Высокоэффективные пластмассы - High-performance plastics

Сравнение стандартных пластиков, инженерных пластиков и высококачественных пластиков

Высокоэффективные пластмассы находятся пластмассы которые отвечают более высоким требованиям, чем стандарт или же инженерное дело пластмассы. Они более дорогие и используются в меньших количествах.[1]

Определение

Смотрите также: Пластик § Пластмассы специального назначения

Пластмассы с высокими эксплуатационными характеристиками отличаются от стандартных пластиков и инженерных пластмасс прежде всего своими температурная стабильность, но и их химическая устойчивость и механические свойства, количество продукции и цена.

У термина «высокоэффективные пластмассы» есть много синонимов, таких как: высокотемпературные пластмассы, высокоэффективные полимеры, высокоэффективные термопласты или высокотехнологичные пластмассы. Название «жаропрочные пластмассы» используется из-за их температура непрерывной эксплуатации (CST), которая по определению всегда выше 150 ° C (хотя это не единственная их особенность, как видно выше).

Период, термин "полимеры «часто используется вместо« пластмассы », потому что оба термина используются как синонимы в области инженерное дело. Если используется термин «высокоэффективные термопласты», то это потому, что как стандартные, так и технические, а также высокоэффективные пластмассы всегда являются термопластами. Термореактивные материалы и эластомеры находятся за пределами этой классификации и образуют свои собственные классы.

Однако отличие от менее мощных пластиков со временем изменилось; пока нейлон и полиэтилентерефталат) изначально считались мощными пластиками, теперь они обычные.[2]

История

Улучшение механических свойств и термической стабильности было и всегда было важной целью в исследование новых пластиков. С начала 1960-х годов разработка пластмасс с высокими эксплуатационными характеристиками была обусловлена ​​соответствующими потребностями в аэрокосмический и ядерная технология.[3] Синтетические маршруты например для PPS, PES и БП были разработаны в 1960-х годах Philips, ICI и Union Carbide. В Вход в магазин проходил в начале 70-х гг. Производство PEEK (ICI), PEK (ICI) и PEI (General Electric и GE) через поликонденсация был разработан в 1970-х годах. ПЭК предлагался с 1972 г. Raychem, однако, сделано путем электрофильного синтеза. С электрофильный синтез имеет в целом недостаток низкой селективности к линейный полимеры и использует агрессивный реагенты, продукт может удерживаться на рынок. По этой причине в настоящее время большинство пластиков с высокими эксплуатационными характеристиками производится с помощью процессов поликонденсации.[2]

В производственных процессах путем поликонденсации важна высокая чистота исходных материалов. Кроме того, стереохимия играет роль в достижении желаемых свойств в целом. Таким образом, разработка новых высокоэффективных пластиков тесно связана с разработкой и экономичным производством составляющих ее компонентов. мономеры.[2]

Характеристики

Пластмассы с высокими эксплуатационными характеристиками соответствуют более высоким требованиям, чем стандартные и конструкционные пластики, благодаря своим лучшим механическим свойствам, более высокой химической и / или более высокой термостойкости. Последнее особенно усложняет обработку, зачастую машины необходимы. Например, большинство высокоэффективных пластмасс обладают одним свойством (например, термостойкостью). Таким образом, они контрастируют с инженерными пластиками, выполняя широкий спектр функций.[1] Некоторые из их разнообразных приложений включают: трубопроводы для потока жидкости, изоляторы электрических проводов, архитектуру и волоконную оптику.[4]

Пластмассы с высокими эксплуатационными характеристиками относительно дороги: цена за килограмм может составлять от 5 долларов США (46 долларов США) до 100 долларов США (PEEK). Среднее значение чуть меньше 15 долларов США / кг.[5] Таким образом, высокоэффективные пластмассы примерно в 3–20 раз дороже конструкционных пластмасс.[2] Также в будущем нельзя ожидать значительного снижения цен, поскольку инвестиционные затраты на производственное оборудование, трудоемкая разработка и высокие затраты на сбыт останутся неизменными.[5]

Поскольку объемы производства очень ограничены и составляют 20 000 т / год, высокоэффективные пластмассы занимают долю рынка всего около 1%.[1][3]

Среди высокоэффективных полимеров фторполимеры занимают 45% рынка (основные представители: ПТФЭ), серосодержащие ароматические полимеры - 20% рынка (в основном PPS), ароматические полиарилэфиры и поликетоны - 10% рынка (в основном PEEK) и жидкокристаллические полимеры (LCP) 6%.[5][6] Двумя крупнейшими потребителями высококачественных пластиков являются электротехническая и электронная промышленность (41%) и автомобильная промышленность (24%). Все остальные отрасли (включая химическая индустрия ) имеют долю 23%.[5]

Термостойкость

Термостойкость - ключевая особенность высокоэффективных пластиков. Также механические свойства тесно связаны с термической стабильностью.

Исходя из свойств стандартных пластиков, некоторые улучшения механических и термических характеристик уже могут быть достигнуты путем добавления стабилизаторов или армирующих материалов (стекло и углеродные волокна, например) или увеличением степень полимеризации. Дальнейших улучшений можно достичь за счет замены алифатических звеньев ароматическими. Таким образом достигается рабочая температура до 130 ° C. Термореактивные материалы (которые не относятся к высокоэффективным пластмассам, см. Выше) обладают аналогичной температурной стабильностью до 150 ° C. Еще более высокая рабочая температура может быть достигнута путем связывания ароматических углеводородов (например, фенил ) с кислород (в качестве дифениловый эфир группа е. грамм. PEEK), сера (в качестве дифенилсульфоновые группы в PES или дифенильная группа, например в PPS) или азот (имид группа в PEI или же PAI. Результирующая рабочая температура может составлять от 200 ° C в случае PES до 260 ° C в случае PEI или PAI.[7]

Повышение температурной стабильности за счет включения ароматических звеньев связано с тем, что температурная стабильность полимера определяется его сопротивлением термическое разложение и это стойкость к окислению. Термическая деградация происходит в основном за счет статистический разрыв цепи; деполимеризация и удаление низкомолекулярных соединений играет лишь второстепенную роль.

Термическое окислительное разложение полимера начинается при более низких температурах, чем просто термическое разложение. Оба типа деградации протекают по радикальному механизму.[8] Ароматические углеводороды обеспечивают хорошую защиту от обоих типов разложения, потому что свободные радикалы возможно делокализованный сквозь π-система ароматических и стабилизированных. Таким образом, термическая стабильность сильно увеличивается. Поли (п-фенилен) Например, он состоит исключительно из ароматических углеводородов и обеспечивает исключительную стабильность даже при температурах выше 500 ° C. С другой стороны, жесткость цепи делает его более или менее недоступным. Чтобы найти баланс между технологичностью и стабильностью, в цепочку могут быть включены гибкие блоки (например, О, S, C (CH3). Ароматические углеводороды также могут быть заменены другими довольно жесткими единицами (например, ТАК2, CO ). Путем смешивания этих различных элементов создается разнообразие высококачественных пластиков с различными характеристиками.[2]

На практике максимальная термостойкость (около 260 ° C) может быть достигнута с помощью фторполимеры (полимеры, в которых атомы водорода углеводородов заменены атомами фтора).[7] Среди них, PTFE имеет самую большую долю рынка - 65-70%.[6] Однако фторсодержащие полимеры не подходят для использования в качестве строительный материал из-за плохих механических свойств (низкий сила и жесткость, сильный слизняк под нагрузкой).[7]

Кристалличность

Пластмассы с высокими эксплуатационными характеристиками можно разделить на аморфные и полукристаллические полимеры, как и все полимеры. Например, полисульфон (PSU), поли (эфирсульфон) (PES) и полиэфиримид (PEI): аморфный; поли (фениленсульфид) (PPS), полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэфиркетоны (PEK), однако полукристаллический.

Кристаллические полимеры (особенно армированные наполнителями) можно использовать даже при температуре выше их температуры стеклования. Это связано с тем, что полукристаллические полимеры помимо температуры стекла Tграмм, то температура плавления кристаллита Тм, который в основном расположен намного выше. Например, обладает PEEK a Tграмм 143 ° C, но в любом случае применимо до 250 ° C (температура непрерывной эксплуатации = 250 ° С). Еще одним преимуществом полукристаллических полимеров является их высокая стойкость к химическим веществам: PEEK обладает высокой стойкостью к водным кислотам, щелочам и органическим растворителям.[2]

Рекомендации

  1. ^ а б c Ханс-Георг, Элиас (2009). Makromoleküle, Band 4: Anwendungen von Polymeren (6-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN  978-3-5272-9962-1. Макромолекюле, п. 298, в Google Книги
  2. ^ а б c d е ж Паркер, Дэвид; Бусинк, Ян; ван де Грампель, Хендрик Т .; Уитли, Гэри У .; Дорф, Эрнст-Ульрих; Остлиннинг, Эдгар; Reinking, Клаус; Шуберт, Франк; Юнгер, Оливер (апрель 2012 г.). «Полимеры высокотемпературные». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Дои:10.1002 / 14356007.a21_449.pub3. ISBN  978-3527306732.
  3. ^ а б Кайзер, Вольфганг (2006). Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung (2-е изд.). Вайнхайм: Карл Хансер. ISBN  978-3-446-43047-1. Kunststoffchemie, п. 439, в Google Книги
  4. ^ «Различные применения и варианты фторполимерных трубок». Флюоротерм. 15 октября 2015 г.
  5. ^ а б c d "KIweb.de Kunststoff Information". Получено 2014-01-24.
  6. ^ а б Кейм, Вильгельм (2006). Kunststoffe: Synthese, Herstellungsverfahren, Apparaturen (1-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN  3-5273-1582-9. Kunststoffchemie, п. 214, в Google Книги
  7. ^ а б c Вальтер Хеллерих, Гюнтер Харш, Эрвин Баур (2010). Werkstoff-Führer Kunststoffe: Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte (10-е изд.). Мюнхен: Карл Хансер Верлаг. ISBN  978-3-446-42436-4.CS1 maint: использует параметр авторов (связь) Веркстофф-фюрер, п. 1, на Google Книги
  8. ^ Готфрид В. Эренштейн, Соня Понграц (2007). Beständigkeit von Kunststoffen (6 изд.). Мюнхен: Карл Хансер Верлаг. ISBN  978-3-446-21851-2.CS1 maint: использует параметр авторов (связь) Beständigkeit von Kunststoffen, п. 38-47, в Google Книги