Полиоксиметилен

Полиоксиметилен (также известный как полиформальдегид, полиацеталь, ПOM) — это инженерный термопластичный полимер, относящийся к классу полиацеталей. Характеризуется высокой механической прочностью, жёсткостью, низким коэффициентом трения, отличной износостойкостью и устойчивостью к воздействию большинства органических растворителей. Полиоксиметилен выпускается в виде гомополимера (ПОМ-Г) и сополимера (ПОМ-С), которые различаются по термостабильности и технологическим свойствам.

История

Впервые полиоксиметилен был синтезирован в 1920-х годах немецким химиком Германом Штаудингером, который изучал полимеризацию формальдегида. Однако полученный материал оказался термически нестабильным и быстро разлагался при нагревании. Практическое применение стало возможным лишь в 1950-х годах, когда американская компания DuPont разработала метод стабилизации гомополимера путём ацетилирования концевых групп. В 1956 году DuPont начала промышленное производство полиоксиметилена под торговой маркой Delrin.

В 1960-х годах конкурирующая компания Celanese (США) совместно с немецкой фирмой Hoechst разработала сополимер полиоксиметилена, который обладал лучшей термической и химической стабильностью. Этот материал получил торговое название Celcon (США) и Hostaform (Европа). В СССР промышленное производство полиоксиметилена было освоено в 1970-х годах, материал выпускался под маркой «СФД» (сополимер формальдегида с диоксоланом).

Химическое строение и получение

Полиоксиметилен представляет собой линейный полимер, состоящий из повторяющихся звеньев —CH₂—O—. Его молекулярная масса обычно составляет от 20 000 до 100 000 г/моль.

Гомополимер

Гомополимер получают полимеризацией формальдегида (CH₂O) в присутствии катализаторов (например, трифторида бора). Для стабилизации концевые гидроксильные группы ацетилируют уксусным ангидридом. Гомополимер имеет более высокую кристалличность (до 80%) и прочность, но менее устойчив к термической деструкции.

Сополимер

Сополимер получают сополимеризацией триоксана (циклического тримера формальдегида) с небольшим количеством (2–5%) сомономера, например, диоксолана или этиленоксида. Сополимер содержит звенья —CH₂—CH₂—O—, которые прерывают цепочку и замедляют деполимеризацию. Благодаря этому сополимер обладает большей термостабильностью и химической стойкостью, хотя его прочность несколько ниже, чем у гомополимера.

Свойства

Полиоксиметилен — это кристаллический полимер (степень кристалличности 60–80%), что определяет его высокие механические характеристики.

Физические свойства

• Плотность: 1,41–1,43 г/см³.
• Температура плавления: 165–175 °C (гомополимер), 160–170 °C (сополимер).
• Температура эксплуатации: от –40 до +100 °C (кратковременно до +140 °C).
• Водопоглощение: низкое (0,2–0,4% за 24 часа).

Механические свойства

• Предел прочности при растяжении: 60–70 МПа.
• Модуль упругости при изгибе: 2500–3000 МПа.
• Твёрдость по Шору D: 80–85.
• Ударная вязкость (по Изоду): 5–10 кДж/м² (с надрезом).

Химическая стойкость

Полиоксиметилен устойчив к воздействию:

• Углеводородов (бензин, масла, жиры).
• Спиртов, эфиров, кетонов.
• Слабых кислот и щелочей.

Нестоек к сильным кислотам (серная, азотная), хлорсодержащим растворителям и длительному воздействию ультрафиолетового излучения. При горении выделяет формальдегид и не поддерживает горение самостоятельно.

Классификация

Полиоксиметилен классифицируют по нескольким признакам:

По типу полимера

• Гомополимер (ПОМ-Г) — более прочный, жёсткий, но менее термостабильный.
• Сополимер (ПОМ-С) — более устойчивый к теплу и химикатам, легче перерабатывается.

По наполнению

• Ненаполненный — базовый материал.
• Наполненный — с добавлением стекловолокна (повышает прочность и жёсткость), PTFE (снижает трение), углеродного волокна (улучшает электропроводность).

По модификации

• Ударопрочный — с добавлением эластомеров.
• Антифрикционный — с добавлением дисульфида молибдена или силикона.
• Пищевой — соответствует требованиям FDA для контакта с продуктами.

Применение

Полиоксиметилен широко используется в машиностроении, автомобилестроении, электротехнике, медицине и производстве товаров народного потребления благодаря сочетанию прочности, износостойкости и низкого трения.

Автомобилестроение

• Топливные системы (клапаны, форсунки, насосы).
• Элементы рулевого управления (шестерни, втулки).
• Крепёжные детали (защёлки, клипсы).
• Механизмы стеклоподъёмников и дворников.

Машиностроение и промышленность

• Подшипники скольжения и направляющие.
• Шестерни, кулачки, ролики.
• Конвейерные ленты и цепные передачи.
• Корпуса насосов и клапанов.

Электротехника и электроника

• Изоляторы и корпуса разъёмов.
• Катушки и шпули для проводов.
• Детали выключателей и реле.

Медицина

• Инструменты для хирургии (рукоятки, зажимы).
• Детали ингаляторов и шприцев.
• Имплантаты (временные, небиоразлагаемые).

Товары народного потребления

• Зубчатые колёса игрушек и моделей.
• Ручки инструментов (ножи, отвёртки).
• Элементы замков и застёжек-молний.
• Детали сантехники (картриджи смесителей).

Переработка

Полиоксиметилен перерабатывается всеми основными методами термопластичной формовки:

• Литьё под давлением — основной метод (температура цилиндра 180–220 °C, температура формы 80–120 °C).
• Экструзия — для получения листов, стержней, труб.
• 3D-печать — используется в виде филамента для FDM-принтеров (требует подогреваемой платформы и закрытой камеры).

При переработке важно избегать перегрева (выше 240 °C), так как это приводит к деполимеризации и выделению токсичного формальдегида. Отходы полиоксиметилена подлежат вторичной переработке, однако из-за склонности к деструкции их обычно используют для производства менее ответственных изделий.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая механическая прочность и жёсткость.
• Низкий коэффициент трения (0,15–0,35 по стали).
• Отличная износостойкость.
• Хорошая обрабатываемость (точение, фрезерование, сверление).
• Устойчивость к большинству растворителей.

Недостатки

• Чувствительность к сильным кислотам и окислителям.
• Низкая устойчивость к УФ-излучению (требует стабилизации).
• Выделение формальдегида при горении и перегреве.
• Относительно высокая усадка при литье (2–3%).
• Ограниченная термостойкость (до 100 °C длительно).

Интересные факты

• Полиоксиметилен часто называют «сталью среди пластмасс» из-за его способности заменять металлы в узлах трения.
• Материал Delrin (DuPont) используется в производстве механических клавиатур для изготовления стабилизаторов и корпусов переключателей.
• В 2015 году компания DuPont выделила бизнес по производству Delrin в отдельную компанию Delrin LLC.
• Полиоксиметилен является одним из немногих пластиков, которые можно точить на токарном станке с получением чистой поверхности без сколов.

Источники

• Штаудингер Г. «Высокомолекулярные органические соединения» (1920-е).
• DuPont. «Delrin: Design Guide» (1956).
• Celanese. «Celcon: Technical Data Sheet» (1962).
• ГОСТ 26996-86 «Полиацетали. Технические условия».
• Encyclopedia of Polymer Science and Technology. John Wiley & Sons, 2004.
• Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. «Физика и механика полимеров». М.: Высшая школа, 1983.