грамм и больших катушках массой 2 кг.
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся
Вход через социальные сети