Высокопроизводительные пластмассы
Высококачественные пластики — это пластики , отвечающие более высоким требованиям, чем стандартные или конструкционные пластики. Они дороже и используются в меньших количествах. [1]
Определение
[ редактировать ]Высококачественные пластики отличаются от стандартных пластиков и конструкционных пластиков прежде всего своей температурной стабильностью , а также химической стойкостью и механическими свойствами , объемом производства и ценой .
Существует множество синонимов термина «высокоэффективные пластмассы», например: высокотемпературные пластмассы, высокоэффективные полимеры, высокоэффективные термопласты или высокотехнологичные пластмассы. Название «высокотемпературные пластики» используется из-за их температуры непрерывной эксплуатации (CST), которая по определению всегда выше 150 °C (хотя, как видно выше, это не единственная их особенность).
Термин « полимеры » часто используется вместо «пластмассы», поскольку оба термина используются как синонимы в области техники .
Однако отличие от менее прочных пластиков со временем менялось; хотя нейлон и полиэтилентерефталат изначально считались мощными пластиками, теперь они стали обычными. [2]
История
[ редактировать ]Улучшение механических свойств и термической стабильности было и всегда было важной целью исследования новых пластмасс. С начала 1960-х годов разработка высокоэффективных пластмасс была обусловлена соответствующими потребностями аэрокосмической и ядерной технологии . [3] Синтетические маршруты, например, для PPS , PES и PSU, были разработаны в 1960-х годах компаниями Philips , ICI и Union Carbide . Выход на рынок состоялся в начале 70-х годов. Производство PEEK (ICI), PEK (ICI) и PEI (General Electric и GE) методом поликонденсации было разработано в 1970-х годах. ПЕК предлагался с 1972 года компанией Raychem , однако изготавливался методом электрофильного синтеза. Поскольку электрофильный синтез, как правило, имеет недостаток низкой селективности по отношению к линейным полимерам и использует агрессивные реагенты, продукт может удерживаться на рынке лишь короткое время . По этой причине большая часть высокоэффективных пластмасс в настоящее время производится методами поликонденсации. [2]
В процессах производства методом поликонденсации важна высокая чистота исходных материалов. Кроме того, стереохимия играет роль в достижении желаемых свойств в целом. Поэтому разработка новых высокоэффективных пластмасс тесно связана с разработкой и экономичным производством составляющих мономеров . [2]
Характеристики
[ редактировать ]Высококачественные пластмассы отвечают более высоким требованиям, чем стандартные и конструкционные пластмассы, из-за их более желательных механических свойств, более высокой химической и/или более высокой термостойкости. Особенно последнее затрудняет обработку, часто требующую специализированного оборудования. Большинство высокоэффективных пластиков используются ради одного свойства (например, термостойкости), в отличие от конструкционных пластиков, которые обеспечивают умеренные характеристики в более широком диапазоне свойств. [1] Некоторые из их разнообразных применений включают: трубки для потока жидкости, изоляторы электрических проводов, архитектуру и волоконную оптику. [4]
Высококачественные пластмассы относительно дороги: цена за килограмм может составлять от 5 долларов (PA 46) до 100 долларов ( PEEK ). Среднее значение составляет чуть менее 15 долларов США/кг. [5] Таким образом, высокоэффективные пластмассы примерно в 3–20 раз дороже конструкционных пластиков. [2] Также в будущем нельзя ожидать значительного снижения цен, поскольку инвестиционные затраты на производственное оборудование, трудоемкая разработка и высокие затраты на распространениебудет оставаться постоянным. [5]
Поскольку объемы производства очень ограничены и составляют 20 000 т/год, доля высокопроизводительных пластмасс на рынке составляет всего около 1%. [1] [3]
Среди высокоэффективных полимеров фторполимеры занимают 45% доли рынка (основные представители: ПТФЭ), серосодержащие ароматические полимеры - 20% доли рынка (в основном ППС), ароматические полиарилэфиры и поликетоны - 10% доли рынка (в основном ПЭЭК) и жидкокристаллические полимеры. (ЛКП) 6%. [5] [6] Двумя крупнейшими потребителями высокоэффективных пластмасс являются электротехническая и электронная промышленность (41%) и автомобильная промышленность (24%). Все остальные отрасли (включая химическую промышленность ) имеют долю 23%. [5]
Термическая стабильность
[ редактировать ]Термическая стабильность является ключевой особенностью высокопроизводительных пластмасс. Также механические свойства тесно связаны с термической стабильностью.
Основываясь на свойствах стандартных пластмасс, некоторые улучшения механических и термических свойств уже могут быть достигнуты за счет добавления стабилизаторов или армирующих материалов ( например, стеклянных и углеродных волокон ) или увеличения степени полимеризации . Дальнейшие улучшения могут быть достигнуты за счет замены алифатических звеньев ароматическими. Таким образом достигаются рабочие температуры до 130 °C. Реактопласты (которые не относятся к высокопрочным пластикам, см. выше) имеют аналогичную температурную стабильность — до 150 °C. Еще более высокая рабочая температура может быть достигнута за счет соединения ароматических соединений (например, фенила ) с кислородом (в виде группы дифенилового эфира , например, PEEK), серой (в виде дифенилсульфоновых групп в PES или дифенильной группы , например в PPS) или азота ( имидной группы в PPS). PEI или PAI ). Результирующая рабочая температура может составлять от 200 °C в случае PES до 260 °C в случае PEI или PAI. [7]
Увеличение температурной стабильности за счет введения ароматических звеньев связано с тем, что температурная стабильность полимера определяется его устойчивостью к термическому разложению и стойкостью к окислению . Термическая деградация происходит главным образом за счет статистического разрыва цепи ; деполимеризация и удаление низкомолекулярных соединений играют лишь незначительную роль.
Термоокислительная деградация полимера начинается при более низких температурах, чем просто термическая деструкция. Оба типа деградации протекают по радикальному механизму. [8] Ароматические соединения обеспечивают хорошую защиту от обоих типов деградации, поскольку свободные радикалы могут быть делокализованы через π-систему ароматических соединений и стабилизированы. Таким образом, термическая стабильность значительно увеличивается. поли(п-фенилен) Примером может служить , он состоит исключительно из ароматических соединений и обеспечивает исключительную стабильность даже при температурах выше 500 °C. С другой стороны, жесткость цепей делает ее более или менее непригодной для обработки. Чтобы найти баланс между технологичностью и стабильностью, в цепочку можно включать гибкие звенья (например, O , S , C(CH 3 ) . Ароматические соединения также можно заменять другими достаточно жесткими звеньями (например, SO 2 , CO ). Путем смешивания Эти различные элементы создают разнообразие высокопроизводительных пластмасс с их различными характеристиками. [2]
На практике максимальную термостойкость (около 260 °С) можно получить с помощью фторполимеров (полимеров, в которых атомы водорода углеводородов заменены атомами фтора). [7] Среди них ПТФЭ – 65–70%. наибольшую долю рынка имеет [6] Однако фторсодержащие полимеры непригодны для использования в качестве конструкционного материала из-за плохих механических свойств (малая прочность и жесткость , сильная ползучесть под нагрузкой). [7]
Кристалличность
[ редактировать ]Высокопроизводительные пластмассы, как и все полимеры, можно разделить на аморфные и полукристаллические полимеры. Например, полисульфон (PSU), поли(эфирсульфон) (PES) и полиэфиримид (PEI) являются аморфными ; поли(фениленсульфид) (PPS), полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиэфиркетоны (PEK), однако, являются полукристаллическими .
Кристаллические полимеры (особенно армированные наполнителями) можно использовать даже при температуре стеклования, превышающей их температуру. Это связано с тем, что полукристаллические полимеры помимо температуры стеклования T g T имеют температуру плавления кристаллитов m , которая обычно намного выше. Например, PEEK имеет T g 143 °C, но остается пригодным к использованию до 250 °C ( температура непрерывной эксплуатации = 250 °C). Еще одним преимуществом полукристаллических полимеров является их высокая устойчивость к химическим веществам: ПЭЭК обладает высокой устойчивостью к водным кислотам , щелочам и органическим растворителям . [2]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Ханс-Георг, Элиас (2009). Макромолекулы, Том 4: Применение полимеров (6-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 978-3-5272-9962-1 . Макромолекуле , с. 298, в Google Книгах.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Паркер, Дэвид; Бюссинк, Ян; ван де Грампель, Хендрик Т.; Уитли, Гэри В.; Дорф, Эрнст-Ульрих; Остлиннинг, Эдгар; Рейнкинг, Клаус; Шуберт, Франк; Младший, Оливер (апрель 2012 г.). «Полимеры, высокие температуры». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a21_449.pub3 . ISBN 978-3-527-30673-2 .
- ^ Jump up to: а б Кайзер, Вольфганг (2006). Химия пластмасс для инженеров: от синтеза к применению (2-е изд.). Вайнхайм: Карл Хансер. ISBN 978-3-446-43047-1 . Химия пластмасс , с. 439, в Google Книгах.
- ^ «Различные применения и варианты трубок из фторполимера» . Фторотерм. 15 октября 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с д «Информация KIweb.de Kunststoff» . Проверено 24 января 2014 г.
- ^ Jump up to: а б Кейм, Вильгельм (2006). Пластмассы: Синтез, процессы производства, аппараты (1-е изд.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 3-5273-1582-9 . Химия пластмасс , с. 214, в Google Книгах.
- ^ Jump up to: а б с Уолтер Хеллерих; Гюнтер Харш; Эрвин Баур (2010). Справочник материалов по пластмассам: свойства, испытания, характеристики (10-е изд.). Мюнхен: Карл Хансер Верлаг. ISBN 978-3-446-42436-4 . Руководство по материалам , с. 1, в Google Книгах
- ^ Готфрид В. Эренштейн; Соня Понгратц (2007). Сопротивление пластмасс (6-е изд.). Мюнхен: Карл Хансер Верлаг. ISBN 978-3-446-21851-2 . Долговечность пластмасс , с. 38–47, в Google Книгах.
