Полиоксиметилен - Polyoxymethylene

Полиоксиметилен
Полная структурная формула повторяющегося блока
Модель заполнения пространства полиоксиметиленовой цепи
Имена
Другие имена
Поли (оксиметилен) гликоль; полиметиленгликоль
Идентификаторы
ChemSpider
  • Никто
Характеристики
(CH2O)п
Молярная массаПеременная
ВнешностьБесцветное твердое вещество
Плотность1.41–1.42 г / см3
−9.36×10−6 (SI, в 22 ° C) [1]
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы
Зажимы Keck из полиоксиметилена

Полиоксиметилен (ПОМ), также известный как ацеталь,[2] полиацеталь, и полиформальдегид, это инженерная термопласт используется в прецизионных деталях, требующих высокой жесткости, низкой трение и отличная стабильность размеров. Как и многие другие синтетические полимеры, он производится разными химическими компаниями по несколько разным формулам и продается по-разному под такими названиями, как Делрин, Коцеталь, Ультраформ, Celcon, Рамтал, Duracon, Kepital, Полипенко, и Хостаформ.

ПОМ отличается высокой прочностью, твердостью и жесткостью до −40 ° C. ПОМ по своей природе является непрозрачным белым из-за его высококристаллического состава, но он доступен во всех цветах. ПОМ имеет плотность 1,410–1,420 г / см3.[3]

Типичные области применения литого под давлением POM включают высокопроизводительные инженерные компоненты, такие как малые зубчатые колеса, оправы для очков, шарикоподшипники, лыжные крепления, крепеж, пушки, ручки для ножей и замковые системы. Материал широко используется в автомобильной и бытовая электроника промышленность.

Разработка

Полиоксиметилен был открыт Герман Штаудингер, немецкий химик, получивший в 1953 г. Нобелевская премия по химии.[4] Он изучил полимеризация и структура ПОМ в 1920-е годы при исследовании макромолекулы, которые он охарактеризовал как полимеры. Из-за проблем с термостойкость, ПОМ в то время не продавалось.

Примерно в 1952 году химики-исследователи из DuPont синтезировал версию ПОМ,[5] а в 1956 году компания подала заявку на патентную защиту гомополимер.[6] DuPont считает Р. Н. Макдональда изобретателем высокомолекулярного ПОМ.[7] В патентах Макдональда и его сотрудников описывается получение высокомолекулярного полуацеталь -терминированные (~ O-CH2ОН) ПОМ,[8] но они не обладают достаточной термостойкостью, чтобы быть коммерчески жизнеспособными. Изобретателем термостойкого (и, следовательно, полезного) гомополимера ПОМ был Стивен Даль Ногаре,[9] кто обнаружил, что реакция на полуацеталь заканчивается уксусный ангидрид превращает легко деполимеризуемый полуацеталь в термостойкий, перерабатываемый в расплаве пластик.

В 1960 году компания DuPont завершила строительство завода по производству собственной версии ацеталевой смолы, получившей название Делрин, в Паркерсбург, Западная Вирджиния.[10] Также в 1960 г. Celanese завершил собственное исследование. Вскоре после этого в коммандитном товариществе с Франкфурт твердый Hoechst AG, завод построен в Кельстербах, Гессен; оттуда, Celcon выпускался с 1962 г.,[11] с Хостаформ присоединился к нему год спустя. Оба остаются в производстве под эгидой Celanese и продаются как части группы продуктов, которая теперь называется Hostaform / Celcon POM.

Производство

Для производства гомополимерных и сополимерных версий ПОМ используются различные производственные процессы.

Гомополимер

Сделать полиоксиметилен гомополимер, безводный формальдегид должен быть создан. Основной метод заключается в реакции водного формальдегида со спиртом для создания гемиформный, обезвоживание смеси гемиформал / вода (либо добыча или же вакуумная перегонка ) и высвобождение формальдегида при нагревании гемиформ. Затем формальдегид полимеризуется анионный катализ, и полученный полимер стабилизируется реакцией с уксусный ангидрид. Из-за производственного процесса поперечные сечения большого диаметра могут иметь выраженную пористость по средней линии.[12] Типичный пример - Делрин DuPont.

Сополимер

Полиоксиметилен сополимер заменяет около 1–1,5% -CH2O− группы с −CH2CH2O−.[13]

Сделать полиоксиметилен сополимер, формальдегид обычно превращается в триоксан (конкретно 1,3,5-триоксан, также известный как триоксин). Это делается кислотный катализ (либо серная кислота или кислый ионообменные смолы ) с последующей очисткой триоксана дистилляцией и / или экстракцией для удаления воды и других активных водородсодержащих примесей. Типичными сополимерами являются Hostaform от Celanese и Ultraform из BASF.

В сомономер обычно диоксолан, но окись этилена также можно использовать. Диоксолан образуется в результате реакции этиленгликоль с водным формальдегидом над кислотным катализатором. Также можно использовать другие диолы.

Триоксан и диоксолан полимеризуются с использованием кислотного катализатора, часто эфират трифторида бора, BF3OEt2. Полимеризация может происходить в неполярный растворитель (в этом случае полимер образуется в виде суспензии) или в чистом триоксане (например, в экструдере). После полимеризации кислотный катализатор должен быть деактивирован, а полимер стабилизирован гидролизом в расплаве или растворе для удаления нестабильных концевых групп.

Стабильный полимер компаундируется в расплаве с добавлением термических и окислительных стабилизаторов и, возможно, смазок и различных наполнителей.

Изготовление

ПОМ поставляется в гранулированном виде, и ему можно придать желаемую форму путем приложения тепла и давления. Два наиболее распространенных метода формования: литье под давлением и экструзия. Ротационное формование и выдувное формование также возможны.

Типичные области применения литого под давлением POM включают высокопроизводительные инженерные компоненты (например, зубчатые колеса, лыжные крепления, йойо, крепеж, замковые системы). Материал широко используется в автомобильной промышленности и бытовой электронике. Существуют специальные марки, которые обеспечивают более высокую механическую вязкость, жесткость или низкое трение / износостойкость.

ПОМ обычно экструдируется в виде непрерывных отрезков круглого или прямоугольного сечения. Эти секции можно отрезать по длине и продавать как пруток или лист для обработки.

Обработка

Поставляемый в виде экструдированного прутка или листа, ПОМ может подвергаться механической обработке с использованием традиционных методов, таких как токарная обработка, фрезерование, сверление и т. Д. Эти методы лучше всего использовать там, где экономичность производства не оправдывает затрат на обработку из расплава. Материал легко режется, но требует острых инструментов с большим задним углом. Использование растворимой смазки для резки не обязательно, но рекомендуется.

Листы POM можно аккуратно и точно разрезать с помощью инфракрасного лазера, например, в CO2 лазерный резак.

Поскольку материалу не хватает жесткости, как у большинства металлов, следует проявлять осторожность, чтобы использовать небольшое усилие зажима и достаточную опору для заготовки.

Как и в случае со многими полимерами, обработанный ПОМ может быть нестабильным по размерам, особенно в случае деталей с большими вариациями толщины стенок. Рекомендуется, чтобы такие функции были «спроектированы», например добавив филе или укрепив ребра. Альтернативой является отжиг предварительно обработанных деталей перед окончательной чистовой обработкой. Основное правило заключается в том, что небольшие детали, обработанные из POM, меньше деформируются.

Склеивание

ПОМ обычно очень трудно склеивать, поскольку сополимер обычно хуже реагирует на обычные адгезивы, чем гомополимер.[14] Для улучшения сцепления были разработаны специальные процессы и обработки. Обычно эти процессы включают травление поверхности, обработка пламенем, используя специальную грунтовку / адгезивную систему или механическое истирание.

Типичные процессы травления включают хромовая кислота при повышенных температурах. DuPont использует запатентованный процесс обработки гомополимера ацеталя, называемый сатинизацией, который создает шероховатость поверхности, достаточную для микромеханического сцепления. Есть также процессы с участием кислородной плазмы и коронного разряда.[15][16] Чтобы получить высокую прочность соединения без использования специальных инструментов, обработки или придания шероховатости, можно использовать клей для призм Loctite 401 в сочетании с грунтовкой для призм Loctite 770, чтобы получить прочность соединения ~ 1700 фунтов на квадратный дюйм.[14]

После подготовки поверхности для склеивания можно использовать ряд клеев. К ним относятся эпоксидные смолы, полиуретаны, и цианоакрилаты. Эпоксидные смолы показали 150–1 050 фунтов на квадратный дюйм (1000–7 200 кПа).[14] прочность на сдвиг. Цианакрилаты полезны для приклеивания к металлу, коже, резине, хлопку и другим пластмассам.

Сварка растворителем обычно неэффективен для ацетальных полимеров из-за отличной стойкости ацеталей к растворителям.[17]

Термическая сварка различными методами успешно применяется как для гомополимера, так и для сополимера.[18]

использование

  • Механический шестерни, скользящие и направляющие элементы, детали корпуса, пружины, цепи, винты, гайки, колеса вентилятора, детали насосов, корпуса клапанов.
  • Электротехника: изоляторы, шпульки, разъемы, части для электронных устройств, таких как телевизоры, телефоны, так далее.
  • Автомобиль: датчик уровня топлива, свет / подрулевой переключатель / комбинированный переключатель (включая переключатель света, указатель поворота), электрические стеклоподъемники, системы дверных замков, шарнирно-сочлененные корпуса.
  • Модель: модели железнодорожных частей, таких как тележки (тележки) и поручни (ручки). ПОМ жестче, чем АБС, бывает ярких полупрозрачных цветов и не поддается покраске.
  • Увлечения: радиоуправляемый вертолет основное шасси, шасси, йо-йо, насадки для вейпинга, K'Nex[19] и Т. Д.
  • Медицинские: инсулиновая ручка, дозированные ингаляторы (MDI).
  • Пищевая промышленность: Управление по контролю за продуктами и лекарствами одобрила некоторые марки ПОМ для молочных насосов, кранов для кофе, корпусов фильтров и конвейеров для пищевых продуктов.[20]
  • Мебель: аппаратное обеспечение, замки, ручки, петли., ролики для раздвижных механизмов мебели
  • Конструкция: структурное стекло - подставка для точки
  • Упаковка: аэрозольные баллончики, автомобильные баллоны.
  • Спорт: аксессуары для пейнтбола. Он часто используется для обработки деталей маркеров для пейнтбола, для которых не требуется прочность алюминия, таких как ручки и возвратно-поступательные болты. ПОМ также используется в страйкбольном оружии для уменьшения шума поршня.
  • Лонгбординг Материал: шайба для скользящих перчаток помогает водителю касаться дороги и опираться на руку, чтобы замедлить скорость, остановиться или выполнить трюки.
  • Одежда: молнии.
  • Музыка: выбирает, Ирландские флейты, волынки, практика певцов, клавесин плектра, мундштуки для инструментов, наконечники некоторых барабанных палочек.[21][22]
  • Питание: полностью автоматические кофеварки; рукоятки ножей (особенно складных ножей).
  • Часы: детали механизма (например, Lemania 5100[23]), браслеты для часов (например, IWC Порше Дизайн 3701).
  • Аксессуары для паров / электронных сигарет: материал, из которого изготовлено большинство «капельных наконечников» (мундштуков).
  • Табачные изделия: BIC Group использует Делрин для своих зажигалок.[24]
  • Клавиатура колпачки: Cherry использует POM для своих клавиатур серий G80 и G81.[25]

Деградация

Воздействие хлора на сантехнические соединения ацеталь-смола

Ацетальные смолы чувствительны к кислота гидролиз и окисление такими агентами, как минеральная кислота и хлор. Гомополимер ПОМ также подвержен щелочному воздействию и более подвержен разложению в горячей воде. Таким образом, низкий уровень хлора в питьевой воде (1–3 частей на миллион) может быть достаточным, чтобы вызвать растрескивание под воздействием окружающей среды, проблема, с которой сталкиваются как в США, так и в Европе в системах бытового и коммерческого водоснабжения. Неисправные молдинги наиболее чувствительны к растрескиванию, но нормальные молдинги могут разрушиться, если вода горячая. Как гомополимер, так и сополимер ПОМ стабилизированы для смягчения этих типов разложения.

В химии, хотя полимер часто подходит для большинства изделий из стекла, он может выйти из строя. Примером этого может быть использование полимерных зажимов на горячих участках стеклянной посуды (таких как соединение колба с колонкой, колонка с головкой или головка с конденсатором во время дистилляции). Поскольку полимер чувствителен как к хлору, так и к кислотному гидролизу, он может очень плохо работать под воздействием химически активных газов, особенно хлористый водород. Отказ в последнем случае может произойти из-за, казалось бы, незначительного воздействия на хорошо герметизированные стыки, причем без предупреждения и быстро (компонент расколется или развалится). Это может быть серьезной опасностью для здоровья, так как стекло может расколоться или разбиться. Здесь, PTFE или более подходящим выбором может быть высококачественная нержавеющая сталь.

Кроме того, ПОМ может иметь нежелательные характеристики при сжигании. Пламя не самозатухающее, почти не выделяет дыма, а синее пламя может быть почти невидимым при окружающем свете. Burning также выпускает формальдегид газ, раздражающий ткани носа, горла и глаз.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Wapler, M.C .; Leupold, J .; Dragonu, I .; von Elverfeldt, D .; Зайцев, М .; Уоллрабе, У. (2014). «Магнитные свойства материалов для MR техники, микро-MR и не только». JMR. 242: 233–242. arXiv:1403.4760. Bibcode:2014JMagR.242..233W. Дои:10.1016 / j.jmr.2014.02.005. PMID  24705364. S2CID  11545416.
  2. ^ «MatWeb: ацеталь».
  3. ^ «Ticona MSDS для Hostaform». Архивировано из оригинал на 2011-05-12.
  4. ^ "Нобелевская премия по химии 1953 г.". NobelPrize.org. Получено 8 марта 2016.
  5. ^ Джозеф П. Кеннеди; Уэйн Х. Уоткинс (31 июля 2012 г.). Как изобрести и защитить свое изобретение: Руководство по патентам для ученых и инженеров. Джон Вили и сыновья. С. 194–. ISBN  978-1-118-41009-7.
  6. ^ «История пластмасс». Британская федерация пластмасс. Получено 8 марта 2016.
  7. ^ Главная страница новостей и СМИ - DuPont EMEA
  8. ^ США 2768994 
  9. ^ США 2998409 
  10. ^ Пол С. Пейнтер; Майкл М. Коулман (2008). Основы науки и инженерии полимеров. DEStech Publications, Inc., стр. 313–. ISBN  978-1-932078-75-6.
  11. ^ Кристофер С. Ибех (25 апреля 2011 г.). Термопластические материалы: свойства, методы производства и области применения. CRC Press. С. 473–. ISBN  978-1-4200-9384-1.
  12. ^ «Сравнение ацетальных продуктов: ацеталь и делрин» (PDF). Инженерные пластмассы Lion. Получено 2016-10-01.
  13. ^ «Как максимизировать имущественные преимущества гомополимера DuPont Delrin на ацетале по сравнению с сополимером на ацетале» (PDF). DuPont. 2013. Получено 2016-10-01.
  14. ^ а б c «Руководство по проектированию склеивания пластмасс» (PDF). Получено 22 февраля 2020.
  15. ^ Информация о продукте BASF Ultraform
  16. ^ Сногрен, Р. К. (1974). Справочник по подготовке поверхности. Нью-Йорк: Palmerton Publishing Co.
  17. ^ «Полиоксиметилен». Получено 22 февраля 2020.
  18. ^ "Инженерный уголок Tamshell". Получено 15 сен 2017.
  19. ^ «Опыт Ticona в области полимеров и обработки помогает компании Rodon добиваться успеха, в том числе игрушки K'NEX®». celanese.com. Celanese Corporation. Получено 19 марта 2016.
  20. ^ «Лист, стержень, трубка и аксессуары из ацеталя». Межгосударственный пластик. Межгосударственный пластик. Проверено сентябрь 2015 г.. Проверить значения даты в: | дата доступа = (помощь)
  21. ^ Мерфи, Джо. "Громкий зуммер". неизвестный. Получено 2012-03-17.
  22. ^ Барри, Кеннет. "Мундштуки Saxscape".
  23. ^ "Хронография 4: Лемания 5100".
  24. ^ "BiC® Werbefeuerzeuge für Geschäftskunden". www.bic-feuerzeuge.de (на немецком). Получено 2017-08-14.
  25. ^ «АБС против ПБТ против пластика крышки для ключей из ПОМ». цифровая клавиатура. 2020-01-14. Получено 2020-01-18.

внешняя ссылка