Полисульфон
Полисульфоны - это семейство высокоэффективных термопластов . Эти полимеры известны своей выносливостью и стабильностью при высоких температурах. Технически используемые полисульфоны содержат арил - SO 2 -aryl субъединицы. Из -за высокой стоимости сырья и обработки полисульфоны используются в специальных приложениях и часто являются превосходной заменой для поликарбонатов .
Три полисульфона используются промышленно: полисульфоновый (PSU), полиэфирсольфоновый (PES/PESU) и полифениленсульфон (PPSU). Они могут использоваться в температурном диапазоне от -100 до +200 ° C и используются для электрического оборудования, в строительстве транспортных средств и медицинских технологиях . [ 1 ] Они состоят из ароматики PAR-связанных , сульфонил групп и эфирных групп , а также частично также алкильных групп . Полисульфоны обладают выдающейся устойчивостью к теплу и окислению, устойчивости к гидролизу к водной и щелочной среде и хорошими электрическими свойствами. [ 2 ]
Номенклатура
[ редактировать ]Термин «полисульфоне» обычно используется для полиарилетерсолфонов (PAE), поскольку используются только ароматические полисульфоны. Кроме того, поскольку эфирные группы всегда присутствуют в этих полисульфонах, PAESS также называют полиэфирными сульфонами (PES), поли (ариленсульфоном) S или просто полисульфоном (PSU).
Производство
[ редактировать ]Исторический
[ редактировать ]Самый простой полисульфоновый поли (фениленсульфон), известный уже в 1960 году, продуцируется в реакции Фриделя Крафта от бензолсульфонилхлорида : [ 3 ]
- N C 6 H 5 SO 2 CL → (C 6 H 4 SO 2 ) N + N HCl
С точкой плавления более 500 ° C продукт трудно обработать. Он демонстрирует привлекательную теплостойкость, но его механические свойства довольно плохие. Полиарилеровные сульфоны (PAE) представляют собой подходящую альтернативу. Подходящие синтетические маршруты для PAE были разработаны почти одновременно, и все же независимо, от 3M Corporation , [ 4 ] Union Carbide Corporation в Соединенных Штатах , [ 5 ] и ICI подразделение Plastics [ 6 ] в Великобритании. Полимеры, обнаруженные в то время, все еще используются сегодня, но создаются другим процессом синтеза.
Первоначальный синтез PAE включал электрофильную ароматическую замену дирильного эфира бис (сульфонилхлорид бензола. Реакции обычно используют катализатор Friedel-Crafts , такой как хлорид железа или пентахлорид сурьмы :
- N O (C 6 H 5 ) 2 + N SO2CL2 → {[O (C 6 H 4 ) 2 ] SO 2 } n + 2n HCl
Этот маршрут осложняется формированием изомеров, возникающих как из, так и из ортоологической замены. Кроме того, наблюдалось сшивание, что сильно влияет на механические свойства полимера. [ 7 ] [ 4 ] Этот метод был заброшен.
Современные методы производства
[ редактировать ]PAE в настоящее время готовятся поликонденсационной реакцией диоксида бис (4 - и хлорфенил) сульфона (DCDP). Сульпоновая группа активирует хлоридные группы в направлении замены. Требуемый дифеноксид производится in situ от дифенола и гидроксида натрия . Когенерированная вода удаляется азеотропной дистилляцией с использованием толуола или хлорбензола ). Полимеризация проводится при 130–160 ° С в инертных условиях в полярном, апритонном растворителе, например, диметилсульфоксид , образуя полиэфирный сопутствующий с элиминацией хлорида натрия :
Бис (4-фторофенил) сульфон может использоваться вместо бис (4-хлорфенил) сульфона. Дифлюорид более реактивный, чем дихлорид, но дороже. Через цепные терминаторы (например, метилхлорид ) длина цепи можно контролировать для обработки расплава.
Дифенол, как правило, бисфенол-а или 1,4-дигидроксибензол . Такая ступенчатая полимеризация требует очень чистой мономера и точной стехиометрии для обеспечения высокомолекулярных продуктов. [ 8 ]
DCDP является предшественником полимеров, известных как Udel (от бисфенола A), PES и Radel R. Udel, является высокоэффективным аморфным сульфоновым полимером, который может сформировать в различные формы. Он является и жестким, и устойчивым к температуре, и имеет применение во всем, от сантехнических труб до картриджей для принтера , автомобильных предохранителей . DCDP также реагируют с бисфенолом S с образованием PES. Как и UDEL, PES-это жесткий и термостойкий материал с многочисленными применениями.
Характеристики
[ редактировать ]Полисульфоны жесткие, высокие и прозрачные. Они также характеризуются высокой прочностью и жесткостью, сохраняя эти свойства между -100 ° C и 150 ° C. Температура стеклянного перехода полисульфонов составляет от 190 до 230 ° C. [ 9 ] Они обладают высокой стабильностью, размер изменяется при воздействии кипящей воды или на 150 ° C или пара, как правило, падает ниже 0,1%. [ 10 ] Полисульфон очень устойчив к минеральным кислотам , щелочкам и электролитам , при рН в диапазоне от 2 до 13. Он устойчив к окислительным агентам (хотя PE со временем ухудшается. [ 11 ] , следовательно, это может быть очищено отбеливателями . Он также устойчив к поверхностно -активным и углеводородов веществам . Он не устойчив к низкополярным органическим растворителям (например, кетоны и хлорированные углеводороды ) и ароматические углеводороды . Механически, полисульфоне обладает высокой сопротивлением уплотнения, рекомендуя его использование под высоким давлением. Он также стабилен в водных кислотах и основаниях и многих неполярных растворителях; Однако он растворим в дихлорметане и метилпирролидоне . [ 8 ]
Полисульфоны учитываются среди высокопроизводительных пластиков . Они могут быть обработаны с помощью литья под давлением , экструзии или горячей формы.
Структурные отношения
[ редактировать ]Поли (ариловый эфирный сульфон) состоит из ароматических групп, эфирных групп и сульфонил групп . Для сравнения свойств отдельных составляющих поли (фениленсульфон) может служить примером, который состоит только из сульфонил и фенильных групп. Поскольку обе группы являются термически очень стабильными, поли (фениленсульфон) имеет чрезвычайно высокую температуру плавления (520 ° C). Тем не менее, полимерные цепи также настолько жесткие, что поли (фениленсульфон) (PAS) разлагаются перед плавлением и, таким образом, не могут быть термопластически обработаны. Следовательно, гибкие элементы должны быть включены в цепи, это делается в форме эфирных групп. Эфирные группы позволяют свободно вращение полимерных цепей. Это приводит к значительно уменьшенной температуре плавления, а также улучшает механические свойства за счет повышенной силы воздействия . [ 7 ] Алкильные группы в бисфеноле также акт также как гибкий элемент.
Стабильность полимера также может быть связана с отдельными структурными элементами: сульфонил группа (в которой сера находится в максимально возможном состоянии окисления ) привлекает электроны из соседних бензольных колец, вызывая дефицит электрона . Следовательно, полимер выступает против дальнейшей потери электронов, что обосновывает высокую устойчивость к окислению. Сульфонил -группа также связана с ароматической системой мезомеризмом и связью, следовательно, усиленной мезомерной энергией. В результате большие количества энергии от тепла или излучения могут поглощаться молекулярной структурой, не вызывая каких -либо реакций (разложение). Результатом мезомеризма является то, что конфигурация особенно жесткая. Основываясь на бифенилсульфонильной группе, полимер, таким образом, является долговечным теплостойким, устойчивым к окислению и до сих пор имеет высокую жесткость даже при повышенных температурах. Эфирная связь обеспечивает (в отличие от эфиров ) устойчивость к гидролизу, а также некоторую гибкость, что приводит к воздействию. Кроме того, эфирная связь приводит к хорошей теплостойкости и лучшему потоку расплава. [ 12 ]
Приложения
[ редактировать ]Полисульфоне имеет одну из самых высоких температур обслуживания среди всех трансформационных термопластов в расплаве. Его сопротивление высоким температурам дает ему роль огнестойкости , не ставя под угрозу его силу, которая обычно возникает в результате добавления огнестойковых загрязняющих веществ. Его высокая стабильность гидролиза позволяет использовать его в медицинских приложениях, требующих автоклавской и паровой стерилизации. Тем не менее, он имеет низкое сопротивление некоторым растворителям и подвергается выветриванию ; Эта нестабильность выветривания может быть смещена, добавив другие материалы в полимер.
Мембраны
[ редактировать ]Polysulfone обеспечивает легкое производство мембран , с воспроизводимыми свойствами и контролируемыми размерами пор до 40 нанометров. Такие мембраны могут использоваться в таких приложениях, как гемодиализ , восстановление сточных вод , обработка пищи и напитков, а также разделение газа. Эти полимеры также используются в автомобильной и электронной промышленности. Фильтрующие картриджи, изготовленные из полисульфоновых мембран, предлагают чрезвычайно высокие скорости потока при очень низком дифференциальном давлении по сравнению с нейлоновой или полипропиленовой средой.
Полисульфона может использоваться в качестве фильтрационной среды в стерилизации фильтров .
Материалы
[ редактировать ]Полисульфоне может быть усилен стеклянными волокнами . Полученный композитный материал в два раза превышает прочность на растяжение и в три раза увеличение модуля его молодых . [ Цитация необходима ]
Топливные элементы
[ редактировать ]Полисульфона часто используется в качестве сополимера . В последнее время сульфонатированные полиэфирсольфоны (SPE) были изучены как многообещающий кандидат на материал среди многих других полимеров на основе ароматических углеводородов для высокопроизводных протонных обменных мембран в топливных элементах. [ 13 ] В нескольких обзорах сообщалось о прогрессе по прочти жизни из многих отчетов по этой работе. [ 14 ] Самая большая проблема для применения SPE в топливных элементах - улучшить его химическую долговечность. В соответствии с окислительной средой SPE могут подвергаться отряду сульфонической группировки и рассеяния основной цепи. Однако последнее является более доминирующим; В качестве механизма разрыва в средней точке и механизм распада был предложен механизм деградации в зависимости от прочности полимерной основы. [ 15 ]
Индустрия общественного питания
[ редактировать ]
Polysulfone Food Pans используются для хранения, отопления и подачи продуктов. Панс изготовлена в соответствии с стандартами Gastronorm и доступны в естественном прозрачном янтарном цвете полисульфона. Широкий диапазон рабочей температуры от -40 ° C до 190 ° C позволяет этим кастрюлям переходить от глубокой морозильной камеры непосредственно к паровому столу или микроволновой печи. Polysulfone обеспечивает непринимающую поверхность для минимальной потери пищи и легкой очистки.
Индустриально релевантные полисульфоны
[ редактировать ]Некоторые промышленные полисульфоны перечислены в следующей таблице:
| Структурная формула | торговое название | Систематическое название | Кассу |
|---|---|---|---|
 |
Поли (ариленсульфон) (PAS) | ||
 |
поли (бисфенол-сульфон) (PSF) | Поли [Oxy-1,4-фениленссульфонил-1,4-фениленокси-1,4-фенилен (1-метилэтилиден) -1,4-фенилен]] | 25135-51-7 |
 Показанная структура неверна (отсутствующая эфирная связь) |
Полиэфирный сульфон (PE) | Поли (Oxy-1,4-фенилсульфонил-1,4-фенил) | 25608-63-3 |
 |
Полифениленсульфоне (PPSU) | 25608-64-4 | |
 |
Полисульфоне (PSU) | Поли (окси-1,4-фениленсульфонил-1,4-фенилен) | 25667-42-9 |
 |
Victrex hta | 121763-41-5 |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Kaiser, Wolfgang (2011). Пластическая химия для инженеров из синтеза для использования [ Химия пластмасс для инженеров от синтеза до применения ] (на немецком языке) (3 -е изд.). Мюнхен: Гансер. п. 461. ISBN 9783446430471 Полем записывать.
- ^ Финк, Йоханнес Карл (2008). Высокоэффективные полимеры . Норвич, Нью -Йорк: Уильям Эндрю. С. 453–481. ISBN 9780815515807 Полем записывать.
- ^ Макромолекулярная химия: учебник для химиков, физиков, материалов и инженеров -процесса . Лехнер, Манфред Д., Герке К., Нордмайер, Экхард. (4 -е, над -тарт и взрослый изд.). Базель [UA]: Birkhäuser. 2010. P. 134. ISBN 9783764388904 Полем OCLC 643841472 .
{{cite book}}: Cs1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Подпрыгнуть до: а беременный Патент GB 1060546 , Ha Vogel, «Полиарилсулфона -полимеры», назначенные Миннесотской Mining & MFG
- ^ Патент GB 1078234 , Алфорд Дж. Фарнхэм, Роберт Н. Джонсон, «Полиарилен полиэфиры», назначенная в Union Carbide Corporation
- ^ Патент ГБ 1153035 , Барр Деннис Артур; Роуз Джон Брюстер, «Производство ароматических полимеров и промежуточных соединений», назначенное ICI Ltd
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный Роуз, JB (июль 1974 г.). «Подготовка и свойства поли (арилен эфир сульфонов)». Полимер . 15 (7): 456–465. doi : 10.1016/0032-3861 (74) 90111-6 .
- ^ Подпрыгнуть до: а беременный Дэвид Паркер, Ян Бусинк, Хендрик Т. Ван де Грэмпел, Гэри В. Уитли, Эрнст-Ульрих Дорф, Эдгар Остлингинг, Клаус Рейкинг, «Полимеры, высокотемпературная» в Ульмане энциклопедии промышленной химии , 2002 года, Вили-В.ч: Вейинхейм. Два : 10.1002/14356007.A21_449
- ^ Справочник по биоматериалам (на немецком языке), Springer Science & Business Media, 1998, p. 283, ISBN 978-0-412-60330-3
- ^ Хи-Гвеон Ву, Хонг Ли (2011), Дополнительные функциональные материалы (на немецком языке), Springer Science & Business Media, p. 23, ISBN 978-3-642-19077-3
- ^ Цехай, Мигана Тилахун; Velizarov, Svetlozar; Ван дер Бругген, Барт (сентябрь 2018 г.). «Стабильность полиэетерфоновых мембран для окислительных агентов: обзор». Деградация и стабильность полимера . 157 : 15–33. doi : 10.1016/j.polymdegradstab.2018.09.004 .
- ^ Пластическое руководство. 3 Технические термопластики 3 Высокопроизводительные пластмассы . Беккер, Герхард В., Беккер Р., Бинзак, Рудольф, Боттенбрух, Людвиг, Браун, Дитрих (1 -е изд.). Мюнхен [UA]: Гансер. 1994. P. 140. ISBN 978-3446163706 Полем OCLC 246423844 .
{{cite book}}: Cs1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Майкл А. Хикнер; Хоссейн Гассеми; Ю Сейнг Ким; Брайан Р. Эйнсла; Джеймс Э. МакГрат (2004). «Альтернативные полимерные системы для протонных мембран (PEMS)». Химические обзоры . 104 (10): 4587–4611. doi : 10.1021/cr020711a . PMID 15669163 .
- ^ Borup, Rod (2007). «Научные аспекты долговечности и деградации топливных элементов полимерного электролита». Химические обзоры . 107 (10): 3904–3951. doi : 10.1021/cr020711a . PMID 15669163 .
- ^ Джимми Лоуренс; Такео Ямагучи (2008). «Механизм деградации сульфонированного поли (арилен -эфирный сульфон) в окислительной среде». Журнал мембранной науки . 325 (2): 633–640. doi : 10.1016/j.memsci.2008.08.027 .
