ナイロン

ナイロン6ナイロンナイロン6,6
密度1.15 g/cm 3
電気伝導率（σ）10 −12  S /m
熱伝導率0.25  W /(m· K )
融点463～624 K
190～350 ° C
374～663 ° F

ナイロンは、典型的には脂肪族または半芳香族基を結合したアミド結合を特徴とする合成ポリマーのグループです。

ナイロンは一般的に茶色がかった色をしており[1]、柔らかい質感を持ち、いくつかの種類は絹のような外観を呈しています。[2]熱可塑性プラスチックであるナイロンは、繊維、フィルム、さまざまな形状に溶融加工することができます。 [3] [4] [5] ：2 ナイロンの特性は、多くの場合、さまざまな添加剤を混合することによって変更されます。

ナイロンには様々な種類があります。ナイロンXYと呼ばれるファミリーは、炭素鎖長XとYのジアミンとジカルボン酸から誘導されます。重要な例としては、ナイロン6,6（ (−C(O)(CH 2 ) 4 C(O)−NH(CH 2 ) 6 NH−) n ）が挙げられます。ナイロンZと呼ばれるもう1つのファミリーは、炭素鎖長Zのアミノカルボン酸から誘導されます。例としては、ナイロン[6]が挙げられます。

ナイロンポリマーは、繊維（衣料品、床材、ゴム補強材など）、自動車や電気機器の成形部品、フィルム（主に食品包装用）など、幅広い商業用途に使用されています。 [6]

歴史

ウォレス・カロザース

デュポンとナイロンの発明

デュポン社の研究者たちはセルロース系繊維の開発に着手し、最終的に合成繊維レーヨンを開発しました。デュポン社のレーヨンに関する経験は、ナイロンの開発と販売の重要な先駆けとなりました。[7] : 8, 64, 236 

デュポンによるナイロンの発明は、1927年のポリマー研究プログラム開始から、 1939年のニューヨーク万国博覧会開催直前の1938年の発表まで、11年間にわたりました。[8]このプロジェクトは、1927年にチャールズ・スタインが提案したデュポンの新しい組織構造から発展しました。この組織構造では、化学部門は複数の小規模な研究チームで構成され、化学における「先駆的研究」に焦点を当て、「実用化につながる」ことを目指していました。[7]ハーバード大学の講師、ウォレス・ヒューム・カロザースがポリマー 研究グループのリーダーとして採用されました。当初、彼は純粋研究に専念し、ドイツの化学者ヘルマン・シュタウディンガーの理論を基盤として検証することを許可されました。[9]彼は大きな成功を収め、彼の研究はポリマーに関する知識を大きく向上させ、科学に貢献しました。[10]

ナイロンは、商業的に成功した最初の合成熱可塑性ポリマーでした。[11]デュポンは1927年に研究プロジェクトを開始しました。 [8]最初のナイロンであるナイロン66は、1935年2月28日にデュポン実験ステーションにあるデュポンの研究施設でウォレス・ヒューム・カロザースによって合成されました。[12] [13]カロザースの研究に応えて、IGファルベンのポール・シュラックは、1938年1月29日にカプロラクタムをベースにした異なる分子であるナイロン6を開発しました。 [14] : 10  [15]

1930年の春、カロザースと彼のチームは既に2つの新しいポリマーを合成していました。1つ目はネオプレンで、第二次世界大戦中に広く使用された合成ゴムです。[16] 2つ目は、冷却すると非常に強くなる弾性ペーストで、後にナイロンとなります。これらの発見の後、カロザースと彼のチームは、一般的な重合を調査するというより純粋な研究アプローチから、「産業用途に適した単一の化学組み合わせ」を見つけるというより実践的な目標へと研究を転換せざるを得なくなりました。[7] : 94 

1935年初頭になってようやく、「ポリマー6-6」と呼ばれるポリマーが誕生しました。カロザースの同僚でワシントン大学の卒業生であるジュリアン・W・ヒルは、 1930年に冷延伸法を用いてポリエステルを製造していました。 [17]この冷延伸法は、後にカロザースが1935年にナイロンを本格的に開発する際に用いられました。[18]最初のナイロン（ナイロン6.6）は、1935年2月28日、デュポン社のデュポン実験ステーションにある研究施設で製造されました。[12]ナイロン6.6は、弾力性と強度といった望ましい特性をすべて備えていました。しかし、複雑な製造工程を必要とし、それが将来の工業生産の基盤となりました。デュポン社は1938年9月にこのポリマーの特許を取得し、[19]瞬く間にこの繊維の独占権を獲得しました。[10]カロザースはナイロンの発表の16ヶ月前に亡くなったため、その成功を見ることはありませんでした。[8]「ナイロン」という名前は、norun（no run）を、製品の販売に使用できるユニークな名前に変更したことに由来していますが、商標登録されていません。[20]

ナイロンは1938年にナ​​イロン毛の 歯ブラシに初めて商業的に使用され[4] [21]、その後、より有名な女性用ストッキング、いわゆる「ナイロン」が1939年のニューヨーク万国博覧会で展示され、1940年に初めて商業的に販売されました[22]。そして、発売初年度で6400万足が販売されるなど、瞬く間に商業的成功を収めました。第二次世界大戦中、ナイロン生産のほぼ全てが軍用としてパラシュートやパラシュートコードに転用されました。戦時中のナイロンやその他のプラスチックの使用により、これらの新素材の市場は大きく拡大しました[23] 。

ナイロンの製造には、デュポン社の3つの部門、すなわち化学研究部門、アンモニア部門、レーヨン部門の相互協力が必要でした。[24]ナイロンの主要成分の一部は、アンモニア部門の専門分野である高圧化学を用いて製造する必要がありました。ナイロンは、財政難に陥っていたアンモニア部門にとって「天の恵み」 [7]とみなされていました。ナイロンの原料はすぐにアンモニア部門の売上の半分を占めるようになり、デュポン社に雇用と収益を創出することで、大恐慌からの脱却に貢献しました。[7]

デュポン社のナイロンプロジェクトは、産業界における化学工学の重要性を実証し、雇用創出に貢献し、化学工学技術の進歩を促進しました。実際、同社は1800人の雇用を創出し、当時の最新技術を導入した化学工場を開発しました。この工場は、現在でも化学工場のモデルとして活用されています。[7]デュポン社が多くの化学者と技術者を迅速に獲得できたことは、ナイロンプロジェクトの成功に大きく貢献しました。[7] : 100–101 最初のナイロン工場はデラウェア州シーフォードに建設され、1939年12月15日に商業生産を開始しました。1995年10月26日、シーフォード工場はアメリカ化学会により国家歴史化学ランドマークに指定されました。[25]

初期のマーケティング戦略

ナイロンの人気の大きな要因の一つは、デュポンのマーケティング戦略にあります。デュポンは、製品が一般市場に出る前に需要を高めるために、この繊維のプロモーションを行いました。ナイロンの商業的発表は、1938年10月27日、ニューヨーク万国博覧会が迫る会場で、ヘラルド・トリビューン紙が毎年開催する「時事問題フォーラム」の最終セッションで行われました。 [9] [10] : 141 「石炭、水、空気」から作られ、「鋼鉄のように強く、蜘蛛の巣のように細い」と謳われた「初の人工有機繊維」は、多くの中流階級の女性を含む聴衆から熱狂的に受け入れられ、ほとんどの新聞の見出しを飾りました。[10] : 141 ナイロンは1939年のニューヨーク万国博覧会で「明日の世界」の一部として紹介され[26] 、 1939年にサンフランシスコで開催されたゴールデンゲート国際博覧会ではデュポン社の「ワンダーワールド・オブ・ケミストリー」で特集されました。[9] [27]実際のナイロンストッキングは1940年5月15日まで全国市場の一部の店舗に出荷されませんでした。しかし、それ以前にデラウェア州で限定数が販売されていました。[10] : 145–146 ナイロンストッキングの最初の一般販売は1939年10月24日にデラウェア州ウィルミントンで行われました。4,000足のストッキングが用意され、3時間以内にすべて完売しました。[9]

このキャンペーンのもう一つのメリットは、日本からの絹の輸入量を削減できることでした。この主張は、多くの警戒心の強い顧客を納得させるものでした。ナイロンはルーズベルト大統領の閣僚からも言及され、正式に発表されてから5日後には「広大で興味深い経済的可能性」について言及されました。[10]

しかし、ナイロンに対する初期の熱狂は問題も引き起こした。ナイロンはシルクよりも優れ、鋼鉄のように強く、永遠に持ちこたえ、決して伝染しない奇跡の生地だという、不当な期待を煽ったのだ。[10] : 145–147  [22]「鋼鉄のように強い新しい靴下」や「伝染はもうない」といった主張の危険性を認識したデュポンは、当初の発表の文言、特にナイロンが鋼鉄のような強度を持つという表現を縮小した。[10]

また、ナイロンを革新的な人工素材として売り出していたデュポン社の幹部たちは、当初、一部の消費者が合成繊維に対して不安や不信感、さらには恐怖感を抱いていることに気づいていなかった。[10] : 126–128 デュポン社が1938年に取得した新ポリマーの特許を引用した、特に衝撃的なニュース記事は、ナイロンの製造方法の一つとして、死体から抽出される化学物質であるカダベリン（ペンタメチレンジアミン）[a]を使用する可能性を示唆した。科学者たちはカダベリンは石炭を加熱することでも抽出できると主張したが、世間は耳を傾けようとしなかった。ある女性がデュポン社の主任科学者の一人に詰め寄り、噂が真実ではないことを認めようとしなかった。[10] : 146–147 

デュポンはキャンペーン戦略を変更し、ナイロンは「石炭、空気、水」から作られていることを強調し、ナイロン本来の特性ではなく、ナイロンの個性や美的側面に焦点を当て始めました。[10] : 146–147 こうしてナイロンは家畜化され、[10] : 151–152 「ナイロンならもっときれいだし、乾きも早い！」といったスローガンとともに、繊維の素材面や消費者面に注目が集まりました。[7] : 2 

ナイロン生地の生産

1954年、スウェーデンのマルメでナイロンストッキングが検査されている。

1940年にナイロンが全国的に発売されると、その生産量は飛躍的に増加しました。その年だけで1,300トンものナイロンが生産され、この革新的な素材にとって目覚ましいスタートを切りました。[8]: 100 ナイロンの需要は急増し、特にナイロンストッキングは瞬く間に大ヒットとなりました。発売初年度には、驚異的な6,400万足ものナイロンストッキングが販売され、日常生活やファッションへの急速な浸透を物語っています。[8]: 101 ナイロンは大成功を収め、発売からわずか1年後の1941年には、需要の高まりに対応し、この人気素材の安定供給を確保するため、バージニア州マーティンズビルに第2工場が開設されました。この拡張は、ナイロンが繊維産業に与えた甚大な影響と、多用途で需要の高い素材として急速に台頭したことを如実に物語っています。[28]

ストッキングに使われるナイロン編み生地のクローズアップ写真
走査型電子顕微鏡を用いて可視化したナイロン繊維

ナイロンは耐久性があり壊れない素材として人々に売り出されていたが、絹のストッキングの約1.5倍の価格で販売されていた（ナイロン1ポンドあたり4.27ドルに対し、絹は1ポンドあたり2.79ドル）。[7] : 101 ナイロンストッキングの売上が好調だったのは、女性のファッションの変化も一因である。ローレン・オールズは次のように説明している。「1939年までに[裾の長さ]は徐々に膝丈に戻り、10年が始まった頃と全く同じ様相を呈した」。スカートの短さに伴い、ガーターベルトを使わずに、より体全体をカバーできるストッキングへの需要が高まった。[29]

しかし、1942年2月11日以降、ナイロンの生産は一般消費者向けから軍用へと転換されました。[9]デュポン社によるナイロンストッキングやその他の下着の生産は停止し、生産されたナイロンのほとんどは第二次世界大戦のパラシュートやテントを作るために使用されました。[30]戦前に製造されたナイロンストッキングは購入できましたが、一般的に闇市場で20ドルもの高値で売られていました。[28]

戦争が終わると、ナイロンの復活が大きな期待をもって迎えられた。デュポン社は年間3億6000万足のストッキング生産を見込んでいたが、戦時生産から一般消費者向け生産への切り替えが遅れた。[9] 1946年、ナイロンストッキングの需要は満たされず、ナイロン暴動につながった。ある時は、ピッツバーグで推定4万人が1万3000足のナイロンを購入するために列を作った。[22]一方、女性たちは戦争で残されたナイロンテントやパラシュートを切り刻み、ブラウスやウェディングドレスを作った。[31] [32]終戦から1952年までの間、ストッキングとランジェリーの生産に世界のナイロンの80%が使用された。デュポン社は民間の需要に応えることに重点を置き、継続的に生産を拡大した。

ナイロン混紡の導入

純ナイロン製のストッキングがより広い市場で販売されるようになると、問題が顕在化しました。ナイロンストッキングは、糸が縦方向にほどけやすく、伝線しやすいという点で、脆いことが分かりました。[7] : 101 また、ナイロンは吸水性が低いため、純ナイロン製の生地は不快感を感じるという報告もありました。[33]高温多湿の状況下では、水分が「吸い上げ」られず、肌に近い生地の内側に留まってしまいます。[34]ナイロン生地はかゆみを感じやすく、摩擦によって蓄積された静電気によってまとわりつき、時には火花を散らすこともありました。[35] [36]また、状況によってはナイロンが劣化し、ストッキングに穴が開いたり、裂けたりすることもありました。[10] : 147 科学者たちは、これを大気汚染による酸加水分解と説明し、1952年のロンドンスモッグ、そしてニューヨークとロサンゼルスの大気汚染に起因するものとしました。[37] [38] [39] [40]

純粋なナイロン織物の問題に対する解決策は、ナイロンを綿、ポリエステル、スパンデックスなどの既存の繊維やポリマーと混紡することでした。これにより、幅広い混紡織物が開発されました。新しいナイロン混紡は、ナイロンの望ましい特性（弾力性、耐久性、染色性）を維持しながら、衣料品の価格を低く抑え、手頃な価格を実現しました。[30] : 2  1950年時点で、陸軍と海軍の織物の開発と試験を行っていたニューヨーク需品調達局（NYQMPA）は、ウールとナイロンの混紡の開発に着手していました。天然繊維と合成繊維の混紡を導入したのは、NYQMPAだけではありませんでした。『America's Textile Reporter』誌は1951年を「繊維混紡の年」と呼びました。[41]混紡織物には、「ブナラ」（ウール、ウサギ、ナイロン）や「カスメット」（ウール、ナイロン、毛皮）といった混紡が含まれていました。[42]イギリスでは、1951年11月に開催された王立芸術・製造・商業奨励協会の第198回総会の開会演説で、繊維の混紡について焦点が当てられました。[43]

デュポン社の生地開発部門は、フランスのファッションデザイナーを巧みにターゲットにし、生地サンプルを提供しました。1955年には、ココ・シャネル、ジャン・パトゥ、クリスチャン・ディオールといったデザイナーがデュポン社の繊維を使ったドレスを発表し、ファッション写真家のホルスト・P・ホルストがデュポン社の生地の使用を記録するために雇われました。[22] アメリカン・ファブリックスは、混紡素材が「これまで想像もできなかったファッションに創造的な可能性と新しいアイデアをもたらす」と高く評価しました。[42]

語源

デュポン社は、新製品の名称を決めるために、膨大なプロセスを経てきました。[10] : 138–139  1940年、デュポン社のジョン・W・エッケルベリーは、「nyl」という文字は恣意的なものであり、「on」は綿やレーヨンといった他の繊維の接尾辞からコピーされたものだと述べました。デュポン社が後に発表した出版物（Context、第7巻第2号、1978年）によると、当初は「No-Run」（「run」は「ほどける」という意味）という名称を意図していたものの、そのような不当な主張を避けるために変更されたとのことです。製品が実際には「run-proof（ほつれない）」というわけではなかったため、母音を入れ替えて「nuron」とし、さらに「神経強壮剤のような響きにならないように」と「nilon」に変更されました。発音を明瞭にするため、「i」は「y」に変更されました。[22] [44]

名前の由来は「ニューヨーク」と「ロンドン」だという都市伝説が根強く残っているが、ロンドンでナイロンの研究や生産に携わった組織は一度もなかった。 [45]

長期的な人気

ナイロンは、その耐久性と透け感から1940年代から1950年代にかけて人気が急上昇しました。1970年代には、その柔軟性と価格の高さからさらに人気が高まりました。

1970年代の石油不足にもかかわらず、ナイロン繊維の消費量は1960年代から1980年代にかけて年間7.5%の成長を続けました。[46]しかし、合成繊維の総生産量は、1965年の世界繊維生産量の63%から、1970年代初頭には45%に減少しました。[46]「新しい」技術の魅力は薄れ、ナイロン生地は1970年代には「時代遅れ」になっていました。[7]また、消費者は生産サイクル全体における環境コスト、すなわち原材料（石油）の調達、生産時のエネルギー消費、繊維製造時に発生する廃棄物、そして生分解性のない材料の最終的な廃棄物処理について懸念を抱くようになりました。[46] 合成繊維は1950年代と1960年代以降、市場を支配していませんでした。2020年現在、世界のナイロン生産量は890万トンと推定されています。[47]

純粋なナイロンには多くの欠陥があり、現在ではほとんど使われていませんが、その派生製品は社会に大きな影響を与え、貢献してきました。プラスチックの製造や重合に関する科学的発見から、大恐慌期の経済的影響、そして女性のファッションの変化に至るまで、ナイロンは革命的な製品でした。[22]祝賀の象徴として月面に立てられた最初の旗である月面旗はナイロン製でした。旗自体は5ドル50セントでしたが、「はためいている」ように見えるように、水平の棒が付いた特別に設計された旗竿が必要でした。 [48] [49]ある歴史家は、ナイロンを「欲望の対象」と表現し、20世紀の消費者の目にコカ・コーラが映ったのに例えています。[7]

化学

外部ビデオ
ビデオアイコン「ナイロンの製造」、ボブ・バーク、CHEM 1000、カールトン大学、オタワ、カナダ
ビデオアイコン「ナイロン6,6の製造」
ビデオアイコン「ナイロン製造」、王立化学協会
ビデオアイコン「ナイロン・レーヨン製造 1949」ブリタニカ百科事典フィルム

一般的な用法では、接頭辞「PA」（ポリアミド）または名前「ナイロン」は互換的に使用され、意味も同じです。

ナイロンポリマーの命名法は、最初の単純な脂肪族ナイロンの合成中に考案され、カルボン酸の炭素数を含む各モノマー単位の炭素数を数字で表しています。[50] [51]その後、環状モノマーや芳香族モノマーが使用されるようになり、文字または文字の組み合わせの使用が必要になりました。「PA」または「ナイロン」の後に続く数字は、単分子ポリマー、つまり1つのアミノ酸（H 2 Oを除く）をモノマーとするホモポリマーであることを示します。

PA 6またはナイロン6：[NH−(CH 2 ) 5 −CO] n ε-カプロラクタムから作られています。

2つの数字または文字の組み合わせは、2つのモノマー（ジアミンとジカルボン酸）から形成される二元ホモポリマーを示します。最初の数字はジアミンの炭素数を示します。2つの数字は明確にするためにコンマで区切る必要がありますが、コンマは省略されることがよくあります。

PAまたはナイロン6,10（または610）：[NH−(CH 2 ) 6 −NH−CO−(CH 2 ) 8 −CO] nヘキサメチレンジアミンとセバシン酸から作られる。

コポリマーの場合、コモノマーまたはコモノマーのペアはスラッシュで区切られます。

PA 6/66: [NH−(CH 2 ) 6 −NH−CO−(CH 2 ) 4 −CO] n −[NH−(CH 2 ) 5 −CO] m はカプロラクタム、ヘキサメチレンジアミンおよびアジピン酸から製造される。
PA 66/610: [NH−(CH 2 ) 6 −NH−CO−(CH 2 ) 4 −CO] n −[NH−(CH 2 ) 6 −NH−CO−(CH 2 ) 8 −CO] mはヘキサメチレンジアミン、アジピン酸およびセバシン酸から作られています。

ポリフタルアミド(略称 PPA)という用語は、ポリマー鎖の繰り返し単位のカルボン酸部分の 60% 以上のモルがテレフタル酸(TPA) とイソフタル酸(IPA) の組み合わせで構成されている場合使用されます。

種類

ナイロン66および関連ポリアミドは、ジアミンとジカルボン酸を等量ずつ混合して形成される縮合ポリマーである。[52]前者の場合、「繰り返し単位」は多くのポリエステルやポリウレタンにも見られるABAB構造をとる。この共重合体中の各モノマーは両端に同じ反応基を持つため、アミド結合の方向はモノマーごとに反転する。これは、C末端 → N末端という方向性を持つ天然ポリアミドタンパク質とは異なり、後者の場合（いわゆるAA）、繰り返し単位は単一のモノマーに対応する。[14] : 45–50  [53]

デュポン社のウォレス・カロザースはナイロン66の特許を取得しました。[19] [54] [55] ジアミンとジカルボン酸の反応を伴うナイロンの場合、正確な比率を得ることが難しく、ずれがあると望ましい分子量10,000ダルトン未満で連鎖停止につながる可能性があります。この問題を克服するために、酸と塩基を正確に1:1の比率で中和することで、室温で結晶性の固体「ナイロン塩」を形成できます。この塩は結晶化されて精製され、望ましい正確な化学量論が得られます。285℃（545°F）に加熱すると、塩は反応して水を生成するナイロンポリマーを形成します。

ペンタメチレンジアミンとセバシン酸から作られるナイロン510は、カロザースによるナイロン66の特許に含まれていました[19]。ナイロン610も同様にヘキサメチレンジアミンを用いて製造されます。これらの材料は、セバシン酸の比較的高価なため、より高価です。炭化水素含有量が多いため、ナイロン610はより疎水性が高く、この特性を活かした用途として、例えば毛材などに使用されています[56] 。

市販のヘテロポリマーポリアミド
1,4-ジアミノブタン1,5-ジアミノペンタンMPMDヘッドマウントディスプレイMXDAノナンジアミンデカンジアミンドデカンジアミンビス(パラアミノシクロヘキシル)メタントリメチルヘキサメチレンジアミン
アジピン酸46D666MXD6
セバシン酸4105106101010
ドデカン二酸6121212PACM12
テレフタル酸4TDT6T9T10T12TTMDT
イソフタル酸DI6I

市販されている、または過去に市販されていたポリマーの例:

  • PA46 DSMスタニル[57]
  • PA410 DSMエコパックス[58]
  • PA4T DSM 4 Tii [59]
  • PA66 デュポンザイテル[60]

これらのポリマーはラクタムまたはアミノ酸から作られています。ラクタム（環状アミド）を用いた合成経路は、 IGファルベン社のポール・シュラックによって開発され、開環重合によってナイロン6、またはポリカプロラクタムが生成されます。カプロラクタム内のペプチド結合が切断され、両側の露出した活性基が2つの新しい結合に組み込まれ、モノマーがポリマー骨格の一部となります。

ナイロン6の融点220℃（428℉）は、ナイロン66の融点265℃（509℉）よりも低い。[61]ホモポリマーナイロンは、1つのモノマーから得られる。

モノマーポリマー
カプロラクタム6
11-アミノウンデカン酸11
ω-アミノラウリン酸12

市販されている、または過去に市販されていたポリマーの例:

  • PA6 ランクセス デュレタンB [62]
  • PA11 アルケマ・リルサン[63]
  • PA12 エボニック ベスタミドL [64]

ナイロン1,6

ナイロンは、酸触媒を用いてジニトリルから合成することもできます。例えば、この方法は、アジポニトリル、ホルムアルデヒド、水からナイロン1,6を合成するのに適用できます。 [65]さらに、この方法を用いてジオールとジニトリルからナイロンを合成することもできます。 [66]

共重合体

ナイロンの製造に使用されるモノマーまたはモノマー群を混合して共重合体を得るのは容易です。これにより結晶性が低下し、結果として融点も低下する可能性があります。

以下に、市販されている、または市販されている共重合体の一部を挙げます。

  • PA6/66 デュポンザイテル[67]
  • PA6/6T BASF ウルトラミッド T (6/6T コポリマー) [68]
  • PA6I/6T デュポン セラー PA [69]
  • PA66/6T デュポンザイテルHTN [68]
  • PA12/MACMI EMS グリルアミドTR [70]

ブレンド

ほとんどのナイロンポリマーは互いに混和性があり、様々なブレンドを作ることができます。2つのポリマーはアミド基転移反応によって反応し、ランダム共重合体を形成します。[71]

結晶度

ポリアミドは結晶度に応じて次のように分類されます。

  • 半結晶性：
    • 高結晶性：PA46 および PA66。
    • 低結晶性：m-キシレンジアミンとアジピン酸から作られたPAMXD6。
  • 非晶質：ヘキサメチレンジアミンとイソフタル酸から作られたPA6I。

この分類によれば、たとえば PA66 は脂肪族半結晶性ホモポリアミドです。

環境への影響

アミドを加水分解してカルボン酸とアミンを生成する一般的な化学反応

すべてのナイロンは加水分解を受けやすく、特に強酸による加水分解は、本質的に合成過程の逆反応です。加水分解を受けたナイロン製品の分子量は低下し、影響を受けた部分には急速に亀裂が生じます。ナイロンの中でも低分子量のもの（ナイロン6など）は、高分子量のもの（ナイロン12など）よりも影響を受けやすいです。つまり、ナイロン部品は、鉛蓄電池の電解液のような硫酸と接触する用途には使用できないということです。

ナイロンを成形する際には、高温の水がポリマーを劣化させる可能性があるため、成形機のバレル内での加水分解を防ぐために乾燥させる必要があります。[72]反応は上記に示されています。

ヨーロッパで生産された場合、カーペット製造におけるナイロンの平均的な温室効果ガス排出量は、1kgあたり5.43kg（CO2換算）と推定されています。これはウールとほぼ同じ炭素排出量ですが、耐久性が高いため、全体的な炭素排出量は低くなります。[73]

PlasticsEuropeが発表したデータによると、ナイロン66の温室効果ガス排出量は1kgあたり6.4kgのCO2換算値、エネルギー消費量は138kJ/kgです。[74]ナイロンの環境影響を考える際には、使用段階を考慮することが重要です。

様々なナイロンは火災で分解し、有害な煙や有毒ガス、あるいは灰を発生させます。これらには通常、シアン化水素が含まれています。ナイロンの製造に使用された高エネルギーを回収するためにナイロンを焼却するのは通常費用がかかるため、ほとんどのナイロンはゴミ捨て場に行き着き、ゆっくりと分解していきます。 [ b]廃棄されたナイロン生地は分解するのに30～40年かかります。[75]漁網などの廃棄された漁具に使用されているナイロンは、海洋ゴミの原因となっています。 [76] ナイロンは丈夫なポリマーであり、リサイクルに適しています。多くのナイロン樹脂は、スプルーとランナーを粉砕し、成形機で消費されるバージン顆粒と混合することで、射出成形機で直接クローズドループリサイクルされます。[77]

ナイロンのリサイクルは非常に高価で困難なため、それを活用している企業は少なく、ほとんどの企業はより安価な新しく製造されたプラスチックを製品に使用することを好んでいます。[76]米国の衣料品メーカー、パタゴニアはリサイクルナイロンを含む製品を製造しており、2010年代半ばには、使用済みの漁網からナイロンをリサイクルしてサングラスやスケートボードの素材として利用するブレオ社に投資しました。[76]イタリアのアクアフィル社も、海に捨てられた漁網を衣料品にリサイクルする実証を行っています。[78]ヴァンデン・リサイクリング社はナイロンやその他のポリアミド（PA）をリサイクルしており、英国、オーストラリア、香港、アラブ首長国連邦、トルコ、フィンランドで事業を展開しています。[79]

ナイロンは現在、住宅用カーペット業界で最も人気のある繊維です。[80]米国環境保護庁（EPA）は、2018年にカーペットの繊維、裏地、詰め物の9.2%がリサイクルされ、17.8%が廃棄物発電施設で焼却され、73%が埋め立て地に廃棄されたと推定しています。[81]世界最大級のカーペット・ラグメーカーの中には、業界の未来像として「ゆりかごからゆりかごへ」、つまりこれまでリサイクルされていなかった素材も含め、未使用素材の再利用を推進しているところもあります。[82] [83]

プロパティ

ナイロンのような熱可塑性プラスチックは、融点T m を超えると非晶質固体または粘性流体となり、鎖はランダムコイルに近い形状になります。T m未満では、非晶質領域と層状結晶の領域が交互に現れます。[84]非晶質領域は弾性に寄与し、結晶領域は強度と剛性に寄与します。平面状のアミド基 (-CO-NH-) は極性が非常に高いため、ナイロンは隣接するストランド間に複数の水素結合を形成します。ナイロン骨格は非常に規則的で対称的であるため、特にアミド結合が全てトランス配置である場合、ナイロンは結晶度が高く、優れた繊維になります。結晶度の程度は、形成の詳細とナイロンの種類によって異なります。

ナイロン66の水素結合（藤色）

ナイロン 66 は、かなりの長さにわたって、正確に 6 個と 4 個の炭素原子の配位間隔で隣接するペプチド結合と整列した複数の平行ストランドを持つことができるため、カルボニル 酸素とアミド水素が一列に並んで、中断することなく鎖間水素結合を繰り返し形成することができる (反対側の図を参照)。 ナイロン 510 は、5 個と 8 個の炭素原子の配位列を持つことができる。したがって、平行 (反平行ではない) ストランドは、拡張された切断されない多重鎖β プリーツ シートに関与することができる。これは、天然シルク フィブロインや羽毛のβ ケラチンに見られるものと類似した強くて丈夫な超分子構造である。 (タンパク質は、連続する -CO-NH- グループを分離するアミノ酸 α 炭素のみを持つ。) ナイロン 6 は、方向性が混在した中断されない水素結合シートを形成するが、β シートのしわは多少異なる。各アルカン炭化水素鎖の三次元配置は、単結合炭素原子の109.47°四面体結合の周りの回転によって決まります。

工業用紡糸口金の細孔から繊維に押し出されると、個々のポリマー鎖は粘性流によって整列する傾向があります。その後、冷間延伸を行うと、繊維はさらに整列し、結晶化度が高まり、材料の引張強度が向上します。実際には、ナイロン繊維は加熱ロールを用いて高速で延伸されることが多いです。[85]

ブロックナイロンは、形成時のせん断 応力により、表面付近を除いて結晶性が低い傾向があります。ナイロンは無色透明、または乳白色ですが、染色が容易です。ナイロンの多重撚りコードやロープは滑りやすく、ほどけやすい傾向があります。これを防ぐには、端部を炎や電極などの熱源で溶かして融着させます。

ナイロンは吸湿性があり、周囲の湿度に応じて水分を吸収または放出します。水分含有量の変化はポリマーにいくつかの影響を与えます。まず寸法が変化しますが、より重要なのは、水分が可塑剤として作用し、ガラス転移温度（Tg ）を低下させ、結果としてTg以下の温度での弾性率が低下することです[86]。

ポリアミドは乾燥すると優れた電気絶縁体となります。しかし、吸湿性があります。吸水すると、電気抵抗など、素材の特性の一部が変化します。ナイロンはウールや綿よりも吸水性が低いです。

ナイロン 66 の特徴は次のとおりです。

  • プリーツや折り目は高温で熱固定できる
  • よりコンパクトな分子構造
  • 耐候性、耐日光性の向上
  • より柔らかい「手」
  • 高融点（256℃（493℉））
  • 優れた色堅牢度
  • 優れた耐摩耗性

一方、ナイロン6は染色しやすく、色褪せしにくく、耐衝撃性が高く、吸湿性が速く、弾力性が大きく、弾性回復力に優れています。

  • 光沢の変化: ナイロンは、非常に光沢のあるもの、半光沢のあるもの、または鈍いものなど、さまざまな光沢を出すことができます。
  • 耐久性: 非常に強い繊維なので、シートベルト、タイヤコード、防弾布などの用途に使用されます。
  • 高伸度
  • 優れた耐摩耗性
  • 高い弾力性（ナイロン生地は熱セットされています）
  • お手入れが簡単な衣服への道を開いた
  • 昆虫、菌類、動物、カビ、腐敗、多くの化学物質に対する高い耐性
  • カーペットやナイロンストッキングに使用
  • 燃える代わりに溶ける
  • 多くの軍事用途で使用されている
  • 優れた比強度
  • 赤外線に対して透明（−12 dB）[87] [説明が必要]

ナイロン製の衣類は綿やレーヨンよりも燃えにくい傾向がありますが、ナイロン繊維が溶けて皮膚に付着する可能性があります。[88] [89]

用途

ナイロンは1938年にナ​​イロン製の 歯ブラシで初めて商業的に使用され、 [4] [21]、その後、女性用のストッキング、または「ナイロン」でより有名になり、 1939年のニューヨーク万国博覧会で展示され、1940年に初めて商業的に販売されました。 [22]生地の需要が劇的に増加した第二次世界大戦中に、ナイロンの使用が劇的に増加しました。

繊維

 これらの使い古されたナイロンストッキングは再加工され、 1942年頃の陸軍飛行士用のパラシュートに作り替えられました。
エマ・ドンブ作、科学史研究所の青いナイロン生地のボールガウン

ビル・ピッテンドリー、デュポン、その他の個人や企業は、第二次世界大戦の最初の数か月間、パラシュートに使用するアジアの絹や麻をナイロンに置き換える方法を見つけるために熱心に取り組んだ。ナイロンはタイヤ、テント、ロープ、ポンチョ、その他の軍需品の製造にも使用された。米国紙幣用の高級紙の製造にも使用された。戦争が始まった時点では、使用・製造された繊維の80%以上を綿が占め、残りはほぼ全てを羊毛繊維が占めていた。1945年8月までに、工業繊維は綿を抜いて市場シェアの25%を占めるまでになった。戦後、絹とナイロンの両方が不足したため、ナイロン製のパラシュート素材がドレスの製造に再利用されることもあった。[90]

ナイロン 6 および 66 繊維はカーペットの製造に使用されます。

ナイロンはタイヤコードに使用される繊維の一種です。ハーマン・E・シュローダーはタイヤへのナイロンの応用を開拓しました。

金型と樹脂

ナイロン樹脂は自動車産業、特にエンジンルームに広く使用されている。[91] [5] : 514 

成形ナイロンは、ヘアコームや機械ネジ、ギア、ガスケット、その他金属で鋳造された低応力から中応力の部品などの機械部品に使用されています。 [92] [93]エンジニアリンググレードのナイロンは、押し出し成形、鋳造、射出成形で加工されます。タイプ 6,6 ナイロン 101 は最も一般的な商用グレードのナイロンであり、ナイロン 6 は成形ナイロンの最も一般的な商用グレードです。[94] [95]スパッジャーなどのツールに使用する場合、ナイロンは、構造強度と衝撃強度および剛性を高めるガラス繊維強化タイプと、潤滑性を高める二硫化モリブデン強化タイプがあります。ナイロンは、ガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維を使用した複合材料のマトリックス材料として使用することができ、このような複合材料は純粋なナイロンよりも密度が高くなります。[96]このような熱可塑性複合材料（ガラス繊維25％～30％）は、吸気マニホールドなどエンジンに隣接する自動車部品に頻繁に使用されており、耐熱性に優れているため、金属に匹敵する材料となっています。[97]

レミントン・ナイロン66ライフルの銃床にはナイロンが使用されていました。[98]現代のグロック・ピストルのフレームはナイロン複合材で作られています。[99]

食品包装

ナイロン樹脂は、酸素バリアが必要な食品包装フィルムの材料として使用されています。[6]ナイロンをベースとした三元共重合体の中には、包装材として日常的に使用されているものもあります。ナイロンは肉の包みやソーセージの皮にも使用されてきました。[100]ナイロンは耐熱性が高いため、オーブンバッグにも適しています。[101]

フィラメント

ナイロンフィラメントは主にブラシ、特に歯ブラシ[4]や糸トリマーに使用されています。また、釣り糸のモノフィラメントとしても使用されています。フィラメントに最も多く使用されているポリマーはナイロン610と612です。

また、そのさまざまな特性により、積層造形材料としても非常に有用であり、具体的には、消費者向けおよびプロ仕様の熱溶解積層法3D プリンターのフィラメントとして有用です。

その他の形態

ナイロン樹脂は棒、チューブ、シート状に押し出すことができる。[5] : 209 

ナイロン粉末は金属の粉体塗装に使用されます。最も広く使用されているのはナイロン11とナイロン12です。 [5] : 53 

1940年代半ば、クラシックギタリストのアンドレス・セゴビアは、あるパーティーで、英国大使館のリンデマン将軍を含む多くの外交官に対し、米国では良質のギター弦、特に彼のお気に入りのピラストロのガット弦が不足していると話した。1ヵ月後、リンデマン将軍はデュポン家から入手したナイロン弦をセゴビアに贈呈した。セゴビアはその弦から明瞭な音が出たものの、かすかに金属的な音色があり、これを除去できればと希望した。[102]ナイロン弦は、1944年1月にオルガ・コエーリョによってニューヨークの舞台で初めて試された。[103] 1946年、セゴビアと弦製作者のアルバート・オーガスティンは、ギター・レビュー誌の編集者で共通の友人であったウラジミール・ボブリの紹介で出会った。セゴビアの関心とオーガスティンの過去の実験に基づき、彼らはナイロン弦の開発に取り組むことを決めた。デュポンはこのアイデアに懐疑的だったが、オーガスティンが実際に弦の開発・製造に取り組むのであれば、ナイロンを供給することに同意した。3年間の開発期間を経て、オーガスティンはナイロン製の第一弦を披露し、その品質はデュポンだけでなく、セゴビアをはじめとするギタリストたちをも感銘させた。[102]しかし、巻弦には多くの問題があった。しかし、様々な種類の金属や平滑化・研磨技術を試した結果、最終的にオーガスティンは高品質のナイロン製巻弦も製造することができた。[102]

参照

注記

  1. ^ 実際、最も一般的なナイロンポリマーは、カダベリンよりも 1 つ多い CH 2グループを持つヘキサメチレンジアミンから作られています。
  2. ^ 通常、80～100%は埋立地またはゴミ捨て場に送られ、18%未満が焼却され、エネルギーが回収されます。Francesco La Mantia著（2002年8月）「プラスチックリサイクルハンドブック」iSmithers Rapra Publishing、19～ページ。ISBN 978-1-85957-325-9。

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  100. ^ コルバート、ジュディ（2013年）『デラウェアで起きた出来事：歴史を形作った注目すべき出来事』（初版）モリス・ブック・パブリッシング、ISBN 978-0-7627-6968-1。
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  102. ^ abc 「クラシックギター弦の歴史」『ギタ​​ーの巨匠たち』。 2015年1月27日閲覧。
  103. ^ ベロー、アレクサンダー（1970年）『ギターの歴史』（図解）ニューヨーク：フランコ・コロンボ社、193ページ。

さらに読む

  • カドルフ、サラ・J. (2007).テキスタイル. ピアソン・プレンティス・ホール. ISBN 978-0-13-118769-6。
  • コーハン、メルビン (1995)。ナイロンプラスチックハンドブック。ミュンヘン：カール・ハンザー・フェルラーク。ISBN 1569901899。
  • 「ナイロン糸の製造方法」『ポピュラーサイエンス』1946年12月号、 132～ 3ページ 。
ウィキメディア・コモンズにはナイロンに関連するメディアがあります。
  • ナイロンの製造、ボブ・バーク、CHEM 1000、カールトン大学、オタワ、カナダ、YouTube
  • ポリアミドナイロンプラスチック
  • ジョセフ・X・ラボフスキーによるナイロン写真とエフェメラのコレクション、科学史研究所デジタルコレクション。（デュポン社におけるナイロンの開発と生産の初期段階に、ウォレス・カロザースの研究助手であったジョセフ・X・ラボフスキーが収集したナイロン関連の写真とエフェメラの高解像度スキャン）。
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