Ekstremalnie mocnym i jednym z najsztywniejszych tworzyw termoplastycznych stosowanych w przemyśle jest Acetal powszechnie znany jako PolyOxyMethylene (skrót POM). Acetal występuje w dwóch wersjach, należy o tym powiedzieć na początku, żeby później w trakcie czytania mieć jasność. Zdecydowanie powszechniej używa się kopolimeru. Z pewnością uzależnione jest to od wymaganych kryteriów o których poniżej.
Materiał Acetal był znany na poziomie laboratoryjnym już w roku 1920, i został odkryty przez niemieckiego chemika Hermana Staudingera (źródło). Który badał polimeryzację i strukturę POM, podczas badania makrocząsteczek, które są charakterystyczne dla tego polimeru (z greki „polymeres” – wieloczęściowy, zbudowany z wielu części). Jednak zauważył duże problemy ze stabilnością termiczną. Dlatego POM nie został wówczas skomercjalizowany.
Aż dopiero po 1960r. problem ze stabilnością termiczną tworzywa został rozwiązany. Obecni specjaliści twierdzą, że stabilność procesu tworzenia materiału jest dziś znacznie lepsza niż w momencie wprowadzenia pierwszych wersji tego polimeru. Pierwszą wersją tego tworzywa był homopolimer acetalowy (ang. homopolymers), znany również jako Delrin® firmy DuPont™ (źródło). Około 1952 roku, chemicy i badacze z firmy DuPont zsyntetyzowali POM (co oznacza, że otrzymano coś lepszego w reakcji chemicznej syntezy), i w 1956 roku spółka zgłosiła patent homopolimeru. Firma Du Pont zakończyła budowę fabryki własnej wersji żywicy acetalu o nazwie Delrin w Parkesburg, w stanie Wirginia Zachodnia w 1960 roku. Specyficzną strukturę kopolimeru charakteryzuje to, że każda powtarzająca się jednostka (ang. repeat unit) w każdym pojedynczym łańcuchu polimeru wyglądała jak zaznaczone na czerwono CH2O (powyżej na obrazku Figure 1.).
Kilka lat później, związek acetalowy został wzmocniony, ulepszony i powstał kopolimer acetalowy. Instytucje przetwarzające tego typu tworzywa sztuczne preferują bardziej kopolimery, ponieważ gwarantują większe możliwości modyfikacji i przetwarzania. Acetale są materiałem wysoce krystalicznym, muszą być podgrzewane powyżej temperatury topnienia (homopolimer 175°C, a kopolimer 162°C), żeby mogły być przetwarzane. Temperatura topnienia kopolimeru jest o około 10°C niższa od homopolimeru, dlatego kopolimery mogą być przetwarzane przy niższej temperaturze topnienia.
Z kolei homopolimery mają większy stopień regularności swojego kształtu, dlatego są jeszcze bardziej krystaliczne. Przy tworzeniu nowszej wersji acetalu wykorzystano monomer1, który ma dłuższe wiązania węglowodorowe przez co zwiększył odległość między atomami tlenu w łańcuchu polimeru. Atomy tlenu zawarte w tworzywie są punktami o największej podatności na degradację termiczną i oksydacyjną. Tym samym im mniej atomów tlenu tym bardziej odporny materiał na degradację.
1/ monomer z wikipedii, to cząsteczki tego samego lub kilku różnych związków chemicznych o stosunkowo niedużej masie cząsteczkowej, z których w wyniku reakcji polimeryzacji, mogą powstawać różnej długości polimery.
Struktura tworzywa przez umieszczenie w niej atomów tlenu zwiększa tolerancję materiału na wyższe temperatury topnienia. Wytrzymałość na rozciąganie typowego homopolimeru jest o około 15% większa niż wytrzymałość kopolimeru. Właściwość przydatna na statkach, gdzie pod pokładem temperatury osiągają wysokie noty.
Krótkotrwała wytrzymałość termiczna homopolimeru jest lepsza, bo obecność dodatkowych wiązań węglowodorowych zwiększa odporność na utlenianie. Czyli właściwości na podwyższone temperatury wzmacniają się wraz z dłuższym czasem eksploatacji, a także zwiększona jest wtedy odporność chemiczna, szczególnie w środowiskach kwaśnych i alkalicznych. Modyfikacja materiału polegająca na dodaniu włókna szklanego w strukturze polimeru (poli- wiele, meros- część) powoduje wzrost wytrzymałości kopolimeru o 60%. W większości polimerach dodanie włókna szklanego działa na zasadzie wzmocnienia: zwiększa wytrzymałość i sztywność.
Niektóre polimery, takie jak Nylon, mają w strukturze chemię, która naturalnie dobrze tworzy wiązania ze szkłem, poprawia to znacznie ogólne właściwości. Inne materiały, takie jak Polipropylen, nie mają naturalnego przyciągania do szkła, a zatem do uzyskania tego wiązania wymagana jest pewna modyfikacja polimeru.
Ta modyfikacja jest znana jako sprzęganie lub sprzęganie chemiczne i została zastosowana w kopolimerach acetalowych w celu uzyskania zaobserwowanej poprawy właściwości mechanicznych. Jednak struktura chemiczna homopolimeru sprawia, że sprzęganie jest prawie niemożliwe. W rezultacie włókno szklane działa bardziej jako wypełniacz niż wzmocnienie, co znacznie zwiększa sztywność, ale nie wytrzymałość. Jest to ważne rozróżnienie przy ocenie tych dwóch materiałów.
Kolejną ważną rzeczą, jest niezdolność dzisiejszej technologii do nadawania acetalu właściwości zmniejszających palność. Tradycyjna metoda stosowania halogenowanych systemów FR nie jest możliwa z acetalami ze względu na gwałtowną reakcję tych polimerów na chlorowane lub bromowane substancje. Może w przyszłości ktoś opracuje acetal FR. Ale póki co powinna nas zaspokoić wartości UL94 HB dla wszystkich materiałów acetalowych.
Zalety Acetali:
- wysoka odporność na ścieranie;
- niski współczynnik tarcia;
- wysoka odporność na ciepło;
- dobre właściwości elektryczne i dielektryczne;
- niska absorpcja wody.
Wady Acetali:
- żywice acetalowe są wrażliwe na hydrolizę i utlenianie kwasów, takich jak kwasy mineralne i chlor.
- acetal jest podatny na atak alkaliczny oraz bardzo podatny na degradację w gorącej wodzie. Zarówno homopolimer jak i kopolimer są stabilizowane w celu zapobiegania tego rodzaju degradacji. Więc niski poziom chloru w zapasach wody pitnej (1-3 ppm) może w zupełności wystarczyć aby spowodować pękanie korozyjne oraz rozwijanie się problemu.
Tworzywa acetalowe znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagane są od wyrobów dobre właściwości mechaniczne w szerokim zakresie temperatury, dokładne odtworzenie kształtów i wymiarów, zapewnienie stałości wymiarów, dobre właściwości ślizgowe oraz niewrażliwość na wilgoć i większość chemikaliów organicznych.
Fizyczne właściwości kopolimeru:
- zwiększona odporność na długotrwałe działanie podwyższonej temperatury (znaczna twardość, sztywność i trwałość kształtu przy działaniu temperatury od -60 do + 85°C);
- dobra odporność na pękanie spowodowane działaniem naprężeń (minimalna granica wytrzymałość na rozerwanie w opasce Panduit Dura-Ty™ DTREH-LR0 wynosi 113.40kg);
- wyższa odporność na hydrolizę co za tym idzie mała przepuszczalność pary i gazów;
- mała chłonność wody przez tworzywo, niewielki wpływ wilgotności otoczenia na właściwości dielektryczne (materiał, który cechuje słabe przewodnictwo elektryczne);
- obojętność fizjologiczna (możliwość stosowania w bezpośrednim kontakcie z produktami żywnościowymi);
- odporność na promieniowanie UV oraz na wpływ czynników atmosferycznych uzyskuje się poprzez zastosowanie czarnego zabarwienia;
- palność UL94: HB (Palność Horyzontalna – powolne spalanie horyzontalne powoduje powstanie trójmilimetrowej przytopionej krawędzi, która tworzy się wolniej niż 7,62 cm/min lub jej powstawanie ustaje na długości nie większej jak 12,7 cm. Surowce sklasyfikowane jako HB zaliczane są do surowców samogasnących).
Chemiczne właściwości kopolimeru:
- jest odporny na działanie większości rozpuszczalników organicznych (oprócz związków chlorowcowych);
- kwasy, zasady i związki utleniające atakują go w większym stopniu wraz ze wzrostem temperatury i stężenia.
Istnieje jeden test diagnostyczny do określenia, czy posiadany towar acetalowy został uformowany z homopolimeru lub kopolimeru, test nazywa się TEA (chem. nitrylotrietanol). Stosowany jako dodatek do kosmetyków w celu uzyskania odpowiedniego PH w kosmetyku.
TEA (TriEtAnolamina) jest to bardzo silna substancja. Jeśli próbka homopolimeru zostanie umieszczona w substancji TEA w podwyższonej temperaturze, wtedy rozpuszcza się dość szybko, a kopolimer nie. Jednym z bardzo ważnych zastosowań, w których ta różnica w odporności chemicznej staje się warunkiem koniecznym, jest narażenie na gorącą wodę, szczególnie jeśli woda jest chlorowana (użyteczne przy myciu gorącą wodą pod ciśnieniem urządzeń służących do wyrobów spożywczych). Każde środowisko, w którym długotrwałe używanie w podwyższonej temperaturze jest warunkiem koniecznym, wygra kopolimer, który wytrzymuje warunki atmosferyczne lepiej niż homopolimer.
I bardzo dobrze, bo obecne produkty firmy Panduit wykonane są z kopolimeru acetalowego, czyli uległo to zmianie od 2001r. W katalogu firmy Panduit z 2001r. napisane jest że towary wykonywane były z Delrinu (źródło).
Materiał ten znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, przemyśle elektronicznym ale też w innych:
- przekładnie mechaniczne, elementy prowadzące i przesuwne, elementy konstrukcyjne, sprężyny, łańcuchy, śruby, nakrętki, koła wentylatorów, części pomp, korpusów i zaworów;
- podzespoły elektrotechniczne i elektroniczne (elementy przekaźników i przełączników, części ruchome i łożyska);
- izolatory, szpulki, złącza, części do urządzeń elektronicznych takich jak telewizory, telefony, itp;
- jednostki paliwowe, kierunkowskazy, elektryczne szyby, blokady drzwi, muszle przegubowe;
- protezy zębowe, elastyczne;
- części klejonych modeli;
- zdalnie sterowane zabawki, szczególnie poruszające się ślizgiem;
- inhalatory ciśnieniowe;
- wyroby metalowe, klamki, zawiasy;
- puszki cienkościenne różnych aerozoli;
- akcesoria paintballowe;
- zamki błyskawiczne w odzieży;
- flety, dudy, klawesyn plectra;
- ekspresy do kawy.
Tworzywo Acetal z odpornościami atmosferycznymi (ang. Weather Resistant Acetal) stosowane jest m.in.:
- w główce i taśmie Dura-Ty™ – występują w dwóch przekrojach (Heavy i Extra Heavy) – DTKH-0 (główka) i DTRH-LR0 (taśma) – z 20 letnią gwarancją wytrzymałości na zewnątrz. Istnieje wzór na określenie długości taśmy potrzebnej do użycia:
Średnica wiązki (mm) * 3.14 + 114mm = wymagana długość taśmy
Czyli wymagana określona średnica wiązki pomnożona przez długość Pi + zapas, który gwarantuje wystarczający wymiar. Proste, prawda.
- w uchwycie systemu QuickBuild do stołów montażowych, który omówiłem w poprzednim artykule (link) – WEH-E8-C – od 15.02.2019r. uchwyt będzie wykonany z Nylonu;
- w oznacznikach pojedynczych przewodów elektrycznych różniących się długością – PCA13-C (link).
- Sklep MK Elektronik Panduit taśma acetelowa (link);
- Broszury dotycząca taśmy (link);
- Strona firmy Panduit z zestawem grupy Dura-Ty™ : 10 główek + taśma DTKEH-0 (link).
Dane przedstawione w artykule odpowiadają stanowi mojej wiedzy i mają na celu poinformować o naszych wyrobach i możliwości ich zastosowania.
