Poliammidi, il driver del metal replacement

Il termine nylon si riferisce alla classe delle poliammidi sintetiche, in particolare le poliammidi alifatiche; lo stesso termine viene però talvolta usato impropriamente anche per le poliaramidi (Nomex e Kevlar), che però sono poliammidi aromatiche. I dati di mercato di seguito riportati si riferiscono esclusivamente al nylon vero e proprio, cioè quello delle poliammidi alifatiche.

Il nylon 6.6 venne realizzato per la prima volta da W.H. Carothers nel 1935 in un laboratorio Du Pont in USA, e il processo, basato a partire da acido adipico ed esametilendiammina, fu brevettato nel 1937 e commercializzato l’anno successivo.

L’altro tipo importante di nylon, il nylon 6, fu realizzato da IG Farben nel 1938; il processo, brevettato nel 1941; si basa sulla polimerizzazione a stadi a partire da caprolattame.

Il primo utilizzo del nylon fu come fibra: a partire dai primissimi anni ’40 del secolo scorso, l’uso di tale polimero si diffuse rapidamente, con commercializzazione vera e propria su larga scala in Europa e USA, e, successivamente anche negli altri continenti.

La diffusione delle poliammidi in svariate applicazioni è da porre in relazione essenzialmente alle sue eccellenti caratteristiche:

• resistenza a trazione relativamente elevata;
• elevata resistenza alla fatica;
• elevata resistenza all’urto;
• buona resistenza all’usura e alle flessioni ripetute;
• buone caratteristiche antifrizione; queste possono essere ulteriormente esaltate mediante aggiunta di solfuro di molibdeno o di grafite;
• buona tenacità;
• elevata stabilità alla temperatura, da collegarsi al punto di fusione piuttosto elevato: la temperatura di fusione può arrivare, in alcuni tipi di nylon, fino a circa 260°C;
• buone caratteristiche elettriche, buona auto-estinguenza, buon livello di “glow wire” (resistenza al filo incandescente), resistenza alle correnti striscianti;
• buona resistenza chimica: il nylon in generale è resistente a quasi tutti i solventi organici, oli minerali, grassi, carburanti, acidi inorganici se diluiti, alcali forti in concentrazione fino al 20%. Per contro il nylon non resiste ad acido solforico concentrato, soluzioni alcaline forti concentrate, glicoli, cresoli, cloroformio, fenoli; moderata la resistenza nei confronti degli idrocarburi alogenati;
• basso peso specifico;
• deformabilità con ottimo ritorno elastico;
• facilità ad essere sottoposto a processi di tintura anche a temperature relativamente basse;
• resistenza alle macchie e al sudore.

In generale la resistenza meccanica viene aumentata tramite aggiunta di fibre di vetro o di carbonio, che permettono una diminuzione del ritiro e una maggior stabilità dimensionale a caldo.

L’unico vero punto debole del nylon è la sua igroscopicità, che comporta assorbimento di acqua in ambiente umido, con conseguente modificazione delle proprietà del materiale (riduzione delle caratteristiche reologiche e meccaniche), con potenziale fenomeno di idrolisi. In linea di massima si può affermare che l’introduzione di gruppi aromatici nella struttura della poliammide riduce l’assorbimento di umidità e aumenta la rigidità del materiale.

I tipi di nylon più comunemente utilizzati sono i seguenti:

• nylon 6.6 (poliesametilenadipammide): è il tipo che fin dall’inizio è stato più sviluppato, grazie al suo elevato punto di fusione (255 – 265°C), nonché alle sue proprietà di durezza superiore, di facilità di stampaggio su particolari sottili, di elevata resistenza all’abrasione. Viene largamente utilizzato in filatura;
• nylon 6 (policaproammide): facilmente lavorabile, ha un punto di fusione intorno ai 220°C e un’elevata resistenza all’urto. È più morbido del nylon 66; anch’esso trova largo impiego in filatura. Il nylon 6, rispetto al nylon 6.6, ha una minor resistenza al calore, ma presenta alcuni vantaggi: miglior estetica, specialmente in composti rinforzati, più facile colorabilità, e, tradizionalmente, costi più bassi. In realtà, dato che le differenze tra nylon 6 e nylon 6.6 non sono poi così rilevanti, o per lo meno possono essere preferiti l’uno all’altro in base al tipo di impiego, la preferenza per l’uno o per l’altro tipo di nylon varia da regione a regione.

Altri tipi di nylon utilizzati meno frequentemente sono:

• nylon 11 (poliundecanoammide): è caratterizzato da elevata stabilità dimensionale, più basso assorbimento di umidità rispetto ad altri tipi di nylon, ottima resistenza all’invecchiamento, buona resistenza meccanica, all’impatto e all’abrasione, elevata flessibilità, alta resistenza all’idrolisi. Ha un peso specifico leggermente inferiore rispetto a quello del nylon 66 e nylon 6 (1,04 gr/cm3 contro 1,12 – 1,14 gr/cm³ del nylon 66 e nylon 6); è chimicamente molto resistente a basi e acidi deboli e ai solventi organici (in particolare a idrocarburi e cloruro di zinco); è utilizzabile in un ampio intervallo di temperature (da – 60°C fino a + 130°C)
• nylon 12 (polilaurammide): simile al nylon 11 come caratteristiche chimico-fisiche, ha un punto di fusione leggermente inferiore (175 – 180 °C);
• nylon 610 e nylon 612: con punti di fusione intorno ai 210 °C, e caratteristiche intermedie tra quelle dei tipi di nylon sopra citati. Il nylon 610 viene ottenuto a partire da esametilendiammina e acido sebacico; il nylon 6.12 viene ottenuto a partire da lauril-lattame, oppure dall’acido amminododecanoico.

Il mercato

Il consumo mondiale di poliammidi nel 2019 è stato di 8,25 milioni di tonnellate, con un tasso di crescita del 4,0% medio annuo nell’arco degli ultimi dieci anni. Il dato è comprensivo sia del nylon tecnopolimero, sia del nylon fibre (filo + fiocco). In termini di valore il mercato mondiale è valutabile in circa 28 miliardi $.

Attualmente le fibre rappresentano circa il 55% dei consumi globali in quantità (4,53 milioni di tonnellate), mentre il tecnopolimero il restante 45% (3,72 milioni tonnellate).

Il tasso di crescita della domanda di nylon tecnopolimero comunque è stato decisamente superiore al tasso di crescita del nylon fibre nel decennio considerato (vedi figura 1).

Il nylon 6 e il nylon 6.6 insieme rappresentano all’incirca il 97% dei consumi globali di nylon (vedi tabella 1). Il nylon 6 è quello più usato nell’industria tessile – abbigliamento, mentre il nylon 6.6 è quello più usato come engineering plastics in applicazioni industriali a maggior valore aggiunto.

Attualmente l’Asia – Pacifico rappresenta di gran lunga il mercato di maggiori dimensioni, con una quota del 48% sul mercato mondiale (vedi tabella 2); la Cina da sola rappresenta ben il 58,7% dell’intero mercato asiatico (vedi tabella 3) e il 28,1% dell’intero mercato mondiale.

A partire dai primi anni 2000 l’industria delle fibre di nylon si è progressivamente spostata dalle aree occidentali (Nord America ed Europa Occidentale) verso i paesi asiatici: dapprima verso Singapore, Sud Corea e Taiwan, poi soprattutto verso la Cina. Attualmente questo paese è il maggior produttore e consumatore al mondo di nylon 6 e il terzo produttore e consumatore di nylon 6 .6; il maggior utilizzo è nelle fibre di nylon.

Si stima che nell’arco dei prossimi 4 – 5 anni in Cina sarà installata oltre il 50% della capacità mondiale di produzione di nylon, e circa il 32% dei consumi mondiali contro l’attuale 28%. Non solo, ma si stima che nello stesso arco di tempo la quasi totalità dell’aumento delle capacità produttive di nylon sarà concentrato in Cina. La Cina comunque è forte soprattutto nella produzione di nylon 6. Al forte incremento delle produzioni farà ovviamente da complemento una progressiva riduzione delle importazioni, in modo da rendere il paese sempre più autosufficiente nel soddisfare la domanda interna, e, al contempo, anche favorire un aumento delle esportazioni.

Per quanto riguarda invece Nord America ed Europa Occidentale, le produzioni rimarranno pressoché stabili, con consumi in crescita a tassi al di sotto della media mondiale.

Attualmente però, nonostante l’incremento delle capacità produttive globali, si lamenta una carenza di offerta di nylon 6.6, il tipo di nylon più richiesto per applicazioni high tech.

Il Medio Oriente, che pure ha un ruolo importante nella chimica mondiale, non è un grosso produttore di nylon; la capacità produttiva installata in quest’area geografica rappresenta poco meno del 2% della capacità totale installata nel mondo. Attualmente in Medio Oriente c’è una modesta produzione di nylon 6; la regione preferisce piuttosto esportare verso la Cina caprolattame (da cui, per polimerizzazione a stadi, si sintetizza nylon 6). La società Saudi Polymers, primo produttore di nylon 6.6 in Arabia Saudita, avviò la produzione nel 2016, con una consistente fetta della produzione destinata all’esportazione.

Come la maggior parte delle fibre sintetiche, il nylon presenta una serie di vantaggi nei confronti delle fibre naturali, così sinteticamente riassumibili:

• leggerezza;
• resistenza all’usura più elevata;
• non necessita di stiratura;
• asciuga in fretta;
• non si restringe nel corso del lavaggio.

La fibra di nylon può presentarsi sotto forma di filo continuo oppure di fiocco (fibre tagliate corte e attorcigliate insieme a dare il fiocco); trova impiego soprattutto in campo tessile – abbigliamento.

Sotto forma di filo continuo alcuni degli impieghi più significativi sono: produzione di costumi da bagno, collant, abbigliamento sportivo (tute, giacche a vento), borsette, ombrelli e relative fodere, lingerie, oltre che articoli vari per arredamento.

Il fiocco di nylon viene utilizzato, generalmente in mix con fibre naturali (es. lana o cotone), nella produzione di maglieria, calze da uomo, tappeti e tessuti per pavimentazione.

Le fibre di nylon comunque hanno anche un significativo impiego nel settore dell’automotive grazie alla loro estensibilità – elasticità e resistenza all’abrasione: cinghie, cinture, airbag, pneumatici, manicotti, ecc.

Numerosi sono i settori di impiego del nylon tecnopolimero, così raggruppabili per principali voci:

• industria elettrica / elettronica / elettrotecnica: carcasse per utensileria elettrica; collegamenti a spina; corpi per bobine; cassette di distribuzione; lampadine portatili; rivestimento di cavi e conduttori; parti di elettrodomestici (es: aspirapolvere); ecc;
• industria automobilistica e dei trasporti: compositi di nylon sono utilizzati nella produzione di parti e articoli per autoveicoli, quali: pignoni, coppe per olio, filtri per olio, ventole, tubi di aspirazione, boccole, ugelli, tergicristalli, caschi, copriruote, parti di radiatori, pedali acceleratore, porta-specchietti, carcasse per centraline elettroniche, condutture, boccole, alloggiamenti di fanali, frizioni idrauliche, circuiti di raffreddamento, collettori di aria, maniglie di portiere. I compositi in queste applicazioni sono particolarmente apprezzati per le loro eccellenti proprietà meccaniche e di resistenza all’usura;
• articoli di consumo e arredamento: articoli casalinghi vari, oggetti ricreativi (es. giochi istruttivi), articoli decorativi, articoli e mobiletti da giardino, portasapone, bracci per asciugamano, ecc;
• industria meccanica e meccanica fine: pulegge, giunti, ingranaggi, camme, carrucole di guida, viti, catene, elementi di giunzione, cuscinetti a strisciamento, parti di macchine in genere;
• industria dell’imballaggio: film per imballaggio, in particolare per generi alimentari, ma anche per altri settori (es. articoli per uso elettrico). In generale il nylon viene utilizzato accoppiato con altri materiali, quali alluminio e polietilene. Nei film per imballaggio il nylon è particolarmente apprezzato per la sua resistenza agli strappi e all’umidità;
• altri vari: articoli sportivi (es. elementi di attacco per sci), fili da pesca, setole, corde, rubinetti per acqua, mobili e arredamento (es. cerniere per mobili, maniglie per porte e finestre, scocche e schienali di sedie, rivestimenti, tasselli per muro), articoli per calzature, bossoli per posta pneumatica, strumenti chirurgici e materiali da sutura, ecc.

Il settore tessile abbigliamento è prevalente negli impieghi come fibra: come tecnopolimero gli impieghi predominanti sono la componentistica per auto motive e l’industria elettrica / elettronica (vedi tabella 4).

L’evoluzione

Nel delineare le prevedibili evoluzioni della domanda di nylon vanno tenute presenti alcune considerazioni:

• anche se globalmente la produzione mondiale di autovetture è destinata a registrare nell’arco dei prossimi 5 – 6 anni un rallentamento sensibile rispetto agli ultimi dieci anni, è prevista una crescita, anche piuttosto sostenuta, della penetrazione nelle applicazioni nel settore automobilistico, sia del nylon 6 sia del nylon 6.6, in quanto tale materiale, grazie alla sua leggerezza, tende sempre più a sostituire le parti in metallo, contribuendo così alla riduzione del peso del veicolo, e, di conseguenza, ad una diminuzione delle emissioni di CO₂ e, quindi, dell’inquinamento globale. È prevista inoltre una crescita della domanda nell’industria elettronica soprattutto del nylon 6 tecnopolimero. Ancora, il nylon 6 trova crescente applicazione nella produzione di accessori da lavoro grazie alla sua elevata resistenza all’abrasione, alla stabilità dimensionale e resistenza all’impatto; il nylon inoltre ha una buona repellenza nei confronti di polveri e sporcizia, fattore che facilita la manutenzione di tali accessori. Restano infine buone infine le prospettive nel settore del packaging, sempre grazie alla leggerezza del nylon;
• i progressi nelle tecnologie e processi di produzione delle fibre di nylon, che tendono a migliorarne le caratteristiche di comfort (termico, di contatto, ecc), di durabilità, di emissione di odori, ne favoriranno l’utilizzo nel settore tessile – abbigliamento, principale settore di impiego del nylon fibre (soprattutto nylon 6); tuttavia va tenuto presente il generale trend di stagnazione – leggera contrazione dell’industria tessile – abbigliamento nel suo insieme, ad esclusione di alcune aree geografiche (in particolare l’Asia). Nel settore automobilistico, secondo settore di utilizzo delle fibre di nylon (per la produzione di cinture, manicotti, airbag, tessuti di copertoni), continua il processo di sostituzione delle fibre di nylon da parte delle fibre poliestere;

A livello mondiale il consumo globale di poliammidi (comprendendo tutte le tipologie di poliammidi) è previsto in crescita nei prossimi anni ad un tasso medio annuo del 3,8%, per arrivare ad attestarsi a 9,58 milioni di tonnellate nel 2023.

In termini di valore il mercato mondiale è previsto crescere ad un tasso medio annuo del 4,1%, per arrivare ad attestarsi a 32,9 miliardi $ nel 2023. Il tasso di crescita relativamente maggiore in termini di valore è giustificato dal ruolo sempre più importante che vanno assumendo le applicazioni high tech, quindi a costi più elevati, che utilizzano in prevalenza nylon 6.6, e che attualmente già rappresentano la quota più consistente del mercato in termini di valore. Si stima ad esempio che nel 2023 le sole applicazioni di nylon nel settore automotive creeranno un business di circa 10,3 miliardi $.

Le aree geografiche a maggior tasso di crescita saranno ancora quelle “emergenti”, in particolare alcuni paesi asiatici (Cina, India, Indonesia), e diversi paesi dell’Africa sub – sahariana (vedi tabella 5).

La competizione resta alta: l’Asia continuerà a mantenere la sua posizione di predominio come produttore soprattutto nel nylon 6, anche se va registrata una tendenza da parte delle società produttrici occidentali a integrarsi a monte con la produzione di materia prima caprolattame, per contendere il primato cinese; nel nylon 6.6 il predominio tenderà ad essere sempre più a favore di Nord America ed Europa Occidentale.

L’Asia comunque continuerà a rappresentare un elemento di potenziale destabilizzazione del mercato; già in passato si è creata una situazione di turbativa dovuta ad una over-supply di caprolattame, materia prima per l’ottenimento di nylon 6, da parte dell’Asia, che ha portato alla chiusura di alcuni impianti in Europa e Nord America.

Anche la competizione attualmente in atto per la supremazia nel nylon 6.6 tra Occidente e Oriente può creare situazioni di shortage dell’offerta e conseguente oscillazioni del prezzo del nylon.