معرفی پلی استال (پلی‌ اکسی‌ متیلن)

معرفي رزين پلي استال (POM) يا استال

پلي استال و يا استال از لحاظ شيميايي و تجاري با نامهاي به عنوان پلي اكسي متيلن (POM) و يا پلي‌فرمالدئيد شناخته مي‏شود و به طور كلي دو گونه پلي استال از لحاظ تجاري به صورت گونه‏هاي هموپليمر و كوپليمر وجود دارد.

همو پلي استال از طريق پليمريزاسيون فرمالدئيد بدون آب توليد شده كه طي اين واكنش منومر‏هاي تكراري اكسي‌متيلن (O2CH) حاصل مي‏گردند. همو پلي استال در واقع خواص مكانيكي و شيميايي بهتري نسبت به نوع كوپليمر دارا مي‏باشد.

كو پلي استال از طريق كوپليمريزاسيون تري اكسان (منومر سه‏گانه سيكلي فرمالدئيد) با يك اتر سيكلي مانند اتوكسي يا اتر اكسي آلكن حاصل شده باعث تشكيل زنجيره پليمري حاوي اكسي متيلن O)2CH) يا اكسي‌اتيلن (O-2CH-2CH) مي‏گردد. كوپليمر‏هاي پلي استال زمان ماندگاري، خواص مكانيكي دراز‏‏‏مدت و مقاومت شيميايي و سايشي بهتري نسبت به نوع همو دارند و در برابر حرارت نيز پايداري قابل توجهي از خود نشان مي‏دهند. مناسب پلي‌استان از افزودني‌هاي خاصي همراه با پلي استان استفاده شده تا از اکسيداسيون حرارتي آن جلوگيري شود.

رزين‏هاي پلي استال و يا پلي اكسي متيلن (POM) براي نخستين بار بوسيله شركت Dupont در سال 1960 و تحت عنوان نام تجارتي Delrin به بازار عرضه شد. Delrin در واقع يك هموپلي استال مي‏باشد كه از تكرار واحدهاي اكسي متيلن(پلي فرمالدئيد) حاصل مي‏گردد. در سال 1961 شركت هوخستCelanese يك كوپليمر رزين پلي استال را با نام تجاري Celcon به بازار عرضه كرد كه بر مبناي وجود 5% وزني اكسي اتيلن در زنجيره‏ پليمري اكسي متيلن توليد گرديد. در سال 1971، پلي استال Ultraform توسط شركتي با سرمايه‏گذاري مشترك  BASFو Degussa بر مبناي منومرهاي اكسي اتيلن و اكسي بوتيلن به صورت کو پلي استال به بازار عرضه شد. رزين پلي‌استال در واقع پليمر بسياري بلوري کرده كه در گروه پلاستيکهاي سخت و داراي استحكام و پايداري مناسب طبقه‏بندي مي‏گردد. علاوه بر اين، رزين‏هاي پلي استال خواص روان‏كنندگي خوبي تحت شرايط محيطي با حرارت و رطوبت متفاوت از خود نشان داده و همچنين مقاومت شيميايي خوبي نسبت به اغلب حلال‏ها دارا مي‏باشند.

رزين پلي استال به عنوان يك رزين مهندسي ترموپلاستيك به لحاظ خواص مكانيكي مطلوب و قيمت پايين، جايگزين بسيار مناسبي براي فلزات مي‏باشد و از اين رو در بسياري موارد مانند قطعات فلزي با جنس روي، برنج، آلومينيوم و فولاد اين جايگزين اتفاق افتاده است. نمونه خواص عمومي و مكانيكي رزين‏هاي پلي استال در جدول (1-1) آورده شده است:

خواص رزين‏هاي پلي استال

همانگونه که عنوان گرديد، رزين‏هاي پلي استال از لحاظ كلي به دو دسته هموپليمر و كوپليمر تقسيم مي‏شود. رزين‏هاي پلي استال همو وکو در حدود 85% از مصرف عمومي رزين‏هاي پلي استال را دربرگرفته، در حاليكه 15% مابقي مربوط به انواع خاص و پرشده رزين‏هاي كوپليمر مي‏باشد.

به طور كلي، پلي‌استال هموپليمر داراي استحكام كششي ‏بالاتر، مقاومت سايشي حرارتي بهتر بوده، در حاليكه پلي‌استال كوپليمر داراي وضعيت عملياتي وسيعتر، خواص جرياني بهتر و مقاومت شيميايي مناسبتر مي‏باشد. به هر حال پيشرفت‏هاي فناوري رزين پلي استال عمدتاً بر روي هموپليمر به منظور بهينه‌سازي فرآيندپذيري آن و بر روي كوپليمر براي بهبود خواص مكانيكي آن بوده است.  انواع گونه‏هاي مختلف رزين‏  پلي استال كوپليمر عرضه شده كه توسط توليدكنندگان جهاني به شرح ذيل مي‏باشند:

- پر شده با الياف شيشه

- پرشده با مواد معدني

- كم سايش و كم اصطكاك

- پايدار شده در برابر اشعه ماوراء بنفش

- آنتي استاتيك و هادي الكتريسيته

- تقويت شده

- قابل ورقه شدن براي كاربرد در الكترود

افزودن الياف شيشه به پلي استال باعث تقويت استحكام كششي آن مي‏گردد. درحدود 12 تا 15% سهم بازار جهاني از مصرف رزين‏هاي پلي استال به نوع پرشده يا تقويت شده آن مربوط مي‏گردد به منظور دستيابي به پلي استال كم سايش، از پلي تترافلورو اتيلن (PTFE)، روغن سيليكون و يا دي سولفيدموليبدن در فرمولاسيون کو پلي استال توليدي استفاده مي‏شود. اين نوع پلي استال کم سايش در ساخت بوش‏ها و بلبرينگ‏ها به‏‏كار رفته كه در حدود 40% از سهم بازار جهاني اين نوع کاربردها را به خود اختصاص داده است.

پلي استال مقاوم در برابر اشعهUV  ( جهت توليد قطعات در معرض نور خورشيد) در صنايع خودروسازي، آبياري، لوله‏كشي و لوازم ورزشي با سهم بازار جهاني حدود 5% به کار برده مي‌شود. پلي استال هادي الكتريسيته در صنايع الكترونيكي و به منظور محافظت اجزا حساس در برابر الكتريسيته ساكن با سهم بازار جهاني حدود 5% به کار برده مي‌شود. عمده پيشرفت فني در زمينه رزين‏هاي پلي استال كوپليمر در دهه اخير، پيرامون بهبود خواص الاستومري و اصلاح شده آن بوده كه در نتيجه منجر به توليد پلي استال‏هاي جديد از طريق ادغام با الاستومرهاي ترموپلاستيك مانند پلي يورتان با پلي استال گرديده است.

معرفی كاربردهاي جهاني پلي استال:

1.کاربرد های صنعتی :

استفاده از رزينهاي پلي‌استال در كاربردهاي صنعتي، بسيار گسترده مي‌باشد ( 13% از كل تقاضاي جهاني در سال 2004). پلي‌استالها مي‏توانند در موارد لغزندگي يا چرخش،كه عواملي چون: ليزي، مقاومت سايشي، سفتي و پايداري ابعادي اجزاء مكانيكي، از عوامل مهم در عملكرد ماشين مي‏باشند، كاربرد صنعتي داشته باشند. اكثر اين اجزاء، قالبگيري تزريقي شده، اگر چه مي‏توانند به صورت دمشي قالبگيري و يا اكسترود شوند.

دنده ‏ها، دندان ها، ياتاقان ها، اهرم ها، قرقره‏ ها، چرخ دنده ‏ها، بوش ها، نمونه ‏هايي از كاربرد صنعتي رزينهاي پلي‌استال مي‏باشند. پلي استالها، مواد تحمل پذير خوبي مي‏باشند كه در مقايسه با فلزات يا نايلونها، ضريب اصطكـــاك كمتـري دارند. برخي گونه‏هاي خاص آنها، با افـزايش تترافلوئـور و اتيلـــن (TFE) سيليـكون و روان كننده‏هاي شيميايي ديگر، خاصيت ليزي بيشتري از خود نشان مي‏دهند.

در برخي كاربردهاي صنعتي،رزينهاي پلي استال با رزين‏هاي پلي استر و نايلونها، رقابت مي‏كنند. مقاومت در برابر هيدروليز شدن، در پلي استالها بهتر از نايلونها است و لذا در دستگاهها و ماشينهاي محصولات غذايي و لبني، در جايي كه استريليزه كردن تجهيزات با بخار صورت مي‏گيرد، كاربردهاي وسيعي دارند. در كاربردهاي ديگر صنعتي، پلي استالها بخاطر مقاومت در برابر برخي مواد، مثل مواد نفتي، سوختها يا حلالهاي الكلي، استفاده مي‏كردند. استالها، در برخي شرايط دشوار خواص خود را حفظ كرده و براي دوره‏هاي طولاني، نسبت به رزين‏هاي مهندسي ديگر كارايي بهتري دارند. پلي استالها، در برابر خستگي بسيار مقاوم بوده و در كاربردهاي مكانيكي كه براي دوره‏هاي طولاني از زمان، به خاصيت ارتجاعي بالا نياز دارند، بسيار برتر از نايلونها و پلي استرها عمل مي‏كنند. در كاربردهاي ديگر، مقاومت بالا در برابر فرسودگي ، اطمينان و سهولت  به كارگيري پلي استال را نزد توليدكنندگان باعث شده است.

يكي از كاربردهاي صنعتي مهم براي پلي استالها، سيستم‏هاي نقاله و حمل ونقل مواد است. اتصالات زنجير و نيز غلتكهاي نقاله‏ها كه از پلي استال ساخته شده‏اند، دوام بهتري نسبت به نوع فلزي خود داشته و نيز خورندگي ندارند و مي‏توانند براي جلوگيري از نشست گرد و غبار، بصورت آنتي استاتيك ساخته شوند. اين سيستم‏ها بخاطركاهش وزن تسمه نقاله‏ها، نياز به انرژي كمتري دارند .پلي استالها در شيرهاي اندازه گيري دقيق، مانند دبي سنجهاي پمپ بنزين و دبي سنجهاي آب بكار مي‏روند. برخي از اجزاء پمپها كه در آب غوطه ورند، از پلي استال ساخته مي‏شوند. برخي از نمونه‏هاي صنعتي ديگر شامل: مته‏هاي اختلاط شيميايي، قالب پرس سوسيس، سخت افزارهاي داربستها، باتوم پليس و مخازن شير مي‏باشند. در طول 5 سال آينده، رشد كاربردهاي صنعتي با نرخ 5% در سال، افزايش خواهد يافت. اين پيش بيني بر پايه رشد مورد نظر در بخش صنعتي آمريكا است.

2.بخش خودرو :

24% كل تقاضاي جهاني رزينهاي پلي استال در سال 2004 در قطعات خودرو نظير اجزاء الكتريكي، اجزاء سيستم سوخت، و اجزاء مكانيكي كوچك مصرف گرديد. جدول (1-2) يك طبقه بندي از الگوي مصرف نهايي آن در ايالات متحده را ارائه مي‏دهد:

ميزان مصرف رزينهاي پلي استال در صنعت خودروي آمريكا در سال 2004 (درصد)

منبع: برآورد CEH در سال 2005

اگر چه امروزه، رزينهاي پلي استال كمتر از 3 % پلاستيكهاي بكار رفته در خودرو مي‏باشند، اما در سال 2004، صنعت خودرو ، 24% كل تقاضاي جهاني پلي استال را در بر داشت. برخي از انواع خاص (مانند قطعاتي كه قابليت آبكاري داشته، مقاوم در برابر آب و هوا، بسيار چقرمه و تقويت شده در برابر ضربه مي‏باشند) براي مصرف در قسمتهاي داخلي خودرو گسترش يافته‏اند.

در مقايسه با ديگر ترموپلاستيكها (نظير: پلي اولفين‏ها- پلي كربنات‏ها- پلي استر‏ها و نايلونها)، پلي استالها، همچنان مقدار كمتري از كل وزن پلاستيكهاي بكار رفته در خودروهاي جديد را  شامل ميشوند، كه اين مقدار تقريباً 8 پوند (6/3 كيلوگرم) براي هر خودروي جديد درآمريكا و اروپاي غربي مي‏باشد. پلي استالها بخاطر مقاومت گرمايي و رنگ پذيري نسبتا پائين و نيز هزينه زياد، در قسمتهاي حجيم و بزرگ خارجي خودرو، استفاده نمي‏شوند، اما در چندين كاربرد مكانيكي كوچك استفاده مي‏گردند. نايلونهاي تقويت شده و رزين‏هاي مهندسي پلي استر ترموپلاستيك از رزينهاي عمده جايگزين شده بجاي فلز روي ريخته‏گري شده با قالب، مي‏باشند كه در دستگيره درب و شيشه بازكن پنجره‏ها بكار مي‏روند، اما انتظار مي‏رود كه رزينهاي پلي استال همچنان، يك سهم بزرگتر از بازار را به خود اختصاص دهند. پلي استالها به تنهايي يا همراه با نايلونها براي حركت دادن قسمتهاي شيشه بازكن پنجره كه نياز به روغن كاري ندارند، بكار مي‏روند. خواص مكانيكي عالي، دوام و ضريب اصطكاك كم از مهمترين دلايل استفاده پلي‌استالها در برف پاكن شيشه جلوي خودرو و نيز مكانيزم بالا و پايين بردن شيشه پنجره، مي‏باشند. مكانيزم‏هاي جابجايي شيشه پنجره با فولاد سنگين، كه نصب آن پيچيده مي‏باشد با مكانيزم‏هاي پلاستيكي سبكتر و آسانتر جايگزين مي‏شوند. براي اين جايگزيني، نايلونها، و پلي استالها با هم رقابت مي‏كنند. در مكانيزم‏هاي برف پاكن، پلي‌استالها با نايلونها در رقابت مي‏باشند. اگر چه پيش بيني مي‏شود، بازار اين دو رزين توسط رزينهاي پلي استر، كه قابليت دفع گرماي بيشتري را دارند، محدود شود. رزينهاي پلي استال استفاده شده در كاربردهاي داخلي و خارجي خودرو، تحت تاثير نامطلوب اشعه فرابنفش (uv) قرار مي‏گيرند كه باعث سفيد شدن، شكاف، تورم و خواص نامطلوب ديگر مي‏شود. رزين‏هاي تقويت شده در برابر ضربه و نيز پايداري در مقابل uv، براي استفاده در دستگيره‏هاي درب، شيشه بازكن پنجره، قلاب كمر بند ايمني و نيز گيره كمر بند و سايرسخت افزارهاي داخلي و خارجي، بكار مي‏روند. رزين‏هاي پلي استال از مقاومت بسيار عالي در برابر روغن و سوخت بر خوردارند و لذا در اجزاء سيستم سوخت بكار مي‏روند كه شامل، ساختن بدنه پمپهاي سوخت، فيلتر‏ها و همزنها، شيرهاي rollover، اجزاي داخلي تانكها (مخزن‏هاي ذخيره، اتاقكها و فرستنده‏ها) و كلاهك گاز در اجزاي بازيافت بخار در on-board، پلي‌استالها رشد چشمگيري دارند. ديگر كاربردهاي اين ماده شامل بخش‏هاي مختلف كليد برق، بست‏ها، خارها، جعبه آينه، اجزاء فن صفحات گرم كن خودرو، خارهاي ميل تعادل فرمان و جعبه‏هاي كنترل مي‏شود.

در شبكه ‏هاي بلندگو قطعات تزريقي پلي استال جايگزين شبكه‏هاي فلزي با وزني دو برابر نوع پلاستيكي آن، شده‏اند. پلي استال تطابق رنگ پذيري نسبتا خوبي در محصولات تزريقي داشته در حاليكه قطعات پلي كربناتي نياز به رنگ كاري دارند. همچنين پلي استال ضربه پذيري و انعطاف خوبي از خود نشان مي‏دهد.

پلي استال به عنوان اولين اتصالات سيستم تعليق پلاستيكي در خودروهاي توليدي در آمريكاي شمالي و اروپاي غربي و آسيا ، از سال 1993 بجاي فولاد بكار گرفته شده است. اين اتصالات (به ازاي هر خودرو، 2 اتصال) در حدود 700 گرم پلي استال در هر خودرو مصرف مي‏كنند. كه اين جايگزيني، خود باعث كاهش هزينه‏هاي مونتاژ و توليد قطعه و همچنين حذف سيستم  رنگ كاري قطعه مي‏گردد.

رشد مصرف پلي استال در اين صنعت (خودرو)، به رشد اين صنعت نيز بستگي خواهد داشت، همانطوريكه به ادامه جايگزيني آن بجاي بخشهاي فلزي نيز بستگي دارد. بكارگيري پلي استال در سيستمهاي سوخت، قسمت داخلي و نيز شاسي خودرو، بخشي است كه بيشترين رشد را دراين بازار دارد.

3.لوازم خانگی و مصرفی :

در لوازم خانگي و مصرفي، تنوع گسترده‏اي از رزينهاي پلي استال وجود دارد.. طبقه بندي از مصارف نهايي در جدول زير آمده است:

ميزان مصرف رزينهاي پلي استال در لوازم خانگي و مصرفي در آمريكا- 2004

منبع: برآورد CEH و نشريات جهاني معتبر

بطور عمده رزينهاي مورد نظر در اين مقوله، در ساخت كاستهاي صوتي و ويديويي (Platforms و توپي قرقره‏هاي كاست) بكار ميرود. امروزه، بزرگترين بخش از كالاهاي مصرفي پلي‌استالها وسايل كوچكي چون همزنها و  مخلوط كن‏ها مي‏باشند.

لوازم ورزشي شامل قطعاتي از چوبهاي اسكي روي آب و برف، تخته اسكي، قايقهاي بادي و تخته‏هاي موج سواري روي آب، اجزاء تفنگ و ملزومات فرعي آن، در تجهيزات صخره نوردي و گيره‏ها و قلاب‏هاي بكار رفته در كوله پشتـي‏ها، مي‏باشند. در وسايل خانگي كاسه‏ها، لوازم آشپزخانه، دسته چاقو و اسبابهاي كنترل زماني دما، را مي‎توان نام برد. ديگركاربردهاي رزين‏هاي پلي استال در كالاهاي مصرفي براي مواردي چون چرخ دنده‏هاي ريز ساعت ، زيپ‏ها و گيره‏ها مي‏باشد.

4.لوله کشی و آبیاری

پلي استالها بخاطر مقاومت طولاني در معرض آب داغ، خواص مكانيكي و ظاهر شفاف يكي از انتخاب‏هاي رزين‏هاي مهندسي در كاربردهاي لوله كشي است. اين رزين‏ها همچنين در شناورهاي ثابت نگهدارنده سطح آب، سر دوشها، مكانيزم شيرهايي كه آب سرد و گرم را مخلوط مي‏كنند و مكانيزم قطع و وصل در شيرها استفاده مي‏شوند. آنها همچنين براي اتصال لوله‏هاي پلي بوتادين نيز بكار مي‏روند. بدلايل مشابه، پلي استالها بطور وسيعي براي سيستمهاي آبياري كشاورزي و سيستمهاي آب  پاشي چمن بكار مي‏روند. در اين مورد از مصرف نهايي، پلي استال در رقابت با برنج قرار مي‏گيرد. اجزاء پلي استال بخاطر عدم خوردگي و نيز عدم نياز به تعمير و راه اندازي مجدد براي زمانهاي طولاني، در حال جايگزيني بجاي برنج مي‏باشند. در توليد برنج، از سرب به عنوان ماده روان كننده در موقع بريدن مفتول‏هاي نازك، به ميله‏هاي برنجي استفاده مي‏شود. بحث آلايندگي سرب در آب آشاميدني هنوز هيچ جايگزيني را در بر نداشته است. به هر شكلي اگر اين بحث آلايندگي بطور جدي در مجامع عمومي دنبال شود مصرف پلي استال بعنوان يك جايگزين مناسب به سرعت مطرح خواهد شد.

5.قطعات و ابزار صنعتی

رزين پلي‌استال بطور گسترده‏اي در وسايل و ابزار صنعتي، توپي (چرخها)، ياتاقانها، يراق و فنرها و ديگر اجزاء مكانيكي بكار مي‏روند. اغلب، يك سري از اجزاء فلزي، توسط يك قطعهء چند كاره از پلي‌استال جايگزين مي‏شوند. اين رزينها در ماشين‏هاي لباسشويي و خشك كن‏هاي لباس، وسايل آشپزخانه و پنكه‏ها استفاده مي‏شوند. كاربرد آنها در ابزار‏ها شامل اجزاي اسپري رنگ و ابزارهاي باغباني مي‏باشد.

6.برق و الکترونیک

پلي استال در اين بازار، عمدتا در سه بخش استفاده مي‏گردند:

1- چرخهاي ضامن دار داخلي، دنده‏ها و قسمتهاي متحرك ديگر

2- دكمه‏هاي فشاري صفحه كليد

3- كليدها

كاربردها شامل: تلفن ها، ماشينهاي اداري، چاپگرهاي كامپيوتر، پلاترها و ابزارهاي دقيق مي‏باشند. كاست‏هاي نواري ذخيرهء كامپيوتري، مثل ويدئو كاست‏ها از پلي‌استال به عنوان ياتاقان در اجـــزاي قرقرهاي استفاده مي‏كنند. مـصرف پلي استال در اين كاربرد، همراه با افزايش تقاضا براي ويدئو‏ها و دوربين‏هاي ويدئويي، افزايش خواهد يافت.

7.سایر موارد

مصارف ديگر رزينهاي پلي استال شامل قطعات اكستروژني نظير صفحه، ميله و لوله و كاربردهاي جزئي ديگر است. همچنين، رزينهاي پلي استال در محصولات پزشكي نظير دستگاههاي تنظيم ضربان قلب، شيرهاي قلب مصنوعي و اجزاء مصنوعي دست و پا كاربرد دارد، اگر چه تعدادي از توليدكنندگان بخاطر سوء استفاده‏هاي شخصي، پلي استال را براي مصارف پزشكي توليد نمي‏كنند.