Polyamid 12 – ein anpassungsfähiger Hochleistungswerkstoff

 

100 Jahre Makromolekulare Chemie

Als S. Gabriel und Th. A. Maas im Jahr 1899 ihre Beobachtung zur Gewinnung von Lactam aus Aminocapronsäure beschrieben, [1] ahnten sie noch nicht, dass die braune, zähe und gelatinöse Masse aus ihren Versuchen das Interesse nachfolgender Forscher intensiv erregen und zur Entwicklung der Polymerklasse der Polyamide führen würde. Egal ob in medizinischen Produkten oder in der Ölindustrie - Polyamid 12 finden wir in unterschiedlichen Bereichen.

Was ist Polyamid 12?

Charakteristisch ist die chemische Struktur der Polyamide durch die Amidgruppen (vgl. Abbildung, gekennzeichnet in Blau), die Kohlenwasserstoffreste voneinander trennen und sich regelmäßig in langen Molekülketten wiederholen. Die Amidgruppen können Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten Polymerketten ausbilden und damit das Polymer stabilisieren.[2]

Diese Strukturelemente begründen eine begehrte Kombination von Materialeigenschaften, die im Fall des Polyamids 12 selbst nach mehr als fünfzig Jahren ihrer ersten Produktionsaufnahme eine zunehmende Nachfrage als Werkstoff erfahren.[3]

Was ist das Besondere an Polyamid 12?

Polyamid 12 (PA 12) gehört zu den teilkristallinen Polymeren und lässt sich als Werkstoff thermoplastisch verarbeiten. Dieser zeichnet sich durch verschiedene Eigenschaften aus, zum Beispiel durch gute Abriebbeständigkeit, einen hohen Ermüdungswiderstand bei häufigen Lastwechseln sowie durch eine sehr geringe Wasseraufnahme und eine gute chemische Beständigkeit gegenüber Fetten, Ölen, Lösemitteln, Kraftstoffen, Alkalien und Salzlösungen.[2]

Zudem lässt sich der Stoff gut verarbeiten. Dank seiner Eigenschaften dient PA 12 für Anwendungen, die bei hohen technischen Anforderungen insbesondere Gewichtseinsparungen und Langlebigkeit für ressourceneffiziente Technologieentwicklungen zum Ziel haben.

Während der Polymerisation kann das Molekül in seiner Kettenlänge gesteuert werden. Technisch haben sich Polymerisationsgrade etabliert, die entsprechen der oberen Abbildung ein n von etwa 50 bis 150 aufweisen. Dies erreicht die chemische Industrie einerseits durch Variation der Reaktionszeit – kürzere Reaktionszeiten schlagen sich in kleineren n-Werten nieder – und andererseits mithilfe von so genannten Kettenreglern wie organische Amine oder Carbonsäuren. Je höher die Konzentration der Kettenregler im Reaktionsgemisch, desto kleinere n-Werten des gebildeten Polymers.

PA 12 kann zudem mithilfe von Additive modifiziert werden. Dadurch verändern sich Eigenschaften des Stoffes, sodass er in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz kommt. So tragen Glas- oder Carbonfasern dazu bei, die mechanische Belastbarkeit bei erhöhten Temperaturen zu steigern. Durch zusätzliche Pigmenten kann das Polymer eingefärbt werden. 
Als Kunststoffgranulat, Flocken, in Form von Halbzeuge und Polymerpulvern verarbeitet die Industrie den Werkstoff zu industriellen Fertigprodukten. Eine anschließende Bearbeitung der Halbzeuge und Bauteile ist durch Bohren, Drehen, Fräsen oder Sägen möglich. 
 

Anwendung

Aufgrund seiner hohen Dimensionsstabilität findet PA 12 Einsatz in Präzisionsschläuchen und -rohren. Die besondere Druck- und Schlagfestigkeit prädestiniert das Polyamid im Automobil- und Flugzeugbau für Kraftstoff-, Druckluftbrems-, Hydraulik- bzw. Kühlmittelleitungen.

Die Medizin nutzt spezifisch formuliertes PA 12 für Schläuche und Katheter. Dies ist möglich, da der Kunststoff gegenüber Sterilisationsmaßnahmen beständig ist.

In der Öl- und Gasindustrie eignet sich PA 12 vor allem aufgrund seiner Beständigkeit gegenüber Chemikalien. Hier schützt es Offshore- sowie Onshore-Öl- und Gasleitungen von innen und außen.
 

Darüber hinaus wird PA 12 für Präzisionsspritzgussteile wie beispielsweise für Pumpenräder und Schaltventilgehäuse im Maschinen- und Apparatebau verwendet oder als Aderisolierungen in der Kabelindustrie verarbeitet.

Die besondere mechanische Widerstandsfähigkeit des PA 12 bei niedrigen Temperaturen bietet erhebliche Vorteile für Wintersportausrüstungen wie Abfahrts- oder Langlaufskischuhe oder Skibindungen. Insbesondere bei Skischuhen macht sich die Möglichkeit dünnwandiger Ausführungen in einer spürbaren Gewichtsreduktion für den Sportler positiv bemerkbar.

Pulverförmiges PA12 nutzt die chemische Industrie für hochwertige Sinterüberzüge und Lackadditive. So schützen zum Beispiel PA 12–Wirbelsinterbeschichtungen Körbe in Geschirrspülmaschinen vor Korrosion unter den heißen und alkalisch–wässrigen Bedingungen über viele Jahre. Zudem ist PA 12-Pulver Rohstoff in der additiven Fertigung (3D-Druck).
 

Industrielle Herstellung

Die chemische Industrie stellt PA 12 petrochemisch, aus Erdgas bzw. –öl, her.[2] Ausgehend von Butadien wird über eine metallkatalysierte Cyclotrimerisierung Cyclododecatrien gewonnen. Nach einer Hydrierung und einer anschließenden Oxidation wird aus dem erhaltenen Cyclododecanon das Oxim hergestellt. Über die sogenannte Beckmann-Umlagerung entsteht das Laurinlactam, welches das Ausgangsmolekül für die Herstellung von PA 12 darstellt. 

Ein biobasiertes Verfahren zur Herstellung eines identischen PA 12 nutzt Palmkernöl als Rohstoff. Dabei wird Omega-Aminolaurinsäure, die offenkettige Form des Laurinlactams, in einem biotechnologischen Prozess als Monomer gewonnen und dient dann als Ausgangsstoff.[4] Langfristig ist anzunehmen, dass dieses Verfahren den petrochemischen Prozess ergänzen wird.

Autor: Dr. Frank Weinelt (Evonik Resource Efficiency GmbH)
Redaktionelle Bearbeitung: Lisa Süssmuth, GDCh

[1] S. Gabriel, T. A. Maas, Ber. dt. Chem. Ges. 1899, 32, 1266.

[2] Technische Thermoplaste Handbuch 3/4 Polyamide, Herausgegeben von L. Bottenbruch und R. Binsack, 1998, Carl Hanser Verlag München, Wien.

[3] https://www.arkema.com/en/media/news/news-details/Arkema-announces-a-new-project-to-produce-polyamide-12-in-China-mid-2020/; (zuletzt zugegriffen am 06.11.2019)

[4] https://corporate.evonik.de/de/presse/pressemitteilungen/produkte/pages/article.aspx?articleId=100480. (zuletzt zugegriffen am 06.11.2019)

Die Makromolekulare Chemie feiert in diesem Jahr hundert Jahre. Jeder von uns ist Makromolekülen schon begegnet, zum Beispiel in Form von Kunststoff. Zum Jubiläum zeigen unsere Beiträge dieses Jahr, wo Makromoleküle vorkommen.

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