История полимерных материалов, часть 13: Как нейлон и полиэстеры переписали инновации в текстиле

Та же волна инноваций, вышедшая на свет нейлон, также стимулировала создание синтетических полиэстеров. В 1930-х годах Джулиан Хилл, ключевой член команды Уоллеса Каротерса в DuPont, впервые синтезировал полиэстерные волокна — задолго до появления самого нейлона. Однако, когда проявились выдающиеся свойства нейлона, исследования полиэстеров были приостановлены. Переплетенные истории нейлона и полиэстера лучше всего понять через призму их химии.

И нейлоны первого поколения, и ранние полиэстеры принадлежат к семейству конденсационных полимеров. Каротерс начал изучать эти реакции еще в 1926 году, будучи в академии. Благодаря ресурсам лабораторий DuPont он быстро перевел теорию в практику. Конденсационные полимеры образуются, когда две молекулы — каждая с реакционноспособными функциональными группами на обоих концах — вступают в реакцию, отделяя малое молекулу (часто воду) и растягиваясь в обе стороны, формируя длинную цепь.

Эфиры возникают при реакции спирта с карбоновой кислотой, как показано на рисунке 1, где этиловый спирт и уксусная кислота образуют уксусный этил. Характерная карбонильная двойная связь C=O определяет функциональную группу эфира. Амиды образуются аналогично, но вместо спирта участвует амин. На рисунке 2 пропановая кислота реагирует с мочевиной, давая пропанамид.

В типичном синтезе эфиров и амидов участвует только один реакционный конец, что прекращает реакцию. Каротерс обнаружил, что когда оба конца молекулы несут реакционные группы, процесс может продолжаться, порождая длинноцепочечный макромолекулу — полимер. Рисунок 3 иллюстрирует этот принцип на примере нейлона 66.

Амидная связь — состоящая из карбонильной группы (C=O) и связи N–H — создает диполь, способствующий формированию сильных межмолекулярных водородных связей. Кислород несет частичный отрицательный заряд, а водород, связанный с азотом — частичный положительный. Когда смежные полимерные цепи выстраиваются, эти диполи притягиваются, обеспечивая нейлону высокую прочность на разрыв и температуру плавления 260 °C (500 °F). Эта сеть водородных связей — краеугольный камень превосходных механических свойств нейлона.

В отличие от этого, эфирные связи не имеют компонента N–H, поэтому не могут образовывать такие же прочные водородные связи. В результате алифатические полиэстеры демонстрируют более низкие температуры плавления — обычно около 80 °C (176 °F) для полимера с молекулярным весом, сопоставимым с нейлоном 66, — и более подвержены гидролизу. Эти свойства не отвечали целям DuPont по созданию высокопроизводительных волокон, что заставило компанию полностью переключиться на нейлон.

Через три года британские химики Джон Рекс Уинфилд и Джеймс Теннант Диксон пересмотрели данные DuPont и нашли способ улучшить свойства полиэстера, введя ароматические кольца. Ароматические структуры, такие как бензол или ксилол, плоские, жесткие и значительно повышают термические и механические характеристики при включении в полимерную цепь.

В 1939 году Уинфилд и Диксон соединили ароматическую карбоновую кислоту — терефталовую — с этиленгликолем, получив первый коммерчески жизнеспособный полиэстер — полиэтилентерефталат (PET). Вместе с У.К. Бертвистлом и К.Д. Ричи они запатентовали PET и представили волокно под торговой маркой Terylene, запущенное в производство Imperial Chemical Industries (ICI) в 1941 году.

Этот прорыв открыл современную эру полиэстерных волокон, историю которых мы продолжим в следующей части.

Об авторе
Майкл Сепе — независимый консультант по материалам и технологиям обработки, базирующийся в Седоне, штат Аризона. С более чем 45-летним опытом в пластмассовой индустрии он консультирует клиентов в Северной Америке, Европе и Азии по вопросам выбора материалов, проектирования для производства, оптимизации процессов, устранению неисправностей и анализу причин отказов. Контакты: (928) 203‑0408 | mike@thematerialanalyst.com