Полисульфоны

Полисульфоны — это класс высокоэффективных термопластичных полимеров, в структуре которых присутствуют сульфоновые группы (-SO₂-), соединённые с ароматическими кольцами. Относятся к группе инженерных пластиков, отличающихся высокой термической и химической стойкостью, а также стабильностью механических свойств в широком диапазоне температур. Ключевыми представителями являются полисульфон (PSU), полиэфирсульфон (PESU) и полифенилсульфон (PPSU).

История

Первые работы по синтезу полисульфонов были проведены в 1960-х годах в США. Компания Union Carbide Corporation (ныне подразделение Dow Inc. — организация, зарегистрированная в США) в 1965 году представила первый коммерческий полисульфон под торговой маркой Udel®. Разработка была направлена на создание материала, способного заменить металлы и стекло в условиях высоких температур и агрессивных сред. В 1970-х годах компания ICI (Великобритания) разработала полиэфирсульфон (Victrex® PES), а в 1980-х — полифенилсульфон (Radel® R). В СССР исследования в этой области велись в Институте элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова АН СССР; промышленное освоение началось в 1980-х годах на опытных производствах. В настоящее время крупнейшими производителями полисульфонов являются компании Solvay (Бельгия), BASF (Германия) и Sumitomo Chemical (Япония).

Химическая структура и свойства

Основу макромолекулы полисульфонов составляет ароматическое ядро, соединённое с сульфоновой группой (-SO₂-) и эфирной связью (-O-). Такая структура обеспечивает жёсткость цепи и устойчивость к термическому разложению. Свойства варьируются в зависимости от типа:

• Полисульфон (PSU) — содержит бифениленовые звенья; температура стеклования (Tg) около 190 °C, длительная рабочая температура до 160 °C.
• Полиэфирсульфон (PESU) — имеет более высокую Tg (около 225 °C) и рабочую температуру до 180 °C; отличается повышенной стойкостью к гидролизу.
• Полифенилсульфон (PPSU) — обладает наивысшей ударной вязкостью среди полисульфонов; Tg около 220 °C, длительная рабочая температура до 180 °C.

Основные физико-химические характеристики

Полисульфоны устойчивы к действию кислот, щелочей, масел и спиртов, но разрушаются под воздействием сильных окислителей (например, концентрированной серной кислоты) и некоторых органических растворителей (ацетон, хлороформ). Материал негорюч (класс V-0 по UL 94), выделяет мало дыма при горении.

Технология производства

Синтез полисульфонов осуществляется методом поликонденсации ароматических диолов (например, бисфенола А) и дихлоридов сульфоновых кислот (например, 4,4′-дихлордифенилсульфона) в присутствии основания (карбоната калия) в полярном апротонном растворителе (диметилсульфоксид или N-метилпирролидон). Реакция протекает при температуре 150–200 °C с выделением хлорида калия. Полученный полимер выделяют осаждением в воду или метанол, затем сушат и гранулируют. Переработка в изделия осуществляется методами литья под давлением, экструзии, вакуумного формования и 3D-печати (FDM). Для улучшения технологичности в состав могут вводиться стабилизаторы, красители и наполнители (стекловолокно, углеродное волокно).

Применение

Благодаря сочетанию высокой температуры эксплуатации, химической стойкости и прозрачности (в тонких слоях) полисульфоны нашли применение в ряде отраслей:

Медицина и здравоохранение

• Многоразовые и одноразовые хирургические инструменты (скальпели, зажимы).
• Детали аппаратов искусственной вентиляции лёгких, гемодиализные мембраны.
• Стерилизационные лотки и контейнеры (выдерживают автоклавирование при 134 °C).

Авиация и космонавтика

• Внутренние панели салонов самолётов (замена металла для снижения веса).
• Электроизоляционные детали (разъёмы, держатели предохранителей).
• Элементы топливных систем (стойкость к авиационному керосину).

Электроника и электротехника

• Корпуса датчиков, реле, выключателей.
• Изоляция высоковольтных проводов (диэлектрическая прочность до 20 кВ/мм).
• Подложки для печатных плат в высокотемпературных устройствах.

Пищевая промышленность

• Детали молокопроводов и пивоваренного оборудования (стойкость к горячей воде и моющим средствам).
• Мерные стаканы и контейнеры для микроволновых печей.

Водоподготовка

• Мембраны для обратного осмоса и ультрафильтрации (полисульфоновые мембраны — основа большинства бытовых фильтров для воды).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая термическая стойкость (до 180 °C длительно).
• Химическая инертность к большинству реагентов.
• Прозрачность (светопропускание до 85% в видимой области).
• Низкое водопоглощение и стабильность размеров.
• Возможность многократной стерилизации (паром, радиацией, этиленоксидом).

Недостатки

• Высокая стоимость (в 2–5 раз дороже поликарбоната или полиамида).
• Чувствительность к ультрафиолетовому излучению (требуется стабилизация).
• Склонность к растрескиванию под напряжением в присутствии некоторых растворителей.
• Ограниченная перерабатываемость (требуются высокие температуры литья — 300–350 °C).

Экологические аспекты

Полисульфоны не поддаются биологическому разложению. Утилизация осуществляется преимущественно термическими методами (сжигание с рекуперацией энергии) или механическим рециклингом (дробление и вторичное использование в качестве наполнителя). Разрабатываются технологии химической переработки (деполимеризация) для получения исходных мономеров. В России действуют нормативы по утилизации полимерных отходов согласно Федеральному закону № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления».

Источники

• Энциклопедия полимеров. Том 2. — М.: Химия, 1974. — С. 456–462.
• Брык М. Т. Полимерные мембраны. — Киев: Наукова думка, 1989. — 248 с.
• ГОСТ Р 56722-2015 «Пластмассы. Полисульфоны. Технические условия».
• Mark H. F. Encyclopedia of Polymer Science and Technology. — 4th ed. — Wiley, 2014. — Vol. 11. — P. 1–45.
• Патент US 3,264,536 (Union Carbide, 1966).