Polyamide (Kurzzeichen PA) sind lineare Polymere mit sich regelmäßig wiederholenden Amidbindungen entlang der Hauptkette. Die Amidgruppe kann als Kondensationsprodukt einer Carbonsäure und eines Amins aufgefasst werden. Die dabei entstehende Bindung ist eine Amidbindung, die hydrolytisch wieder spaltbar ist.

Polyamide werden wegen ihrer hervorragenden Festigkeit und Zähigkeit oft als Konstruktionswerkstoffe verwendet. Gute chemische Beständigkeit besteht gegenüber organischen Lösungsmitteln, doch können sie leicht von Säuren und oxidierenden Chemikalien angegriffen werden.

Die Bezeichnung Polyamide wird üblicherweise als Bezeichnung für synthetische, technisch verwendbare thermoplastische Kunststoffe verwendet und grenzt diese Stoffklasse damit von den chemisch verwandten Proteinen ab. Fast alle bedeutsamen Polyamide leiten sich von primären Aminen ab, denn die sich wiederholende Einheit besteht aus der funktionellen Gruppe –CO–NH–. Daneben existieren auch Polyamide von sekundären Aminen (–CO–NR–, R = organischer Rest). Als Monomere für die Polyamide werden besonders Aminocarbonsäuren, Lactame und/oder Diamine und Dicarbonsäuren verwendet.

Chemische Konstitution

Polyamide lassen sich in folgende Klassen einordnen:

Nach der Art der Monomere

• Aliphatische Polyamide: die Monomere leiten sich von aliphatischen Grundkörpern ab, PA aus ε-Caprolactam (Polycaprolactam, kurz PA 6) oder aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure (PA 6.6).
• Teilaromatische Polyamide: die Monomere leiten sich zum Teil von aromatischen Grundkörpern ab, PA aus Hexamethylendiamin und Terephthalsäure (PA 6T).
• Aromatische Polyamide (Polyaramide): die Monomere leiten sich von rein aromatischen Grundkörpern ab, p-Phenylendiamin und Terephthalsäure

Nach der Art der Monomerzusammensetzung

• Homopolyamide: das Polyamid leitet sich von einer Aminocarbonsäure oder einem Lactam bzw. einem Diamin und einer Dicarbonsäure ab. Solche Polyamide lassen sich durch eine einzige Wiederholeinheit beschreiben. Beispiele hierfür sind das PA aus Caprolactam [NH–(CH₂)₅–CO]_n (PA 6) oder das PA aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure [NH–(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₄–CO]_n (PA 6.6).
• Copolyamide: das Polyamid leitet sich von mehreren unterschiedlichen Monomeren ab. Solche Polyamide lassen sich nur durch Angabe mehrerer Wiederholeinheiten beschreiben. Beispiele hierfür sind das PA aus Caprolactam, Hexamethylendiamin und Adipinsäure [NH-(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₄–CO]_n–[NH–(CH₂)₅–CO]_m (PA 6/66), oder PA aus Hexamethylendiamin, Adipinsäure und Sebacinsäure [NH–(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₄–CO]_n–[NH–(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₈–CO]_m (PA 66/610). Zu beachten ist, dass die angegebenen Formeln lediglich die Polymerzusammensetzung beschreiben, nicht aber die Abfolge der Monomereinheiten; diese sind üblicherweise statistisch über die Polymerketten verteilt.

Nach Art des Erweichungs-/Erstarrungsverhaltens

• Teilkristalline Polyamide: bilden beim Abkühlen aus der Schmelze kristalline Domänen (Phasenübergang 1. Ordnung). In der Regel erstarrt nicht die gesamte Schmelze kristallin, sondern es bilden sich auch amorphe Domänen (siehe unten). Das Verhältnis zwischen kristallinen und amorphen Domänen wird von der chemischen Natur des Polyamids und den Abkühlbedingungen bestimmt. Zusätzlich kann die Kristallisation durch nukleierende oder antinukleierende Additive gefördert oder behindert werden. Leicht kristallisierende Polyamide sind das PA 4.6 oder das PA 6.6, schwer kristallisierende Polyamide sind das PA mXD6 aus m-Xylylendiamin und Adipinsäure oder bestimmte Copolyamide.
• Amorphe Polyamide: erstarren glasartig aus der Schmelze. Im festen Zustand gibt es keine Fernordnung der Wiederholungseinheiten. Der Übergang zwischen fest und flüssig wird durch die Glasübergangstemperatur (Phasenübergang 2. Ordnung) beschrieben. Beispiele sind das PA aus Hexamethylendiamin und Isophthalsäure (PA 6I) und bestimmte Copolyamide. Im Allgemeinen enthalten amorphe Polyamide Monomereinheiten, die eine regelmäßige, kristalline Anordnung der Ketten unmöglich machen. Unter extremen Abkühlbedingungen können auch ansonsten teilkristalline Polyamide amorph erstarren.

Nach diesen Klassifizierungen ist beispielsweise PA 6.6 ein aliphatisches, teilkristallines Homopolyamid.

Handelsnamen

Eigenschaften

Viele technisch bedeutsame Polyamide sind teilkristalline thermoplastische Polymere und zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit aus, besitzen eine gute Chemikalienbeständigkeit und Verarbeitbarkeit. Viele Eigenschaften der Polyamide werden weitgehend durch die Amidgruppen dominiert, die über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander wechselwirken.

Genaue Werte für die Eigenschaften der Polyamide hängen unter anderem von deren kristallinem Gefüge und insbesondere von deren Wassergehalt ab. Polyamide reagieren auf den Feuchtegehalt der Umgebung mit reversibler Wasseraufnahme oder -abgabe. Dabei wird das Wasser in die amorphen Bereiche des Polyamids eingelagert. Ganz wesentlich hängt die Wasseraufnahme von der Konzentration der Amidgruppen ab. An Umgebungsluft nimmt PA 6 ca. 2,5–3,5 % Wasser auf, PA 12 aber nur ca. 0,2–0,5 %. Es sind Additive auf Polyolefin-Basis entwickelt worden, um auch im trockenen Zustand hohe Schlagzähigkeit zu gewährleisten.

Im Folgenden sind einige wichtige Eigenschaften aufgeführt:

¹⁾ Die Glastemperatur sinkt bei zunehmender Feuchtigkeit stark ab und kann dann auch unter 0 °C liegen

Kompakte Polyamide haben einen hohen Verschleißwiderstand und gute Gleiteigenschaften. Durch Faserverbunde mit Glas- oder Kohlenstofffasern lassen sich die mechanischen Eigenschaften weiter verbessern, so dass Festigkeiten und Schlagzähigkeit auf den Anwendungsfall abgestimmt werden können. Jedoch steigt durch Faserzugabe die Hydrolyseempfindlichkeit der Materialien, da zwischen Matrix und Faser ein mikroskopisch kleiner Spalt verbleibt, über den durch den Kapillareffekt Feuchtigkeit eingezogen wird. In Abhängigkeit von der Schlichte der Glasfaser und der damit verbundenen Anbindung zwischen Faser und Matrix fällt dieser Effekt jedoch unterschiedlich aus.

Verwendung

Der größte Teil der Polyamidproduktion wird als Synthesefaser für Textilien verwendet. Beispiele sind …

• Bekleidung
• Fallschirme, Hängegleiter, Ballons, Segel
• technische Gewebe (z. B. Siebgewebe zur Papierherstellung)
• Seile
• Angelschnur
• Mähfaden für Rasentrimmer
• Bespannung von Tennisschlägern
• Saiten für Streichinstrumente und Zupfinstrumente

Außerdem findet es Verwendung zur Herstellung von Haushaltsgegenständen und technischen Teilen, die sehr abriebfest sein müssen, wie Dübel, Schrauben, Gehäuse, Gleitlager, Isolatoren im Bereich Elektrotechnik, Kabelbinder, Klebesockel, Knotenstücke für Sanitätszelte, Küchenutensilien (Kellen, Löffel), Maschinenteile (Abdeckungen, Zahnräder, Lager, Laufrollen) und Zahnbürsten-Borsten.

Aufgrund seiner Beständigkeit gegen Schmier- und Kraftstoffe bei Temperaturen bis über 150 °C wird es auch im Fahrzeugbau für Motorenbauteile wie Ansaugsysteme, Kraftstoffleitungen, Motorabdeckungen, Ölwannen und für Druckluftsysteme wie Fahrwerk und Bremse eingesetzt. Bei der Verwendung als Bereifung aus Vollmaterial für Flurförderfahrzeuge übertrifft Polyamid mit einer Shore-A-Härte von über 75 die Tragfähigkeit anderer verwendeter Kunststoffe wie Polyurethan bzw. Vulkollan und sonstiger Elastomere.

Als thermoplastische Hotmelts mit spezifischen Eigenschaften kommen Polyamide auch beim Low-Pressure-Molding-Verfahren zum Einsatz. Hierbei wird das heiße, flüssige Material bei niedrigem Druck, typischerweise 5 bis 25 bar, in ein relativ kaltes Formwerkzeug eingebracht. Das Verfahren zum Schutz elektrischer und elektronischer Bauteile eignet sich aufgrund des niedrigen Einspritzdrucks selbst für empfindliche Bauteile wie Leiterplatten und Sensoren.

PA12 sowie PA11 finden beim 3D-Druck von Bauteilen und Gehäusen Anwendung. In Pulverform werden sie als preiswertes Standardmaterial in SLS-3D-Druckern verwendet. Dabei wird das Pulver mit einem Laserstrahl verbacken. In Filamentform wird es in FDM-3D-Druckern hauptsächlich für technische Anwendungen verwendet.

Polyamide eignen sich aufgrund ihrer einheitlich glatten Oberfläche gut als Nahtmaterial in der Chirurgie. Das Nahtmaterial aus Polyamid zeichnet sich besonders durch seine sehr guten Knüpfeigenschaften und hohe Zugfestigkeit aus. Es ist ein monofiles, nicht resorbierbares chirurgisches Material aus Polyamid 6 und Polyamid 6.6.

Im Jahr 2013 wurde ein globaler Umsatz von rund 20,5 Milliarden US-Dollar erzielt.

Bio-basierte Polyamide

Je nachdem, ob ein oder mehrere Monomere für ein Polyamid aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wurden, gilt dieses als teil-bio-basiert oder bio-basiert. Die Monomere für bio-basierte Polyamide unterscheiden sich strukturell nicht von den Monomeren petrochemischer Polyamide, sodass sich auch die Polymere selbst strukturell nicht unterscheiden.

Ein Überblick über Polyamide, die technisch teilweise und vollständig bio-basiert hergestellt werden können (z. B. aus Rizinusöl), ist in der folgenden Tabelle zu sehen. Dabei ist zu beachten, dass die bio-basierten Varianten nicht unbedingt auf dem Markt sein müssen und gegebenenfalls deutlich teurer als konventionelle Konkurrenzprodukte sind. Außerdem können für Produkte konventionelle Monomere auch nur teilweise durch bio-basierte ersetzt werden, wodurch der tatsächliche biogene Anteil geringer sein kann, als der Wert in der Tabelle. Die Monomere, die bio-basiert hergestellt werden können, sind grün markiert. Der maximale biogene Anteil ist aus den Anteilen der molaren Massen der Monomere berechnet.

Recycling

Der Recycling-Code für Polyamide ist 07.

Literatur

• Ludwig Bottenbruch, Rudolf Binsack (Hrsg.): Polyamide, Kunststoff-Handbuch Band 3/4: Technische Thermoplaste. Hanser, München 1998, ISBN 3-446-16486-3.
• Haus der Geschichte der BRD (Hrsg.): Künstliche Versuchung: Nylon, Perlon, Dederon. Wienand-Verlag, 1999, ISBN 3-87909-640-6, ISBN 978-3-87909-640-4.
• Susanne Buck: Gewirkte Wunder, hauchzarte Träume. Von Frauenbeinen und Perlonstrümpfen. Jonas-Verlag Marburg, 1996, ISBN 3-89445-199-8, ISBN 978-3-89445-199-8.
• Shaul M. Aharoni: N-Nylons. John Wiley and Sons, 1997, ISBN 0-471-96068-3.
• Melvin I. Kohan: Nylon Plastics Handbook. Hanser, München 1995, ISBN 3-446-17048-0.
• Richard Vieweg, Alfred Müller (Hrsg.): Kunststoff-Handbuch. Band 6: Polyamide. Hanser, 1966, DNB 457323302.
• Hans-Georg Elias: Makromoleküle. Band 2 – Technologie. 5. Auflage. Hüthig & Wepf Verlag, 1992, ISBN 3-527-29959-9.
• Otto Schwarz, Friedrich-Wolfhard Ebeling (Hrsg.): Kunststoffkunde: Aufbau, Eigenschaften, Verarbeitung, Anwendungen der Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. 9. Auflage. Vogel, 2007, ISBN 978-3-8343-3105-2.
• Paul Schlack: Die Entwicklung der Polyamidfaserstoffe in historischer Sicht In: Zeitschrift für die gesamte Textilindustrie. Jahrgang 56, 1954, S. 823–825.
• Hermann Klare: Die Entdeckung der Polyamide und der Beginn ihrer technischen Entwicklung In: Chemiefasern. Jahrgang 38/90, 1988, S. 540–544.
• Herbert Bode: Development of the production of polyamide fibers and their raw materials. In: Chemical Fibers International. Jahrgang 50, 2000, S. 128–131.

Weblinks

• Herstellung von Nylon im Labor (Video)

Einzelnachweise

1. ↑ Hans Domininghaus, Peter Elsner, Peter Eyerer, Thomas Hirth: Kunststoffe. Eigenschaften und Anwendungen. Hrsg.: Peter Elsner, Peter Eyerer, Thomas Hirth. 8. Auflage. Springer-Verlag, Heidelberg 2012. 
2. ↑ N24 History. ausgestrahlt am 31. Juli 2008 um 22:05 Uhr.
3. ↑ k. A. In: Context (DuPont-Firmenzeitschrift). Band 7, Nr. 2, 1978. 
4. ↑ Poliblend Deutschland. Zuletzt eingesehen am 22. Februar 2019.
5. ↑ "Technische Informationen" aus der Preisliste 2002 der "Deutschen Steinzeug" bzw. "AgrobBuchtal" Keramik, Seite 228.
6. ↑ Paul Ranft / Kristin Rinortner: Was ist Low Pressure Moulding. In: ELektronikpraxis. Vogel Communications Group, 25. Oktober 2019, abgerufen am 23. April 2021. 
7. ↑ A. Thiede, D. Geiger: Nahtmaterialien. In: Kommentar zur PH.EUR. 1997, 9. Lfg.
8. ↑ Market Report: Global Polyamide Market. Acmite Market Intelligence, abgerufen am 16. Februar 2015. 
9. 1 2 Oliver Türk: Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe. 1. Auflage. Springer Vieweg, Wiesbaden 2014, ISBN 978-3-8348-1763-1, S. 455–466. 
10. ↑ Quan Quan, Yajing Zhang, Hongwei Piao: Polybutyrolactam (PBY) fiber: a promising biobased and biodegradable fiber fabricated by dry-jet-wet spinning. In: Polymer. Band 260, 2022, doi:10.1016/j.polymer.2022.125392.