聚甲醛研究簡史
1955年前后美國杜邦公司由甲醛聚合得到甲醛的均聚物。聚甲醛很易結(jié)晶,結(jié)晶度70%以上。均聚甲醛的熔融溫度為180℃左右。
它是繼聚酰胺之后又一種綜合性能優(yōu)良的工程塑料,具有高的力學性能,如強度、模量、耐磨性、韌性、耐疲勞性和抗蠕變性,還具有優(yōu)良的電絕緣性、耐溶劑性和可加工性,是五大通用工程塑料之一。
縮醛聚合物即聚甲醛是由甲醛聚合形成的,它也常稱做聚氧亞甲基(POM)。由甲醛來制備聚合物早在20世紀20年代 就被研究過,但是直到l950年杜邦開發(fā)出Delrin (戴林)以前尚來制得熱穩(wěn)定的材料。均聚物是用非常純的甲醛經(jīng)陰離子聚合制得。形成的聚合物是不溶的。隨著聚合反應(yīng)的進行不斷析出。隨著甲醛選出縮醛樹脂被拉開,于是發(fā)生了熱降解。聚合物的熱穩(wěn)定性可通過端羥基與醋酸酐的酯化來提高。改善熱穩(wěn)定性的另 一個方法是與第二單體:如環(huán)氧乙烷等共聚,其聚物是按陽離子聚合法制備的。
縮醛樹脂的熱降解有四種機理。種是熱或堿催化的鏈解聚;結(jié)果是釋出甲醛,聚合物的端基割閉可減少這種傾向;第二種是氧進攻聚合物的無規(guī)則位萱也導(dǎo)斂解聚,采 用抗氧劑可減少這種降解機理的發(fā)生,共聚也有助于降低這種傾向;第三種機理是縮醛樹脂鏈被酸斷裂。第四種降解是當溫崖超過270℃時發(fā)生熱解聚,這一點很重要,它告誡操作者加工溫度要保持270℃以下,以避免聚合物降解。
縮醛樹脂是高度結(jié)晶的,典型的結(jié)晶度是75%,熔點星180℃。與聚乙烯(PE)相比.由于C—O鍵更短所以分子鏈堆積得更緊密,其結(jié)果是聚合物的熔點更高。高的結(jié)晶度賦予縮醛聚合物以很好的抗溶劑性。聚合物主要是線型.其分子量在20000到110000之間。
縮醛樹脂是強而硬且有良好疲勞性和熱穩(wěn)定性的熱塑性塑料,它電具有低的摩擦系數(shù)和良好的耐熱性以認為縮醛樹脂類似于尼龍,但它的耐疲勞性、耐蠕變性、硬度和耐水性比尼龍更好。但是縮醛樹脂的抗蠕變能力不如聚碳酸酯。如前所述,縮醛樹脂具有優(yōu)異的耐溶劑性,還沒有找到在70℃以下可以溶解縮醛樹脂的有機溶劑;但是它可以在某些溶劑中溶脹。縮醛樹脂對酸、堿和氧化劑敏感。盡管C—O鍵是極性的.但它已被平衡.且極性比尼龍中的羰基小得多,其結(jié)果導(dǎo)致縮醛樹脂具有相對 低的吸濕性。吸附的少量濕氣可能引起溶脹和尺寸變化,但不會導(dǎo)致聚合物水解而降解。濕氣的影響比尼龍聚合物小得多。紫外線光町能會引起聚合物降解,可以通過加入炭黑來降低這種降解。共聚物通常具有和均聚物類似的性質(zhì),但均聚物的力學性能比共聚物稍高一些.其熔點也更高,但其熱穩(wěn)定性和耐堿性比共聚物差。 均聚物和共聚物都是填充填料(玻璃纖維、含氟聚合物、芳族聚酰胺纖維和其他填料)制成增韌級、紫外線光穩(wěn)定級材料。縮醛樹脂與聚氨酯彈性體共混提高其韌性,這些材料都可以在市場上買到。
用于注射成型、注塑成型和擠出成型的縮醛樹脂都可買到。在加工過程中重要的是不要超溫或由于產(chǎn)生甲醛而引起的嚴重超壓。聚合物在關(guān)機前應(yīng)清洗干凈,以免在啟動過程中過熱。縮醛樹脂應(yīng)在干燥的地方儲存。縮醛樹脂的表觀粘度對剪切應(yīng)力和溫度的依賴性比聚烯烴小,但是其熔體 卻具有低彈性和低強度。低的熔體強度是應(yīng)用吹塑成型時存在的一個問題。對吹塑成型來說,帶有支鏈結(jié)構(gòu)的共聚物更適用。結(jié)晶速度很快,模塑后收縮可在成型后的48h內(nèi)完成。由于快速結(jié)晶很難制得透明薄膜。
美國和加拿大1997年縮醛樹脂的市場需求量為3.68億lb。縮醛樹脂的應(yīng)用包括:齒輪、輥筒、管道部件、泵零 件、風扇葉片、吹塑膜制的空氣溶膠容器、模制鏈輪和鎖鏈,它經(jīng)常用以直接取代金屬。縮醛樹脂主要用于注射成型,其次用于擠出板材和棒材。縮醛樹脂的低摩擦系數(shù)使之可用以制造良好的軸承。
聚甲醛理化性質(zhì)
聚甲醛是一種沒有側(cè)鏈,高密度,高結(jié)晶性的線性聚合物,具有優(yōu)異的綜合性能。
聚甲醛是一種表面光滑,有光澤的硬而致密的材料,淡黃或白色,可在-40-100°C溫度范圍內(nèi)長期使用。它的耐磨性和自潤滑性也比絕大多數(shù)工程塑料*,又有良好的耐油,耐過氧化物性能。很不耐酸,不耐強堿和不耐太陽光紫外線的輻射。
聚甲醛的拉伸強度達70MPa,吸水性小,尺寸穩(wěn)定,有光澤,這些性能都比尼龍好,聚甲醛為高度結(jié)晶的樹脂,在熱塑性樹脂中是最堅韌的。具抗熱強度,彎曲強度,耐疲勞性強度均高,耐磨性和電性能優(yōu)良。
聚甲醛應(yīng)用領(lǐng)域
聚甲醛制品
聚甲醛(POM)是一種性能優(yōu)良的工程塑料,在國外有“奪鋼”、“超鋼”之稱。POM具有類似金屬的硬度、強度和鋼性,在很寬的溫度和濕度范圍內(nèi)都具有很好的自潤滑性、良好的耐疲勞性,并富于彈性,此外它還有較好的耐化學品性。POM以低于其他許多工程塑料的成本,正在替代一些傳統(tǒng)上被金屬所占領(lǐng)的市場,如替代鋅、黃銅、鋁和鋼制作許多部件,自問世以來,POM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子電氣、機械、儀表、日用輕工、汽車、建材、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在很多新領(lǐng)域的應(yīng)用,如醫(yī)療技術(shù)、運動器械等方面,POM也表現(xiàn)出較好的增長態(tài)勢。
廣泛用于制造各種滑動、轉(zhuǎn)動機械零件,做各種齒輪、杠桿、滑輪、鏈輪,特別適宜做軸承,熱水閥門、精密計量閥、輸送機的鏈環(huán)和輥子、流量計、汽車內(nèi)外部把手、曲柄等車窗轉(zhuǎn)動機械,油泵軸承座和葉輪燃氣開關(guān)閥、電子開關(guān)零件、緊固體、接線柱鏡面罩、電風扇零件、加熱板、儀表鈕 ;錄音錄像帶的軸承 ;各種管道和農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)以及閥門、噴頭、水龍頭、洗浴盆零件;開關(guān)鍵盤、按鈕、音像帶卷軸;溫控定時器;動力工具,庭園整理工具零件;另外可作為沖浪板、帆船及各種雪撬零件,手表微型齒輪、體育用設(shè)備的框架輔件和背包用各種環(huán)扣、緊固件、打火機、拉鏈、扣環(huán);醫(yī)療器械中的心臟起博器;人造、頂椎、假肢等
用于化工、制藥等化學合成及使用無水甲醛作原料的合成方面。
聚甲醛結(jié)構(gòu)
聚甲醛的分子是一種沒有側(cè)鏈的高密度、高結(jié)晶性的線型聚合物。由于C-O鍵的鍵長小于C-C鍵,因此聚甲醛鏈軸方向的填充密度大。與聚乙烯相比,聚甲醛的碳氧鍵短,內(nèi)聚能密度高,密度大。
按其分子鏈中化學結(jié)構(gòu)的不同,可分為均聚甲醛和共聚甲醛兩種。兩者的重要區(qū)別是:均聚甲醛密度、結(jié)晶度、熔點都高,但熱穩(wěn)定性差,加工溫度范圍窄(約10℃),對酸堿穩(wěn)定性略低;而共聚甲醛密度、結(jié)晶度、熔點、強度都較低,但熱穩(wěn)定性好,不易分解,加工溫度范圍寬(約50℃),對酸堿穩(wěn)定性較好。是具有優(yōu)異的綜合性能的工程塑料。有良好的物理、機械和化學性能,尤其是有優(yōu)異的耐摩擦性能。俗稱賽鋼或奪鋼,為第三大通用塑料。 適于制作減磨耐磨零件,傳動零件,以及化工,儀表等零件。
聚甲醛分子鏈的柔順性大,鏈的結(jié)構(gòu)規(guī)整性高,因而結(jié)晶度高,結(jié)晶能力強。均聚甲醛的結(jié)晶度為75%~85 %,共聚甲醛為70%~75 %,即使快速淬火,結(jié)晶度也能達到65%以上。非晶態(tài)的聚甲醛只有在-100℃時才能得到。
高密度和高結(jié)晶度是聚甲醛具有優(yōu)良勝能的主要原因,如硬度大和模量高,尺寸穩(wěn)定性好,耐疲勞性突出,不易被化學介質(zhì)腐蝕等。盡管聚甲醛分子鏈中C-O鍵有一定的極性,但由于高密度和高結(jié)晶度束縛了偶極矩的運動,從而使其仍具有良好的電絕緣性能和介電性能。
聚甲醛端基中含有半縮醛結(jié)構(gòu)。當加熱至100℃左右時,可從其端基的半縮醛處逐漸解聚,因此其耐熱性較低。當加熱到170℃左右時,可從分子鏈的任何一處發(fā)生自動氧化反應(yīng)而放出甲醛,甲醛在高溫有氧時會被氧化成為甲酸,甲酸對聚甲醛的降解反應(yīng)有自動加速催化作用,因此常在均聚甲醛樹脂中加人熱穩(wěn)定劑、抗氧化劑、甲醛吸收劑等,以滿足成形加工的需要。由于共聚甲醛分子鏈中含有一定量的C-C鍵,它可以阻止聚甲醛分子鏈的氧化降解,因而共聚甲醛比均聚甲醛的熱穩(wěn)定性能要好得多。但是無論是均聚甲醛還是共聚甲醛,在加工和應(yīng)用時應(yīng)充分重視其熱穩(wěn)定性和熱氧穩(wěn)定差的缺點。
聚甲醛性能數(shù)值
強度: 70MPa(屈服)
伸長率: 15%(屈服), 15%(斷裂)
沖擊強度: 108kJ/m2(無缺口), 7.6 kJ/m2(帶缺口)
均聚甲醛的合成一般以甲醛的水溶液在酸的存在下縮合聚合。得到聚合度為100以上的a-聚甲醛,然后將其加熱分解成甲醛氣體,經(jīng)精制和脫水后,通常利用部分預(yù)聚合的方法純化單體,然后通入含少量引發(fā)劑的干燥溶劑中進行聚合。因為水的存在,使分子量顯著降低。引發(fā)劑可用路易斯酸或堿等。但大多用叔胺進行負離子加成聚合,反應(yīng)如下:聚甲醛的端基為半縮醛(—CH2OH),當溫度高于 100℃ 時,端基易斷裂,一般需經(jīng)端基處理使之穩(wěn)定化。穩(wěn)定化處理后可耐熱到230 ℃。多聚甲醛可在 170~200 ℃的溫度下加工,如注射、擠出、吹塑等。主要用作工程塑料,用于汽車、機械部件等。
聚甲醛特性
POM是一種堅韌有彈性的材料,即使在低溫下仍有很好的抗蠕變特性、幾何穩(wěn)定性和抗沖擊特性。POM既有均聚物材料也有共聚物材料。均聚物材料具有很好的延展強度、抗疲勞強度,但不易于加工。共聚物材料有很好的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性并且易于加工。無論均聚物材料還是共聚物材料,都是結(jié)晶性材料并且不易吸收水分。POM的高結(jié)晶程度導(dǎo)致它有相當高的收縮率,可高達到2%~3.5%。對于各種不同的增強型材料有不同的收縮率。
聚甲醛參數(shù)
密度 | g /cm3 | 1.39-1.43 |
吸水率 | % | 0.2 |
連續(xù)使用溫度 | ℃ | -50~105 |
屈服抗拉強度 | MPa | 63 |
屈服拉應(yīng)變 | % | 10 |
極限拉應(yīng)變 | % | 31 |
缺口沖擊韌度 | Kj/㎡ | 6 |
洛氏硬度 |
| 135 |
邵氏硬度 |
| 85 |
彈性模量 | MPa | 2600 |
軟化溫度 | ℃ | 150 |
熱變形溫度HDT | ℃ | 155 |
熱線膨脹系數(shù) |
| 1.1 |
熱導(dǎo)率 | W/(m·K) | 031 |
摩擦系數(shù) |
| 0.35 |
其綜合表現(xiàn)為:耐疲勞強度高;耐磨性好;吸水率低;表面硬度大,剛性好;尺寸穩(wěn)定性好,產(chǎn)品的尺寸精度高;滑動性好。
POM環(huán)境性能
POM不耐強堿和氧化劑,對烯酸及弱酸有一定的穩(wěn)定性。POM的耐溶劑性良好,可耐烴類、醇類、醛類、醚類、汽油、潤滑油及弱堿等,并可在高溫下保持相當?shù)幕瘜W穩(wěn)定性。吸水性小,尺寸穩(wěn)定性好。
聚甲醛導(dǎo)電改性
添加導(dǎo)電性炭黑是制造導(dǎo)電性POM的常用方法,所謂導(dǎo)電性炭黑是指粒徑較小、表面積較大且鎖狀構(gòu)造較多的一類炭黑。
炭黑一般是有各種有機烴類以不燃燒的方法或熱分解的方法制成的,為不溶不熔的微球狀粒子,其表面除孤對電子和芳香環(huán)外,還有醌式羰基及酚式羥基等極性官能團。導(dǎo)電性炭黑的添加量一般為0.5%-20%,若炭黑的導(dǎo)電性較好,則POM的表面電阻率或體積電阻率均可降 低至1×102數(shù)量等級。但由于炭黑表面上極性官能團的作用,往往會造成POM熱穩(wěn)定性下降,進而造成物理力學性能的降低。為克服此缺 點,可采取導(dǎo)電性炭黑和親水性高分子化合物(如PEG)并用的方法,以減少炭黑的使用量,也可以采用添加以甲醛捕捉劑為主的熱穩(wěn)定劑方法,改進體系熱穩(wěn)定性。
與之相比,碳纖維的使用既能使POM的各種性能(包括自潤滑性)有較大的提高,又可達到良好的抗靜電性。如添加20%導(dǎo)電性較好的碳纖維時,POM的表面電阻率和體積電阻率均可達到1×102數(shù)量級。