معرفی ترموپلاستیک پلی استال و بررسی خواص و کاربرد کامپاندهای آن

    امروزه بیش از 70 درصد از ظرفیت تولید POM جهانی در آسیا واقع شده است. بازار تولید این محصول تقریباً سالانه 4.5 درصد در حال رشد و در مجموع حدود 1350 کیلو تن در سال 2018 بوده است. خریداران اصلی، صنایع خودرو و لوازم برقی یا الکترونیکی هستند. پلی‌ اکسی متیلن توسط هرمان اشتودینگر یک شیمی‌دان آلمانی در سال 1920 کشف شد؛ ولی به‌دلیل مشکلات پایداری و حرارتی، این پلیمر در آن زمان تجاری‌سازی نشده بود. این پلیمر برای اولین بار در سال 1956 توسط شرکت آمریکایی دوپونت، به‌صورت هموپلیمر و با نام تجاری Delrin به بازار عرضه شد. پلی‌ استال یک پلیمر مهندسی با محدوده وسیعی از کاربردهاست که خواصی شبیه به فلزات دارد. ماده پلیمری پلی‌ استال با توجه به خواص خستگی و سایشی ویژه، به‌عنوان یک پلیمر صنعتی توانسته است در موارد خاص، جای خالی بعضی از فلزات را در صنایع مختلف به‌ویژه در صنعت خودرو پر کند. این پلیمر خواص بسیار خوبی دارد که خلاء بین پلیمرهای معمولی و فلزات را پر می‌کند [1]. از زمان ورود این پلیمر به صنعت، شاهد کاربردهای وسیع آن در صنایع مختلف نظیر صنایع اتومبیل‌سازی، تجهیزات برقی، ساختمان، الکترونیک و بسیاری از صنایع دیگر بوده‌ایم.

خواص پلی استال (POM)

    پلی اکسی متیلن (POM)، پلی فرمالدهید یا استال، یکی از ترموپلاستیک‌های مهندسی است که دارای مجموعه‌ای از خواص عالی است. پلی­ استال یک پلیمر بسیار کریستالی با عملکرد بالا، اصطکاک عالی، خاصیت سایشی، ثبات ابعادی و پایداری شیمیایی است که همه آن­ها باعث می‌شوند به‌طور گسترده‌ای برای تولید قطعات مکانیکی روان‌کننده در خودرو و صنایع ماشین آلات الکترونیکی و ابزار دقیق مورد استفاده قرار گیرند [2].

جدول 1- ویژگی‌های حرارتی-فیزیکی پلی استال [3]

    به‌دلیل سقف پایین دما، پلی آلدهیدها عموماً در دمای محیط و نیز در دماهای بالا ناپایدار هستند و به‌راحتی دچار گسست پلیمری (de polymerization) می‌شوند. به‌ همین دلیل، اکثر پلی آلدهیدها، مانند پلی (استالدهید) و پلی بوتیرآلدهید، کاربرد تجاری کمی پیدا کرده‌­اند یا اصولاً استفاده‌ای ندارند. در این مورد پلی فرمالدهید یک استثنا است. دمای آن به‌طور قابل ملاحظه‌ای بالاتر از دمای سایر پلی استال‌ها است. دمایی که در آن گسست پلیمری اتفاق می‌افتد را می‌توان با تبدیل گروه‌های پایینی هیدروکسیل با ثبات کمتر به گروه‌های استری پایدار افزایش داد؛ به‌عنوان مثال با واکنش با انیدریدها. این واکنش به‌عنوان انسداد نهایی یا پوشش نهایی نامیده می‌شود. پایداری پلی استال‌ها را می‌توان با کوپلیمریزاسیون با سایر مونومرها نیز بهبود بخشید. روش اصلی کوپلیمریزاسیون حلقه‌ای تریوکسان (تریمر حلقوی فرمالدئید) با مقدار کمی اتر حلقوی (معمولاً اکسید اتیلن یا 3،1- دیوکسولان) است/

شکل 1- مکانیسم تولید کوپلیمر پلی استال

    عیب دیگر پلی استالها پایداری ضعیف UV آنهاست؛ یعنی طولانی شدن اشعه ماوراء بنفش باعث تخریب شده و منجر به تغییر رنگ، شکنندگی و از دست دادن قدرت آن می‌­شود. برای بهبود پایداری اشعه ماوراء بنفش، اغلب تثبیت‌کننده‌های نور آمین و جاذب‌های UV به مخلوط اضافه می‌شوند. برخی رنگ‌دانه‌ها مانند کربن سیاه نیز مقداری محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش را ارائه می‌دهند.

    POM و کوپلیمرهای آن اغلب یک انتخاب عالی برای مصارفی هستند که به اصطکاک کم، تحمل و مقاومت بالا در برابر ضربه و خزش نیاز دارند. می‌توان آن را با تمام روش‌های متداول مورد استفاده برای ترموپلاستیک‌ها پردازش کرد. می‌توان آن را از نظر اقتصادی به قطعات بسیار پیچیده تزریق کرد یا می‌توان آن را روی میله‌ها، لوله‌ها، پروفیل‌ها و ورق‌ها اکسترود کرد که اغلب با ابزارهای برش برای تولید قطعات ماشین‌کاری (با دقت بالا) انجام می‌شوند [3].

کاربرد های پلی اکسی متیلن (POM)

    پلی اکسی متیلن برای کاربردهایی که استحکام و دوام بالای آنها بسیار مهم است، ایده آل است. اجزای POM تزریقی در طیف گسترده‌ای از محصولات پلاستیکی استفاده می شود [4] که در شکل 2 ذکر شده است.

شکل 2- برخی از کاربردهای پلی استال

    پلی اکسی متیلن (POM) که با نام پلی (متیلن اکسید) نیز شناخته می‌شود، یک پلی استال متعلق به خانواده مهندسی ترموپلاستیک (ETPs) است که خواص مکانیکی عالی و مقاومت شیمیایی بالا را از خود نشان می‌دهد. این خواص باعث می شوند POM در طیف گسترده‌ای از بخش‌های صنعت (به‌عنوان مثال خودرو، ماشین‌سازی، برق و الکترونیک) مناسب باشد. میزان سهم هریک از بازارهای موجود در نمودار زیر آورده شده است [5].

شکل 3- تقاضای جهانی پلی استال ومصرف نهایی (%) [5]

گرید های مختلف پلی استال در ایران و سایر کشورها

    گریدهای POM اغلب با درجات مختلف پلیمریزاسیون تولید می‌شوند که منجر به خواص مختلفی برای پاسخگویی به برنامه‌های کاربردی می‌شود. اشکال مختلف رزین‌های POM در زیر مورد بحث قرار گرفته است:

    1. گرید‌های استاندارد/تقویت‌نشده

    2.گریدهای تقویت‌شده: الیاف شیشه، الیاف کربن یا گریدهای POM تقویت‌شده با الیاف کره‌ای شیشه‌ای (hollow glass fiber) بسته به نوع و میزان تقویت پلیمر، مقاومت کششی یا سفتی بالایی را نشان می‌دهند.

    3.درجه تأثیرگذاری و مقاومت بالا: ترکیب رزین‌های POM با لاستیک، TPU و سایر پلیمرها نظیر POE و… منجر به تشکیل مخلوط هایی با مقاومت ضربه بالاتر می‌شود.

    4. گرید با ویژگی لغزش بالا/سایش: اصلاح رزین‌های POM با افزودنی‌هایی مانند گرافیت، PTFE، پرکننده‌های معدنی و غیره باعث افزایش خواص مقاوم در برابر سایش و لغزش می‌شود.

    5.گرید های تثبیت‌شده با اشعه ماوراء بنفش: تثبیت‌کننده‌های ماوراء بنفش، مانند تثبیت کننده‌های نور مانع آمین و جاذب های UV اغلب به رزین‌های POM یا مخلوط های آن برای بهبود پایداری UV اضافه می‌شوند.

    6. نانوکامپوزیت‌ها: از افزودنی‌هایی مانند CNT ،ZnO و غیره برای تولید نانوکامپوزیت های POM استفاده می‌شود.

    7. سایر گریدها: افزودن پودر Al یا برنز، رسانایی الکتریکی یا نقطه اعوجاج حرارتی رزین‌های POM را افزایش می‌دهد. فلوروکربن‌ها منجر به روان‌کاری خوب سطح در پلی استال برای جلوگیری از ترک‌خوردگی می‌شوند.

برخی گریدهای تجاری و تأمین‌کنندگان POM

شکل 4- برخی از گریدهای پلی استال موجود

    POM FM 090: کوپلیمر تزریقی محصول شرکت تایوان و از جمله پرطرفدارترین مواد پلیمری خارجی است. وزن مخصوص آن 1/41 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. دمای ذوب برابر 165 درجه سانتی‌گراد است. شکل ظاهری گرانول شفاف است.

• مشخصات ماده: دارای استحکام کششی بالا و سختی عالی، ارتجاع‌پذیری خوب و مقاومت سایش عالی، جذب رطوبت پایین و مقاومت بالا در برابر آب گرم است.
• کاربرد: می‌توان به صنایعی چون خودروسازی و حمل و نقل، قطعات مکانیکی، لوله‌کشی و آب‌رسانی، دکمه‌ها و بست‌ها، قطعات الکترونیکی و دیگر قطعات تزریقی اشاره کرد.

    پلی استال k300: نوعی رزین کریستالی است که محصول کشور کره جنوبی است. جرم مولی متغیر، شکل ظاهری جامد بی رنگ، دمای ذوب 175 درجه سانتی‌گراد و چگالی آن 1/41 گرم بر سانتی‌‍متر مکعب است. تلفیقی از خواص سختی و سفتی را دارد، همچنین در برابر فشار، خزش و سایش مقاوم است. از پلیمریزاسیون فرمالدهید به‌دست می‌آید. پلیمری گرمانرم کریستالی با استحکام کششی و سختی بالا، ارتجاع‌پذیری خوب، مقاومت سایش عالی و جذب رطوبت پایین است. مقاومت مکانیکی در برابر تنش‌های طولانی‌مدت و مقاومت آب و هوایی دارد.

• کاربردهای پلی اکسی متیلن k300:  این ماده به‌دلیل بالابودن سفتی و ثبات ابعادی در برابرتغییرات دما و نیز پایین بودن اصطکاک سطحی، به‌عنوان پلاستیک صنعتی مناسب در کاربردهای قطعات دقیق به‌کار می‌رود.

    پلی استال POM Atman 709: استیل یا پلی اکسی متیلن که در ایران با نام هوستافورم نیز شناخته می‌شود که شرکت تولید کننده آن آریا توسعه ماندگار نگین است. یک ترموپلاستیک مهندسی نیمه کریستالی برپایه فرمالدهید است که شامل گروه عاملی کربن است که بر گروه‌های OR متصل شده است .این گرید از کوپلیمرهای پلی استال با ویسکوزیته متوسط است و قابلیت شکل‌دهی مناسب و چقرمگی بالا دارد و دارای قابلیت بازیافت است.

    ویژگی‌ها: قدرت مکانیکی خوب، سختی بالا و پایداری دارد، مقاومت در برابر حرارت، اصطکاک، شیمیایی و روغن را نشان می‌دهد و برای شکل دهی با قالب تزریق مناسب است.

    کاربردها: در چرخ‌دنده‌ها ، غلتک‌ها ، اتومبیل‌ها و تجهیزات اداری استفاده می‌شود.

    پلی استال BASF گریدUltraformN2320: محصول شرکت BASF آلمان است و در فرأیند تزریق استفاده می‌گردد.

    کاربرد: تولید چرخ‌دنده‌ها، قطعات خودرو، تجهیزات اداری و… [6]

    ویژگی: مقاومت شیمیایی و حرارتی بالا

جدول 3- پلی استال تقویت‌شده با الیاف شیشه‌ای [6]

نگاهی به آینده

    پلی اکسی متیلن پلیمری است که در هنگام تولید، پردازش و تولید کالاهای نهایی به عوامل زیادی وابسته است. گسترش دانش در مورد اثرات شرایط تولید بر ویژگی‌های محصول، به‌طور قابل توجهی خواص مکانیکی و شیمیایی پلیمر را بهبود می‌بخشد. استفاده از تثبیت‌کننده‌های بهتر و جاذب فرمالدهید که منجر به بهبود خواص عملکردی پلیمر و همچنین افزایش طول عمر محصولات می‌شود، مؤثر است. یکی از جهات بسیار مهم توسعه، بهبود خواص مکانیکی پلیمر است. به احتمال زیاد از طریق آماده‌سازی کامپوزیت‌ها، از جمله نانوکامپوزیت‌ها که نشان‌دهنده قدرت بهتر هستند، ممکن خواهد بود [5].

نویسنده: مریم مومنی

منابع