基于工程塑料聚甲醛的生产及其应用探讨

基于工程塑料聚甲醛的生产及其应用探讨

霍书娟

运城学院应用化学系 山西省运城市 044000

摘要：聚甲醛（POM）作为一种比较常见的工程塑料，其结晶性及规整的分子结构，促使其有着优异的物理机械性能，当前，其已经成功替代多种金属材料（如铝、酮等），并且在电子电器、汽车及工业机械等领域中得到广泛应用。本文首先简要分析了聚甲醛的生产工艺及当前的技术进展，从多方面剖析了其改性应用，望能为此领域应用研究提供些许借鉴。

关键词：聚甲醛；生产；应用

聚甲醛（POM）又被称之为“聚氧化次甲基”，是一种热塑性树脂，分子主链当中含有（-CH₂O-）链节，主要可分为均聚甲醛（即甲醛或者三聚甲醛的均聚体）与共聚甲醛（环状三聚甲醛与少量五环的共聚体）这两类；其即便在温度较高的环境中，也有较好的硬度、弹性模数、机械性能及刚性，具有“塑料中的金属”这一称呼；尤其是在耐疲劳性能上，疲劳强度能够达到27.4×107 MPa，现今以在诸如汽车、电子、机械等行业中得到普遍应用，成为汽车仪表、齿轮等零部件的合金替代物。本文就其生产及应用探讨如下。

1.聚甲醛的生产工艺及技术进展分析

1.1均聚甲醛

1959年，杜邦公司率先发明了均聚甲醛，由异辛醇与甲醛溶液之间发生反应，经热裂解、脱水等处理，形成精制甲醛，后基于催化剂作用下，实施液相聚合，最后用醋酐进行酯化封端。需指出的是，均聚甲醛有着比较高的结晶度，以及比较窄的分子量分布；其产品的熔点是170~185℃，相对密度为1.4，刚性突出，拉伸强度为68.9MPa，单位质量的拉伸强度与钢材相接近，但比黄铜、锌高，且有较好的蠕变性、耐疲劳强度及耐磨性，而且还有着较小的摩擦系数，但也有不足之处，即不耐酸碱，有着较差的热稳定性。现阶段，均聚甲醛的产量在整个聚甲醛中的比重达20%。

1.2共聚甲醛

1960年，美国Celanese公司首次发明了共聚甲醛，且在2年后实现工业化生产，在此之后，德国合资公司Hoechst-Celanese、日本的宝理公司及美国BASF均将其投入生产。针对共聚甲醛的分子主链而言，多为（-CH₂O-）链节，其中含掺杂有一些（-C4H8O-）链节或者是（-CH2CH2O-）。实际就是三聚甲醛与一些环氧乙烷或者二氧五环，经本体连续共聚合端基而形成的大分子（羟基乙基醚或者甲氧基醚结构）。随后宝理、宇部兴产公司、旭化成公司、巴斯夫公司等均各自改进了传统的合成过程，且形成了专属自身的技术特点，比如宇部兴产公司在聚合时采用的是气相法。旭化成公司通过甲缩醛氧化，成功合成了浓度达到70%的甲醛。由于共聚甲醛结构当中融合了一些环氧乙烷或者二氧五环，在其主链上含有一些比较典型的-C-C-键结构，能够将自由基降解阻断，以此促进其稳定性的提升。但需指出的是，相比于均聚POM，其分子链有着更差的结构对称性，较低的结晶度，熔融温度通常是165℃。

2.聚甲醛的改性分析

2.1聚甲醛的增强

聚甲醛尽管是一种有着较好综合性能的工程塑料，但为了能够最大化改善其刚性、耐热性、尺寸稳定性及耐疲劳性等，通常会对其实施复合增强处理，以此来更好的满足各种特殊用途的需要。在聚甲醛复合增强过程中，主要用到了滑石粉、碳纤维、长短玻璃纤维等填料。

长纤维增强POM（Hoechst公司开发）的落标冲击强度，通常是传统纤维增强聚甲醛的8倍，该公司相继推出了2种玻璃纤维增强聚甲醛（25%），其有着最高的强度，另外，拉伸强度为128MPa，且耐低温性、耐磨性、低摩擦性及热性能皆好，经常用作有着严格性能要求的零部件，比如泵叶轮、车窗升降摇柄及燃油系统零件等。

采用酞酸钾晶增强POM时，单独添加，能够提高材料的热变性、刚性及拉伸强度，且还能使材料得到更好的表面平滑性、耐磨性；而当配合其它润滑剂进行添加时，有助于自润滑POM品级在刚性、强度方面的提升，使其能够在满足强度、摩擦磨损特性等方面要求的条件下使用。现阶段，在对酞酸钾晶进行使用前，需增强POM的产品为KT20（宝理公司）、GW757（旭化成公司）及FT2020（三菱瓦斯化学公司）等。

2.2聚甲醛的增韧

因POM有着比较高的洁净度（通常为70~85%），比较大的结晶晶粒，以及比较低的缺口冲击强度，断裂方式通常为脆性方式。当前，主要采用两种方法来改善或优化POM的冲击韧性，其一为刚性粒子增韧，其二是弹性体增韧。

针对弹性体增韧POM而言，其实为一种比较基础性的增韧方法。由于热塑性弹性体模量较低，容易挠曲，在塑料基体当中当作应力集中体系，引发基体的银纹化与剪切屈服，使机体出现脆-韧转变，促进材料热性的提升。对增韧效果造成影响的因素包含相邻粒子之间的距离、橡胶粒子的大小等。比较常用的有硅橡胶、热塑性聚氨酯（PUR-T）等。

2.3聚甲醛的耐磨改性

POM有着比较规整的分子结构，比较高的结晶度，比较大的表面硬度，在摩擦滑动时，其大分子容易沿着摩擦方向取向而强大，有着比较大的键能，及比较高的分子内聚能，因此，POM的耐磨自润滑性能比较突出。但对于一些苛刻的工作条件，如高温、高速及高负荷等，仍需对POM的耐磨性能给予持续改善。而要想促进POM耐磨性能的提升，可采取如下方法：其一，化学改性，即借助嵌段、接技等方法，将具有润滑性的链段，引入到POM分子链上；其二，物理共混改性。

因化学改性方法有着比较复杂的过程，且影响因素较多，成本高昂，研究并不多。反之，物理共混研究充分：（1）在POM当中，将润滑油（油脂、硅油等）添加其中；（2）添加金属粉末（如锌粉、铅粉、铜粉等），其有助于POM复合材料各方面性能的提升，如摩擦磨损性能、传热性等。（3）添加无机耐磨材料，如MoS₂、石墨等。

3.结语

综上，聚甲醛实为一种有着良好综合性能的自润滑工程塑料，应用前景广阔。但当前许多研究仍处于理论研究阶段，许多仍未能实现工业化生产，而且规模也较小，因此，仍需加大相关研究，将理论成果更好的向实践应用转换，以此将其应用最大化发挥出来。

参考文献：

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[2]刘玉. 基于DOE方法高性能玻纤增强聚甲醛的工艺设计[J]. 塑料工业, 2019, 047(009):56-59.

[3]李天羿. 工艺参数对热塑性聚氨酯改性聚甲醛塑料在盐酸中催化分解率的影响[J]. 机械工程材料, 2018, 042(005):59-62.

作者简介：霍书娟（1979-12），女，汉族，籍贯：天津市蓟州区，当前职称：高级工程师，学历：硕士，研究方向：高分子材料