Was sind modifizierte Polyphenylenether (modifizierte PPE-Harze)?

1. Was sind modifizierte Polyphenylenether (modifizierte PPE-Harze)?

Modifizierter Polyphenylenether (modifiziertes PPE oder m-PPE) ist der gebräuchliche Name für eine Familie von Polymerlegierungen, die durch Mischen von modifiziertem Polyphenylenether (PPE)-Harz – einer Art nichtkristallinem technischem Kunststoff – mit verschiedenen anderen Harzen gebildet werden. PPE-Harz ist ein nichtkristallines Harz mit einer Glasübergangstemperatur von etwa Tg = 210 °C; die primären Molekülketten in diesem Harz bestehen aus Benzolringen, die durch Etherbindungen verbunden sind, was das Harz sehr hydrolysebeständig macht. PPE-Harz weist eine geringe Wasseraufnahme auf und weist eine geringe Dichte von nur 1,06 auf, die niedrigste aller allgemeinen technischen Kunststoffe. PPE-Harz hat außerdem den niedrigsten linearen Ausdehnungskoeffizienten aller allgemeinen technischen Kunststoffe, was eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität gewährleistet. Zu den weiteren Vorteilen von PPE-Harz gehören seine überlegenen elektrischen Eigenschaften, einschließlich ausgezeichneter dielektrischer Permittivität und Verlustfaktor über einen weiten Frequenzbereich. PPE-Harz zeichnet sich außerdem durch seine hervorragende Beständigkeit gegen Säuren und Basen aus. Zu den Nachteilen von reinem PPE-Harz gehören andererseits die hohe Viskosität im geschmolzenen Zustand – was das Gießen in die gewünschten Formen erschwert – und die Anfälligkeit für Zersetzung in Gegenwart von Lösungsmitteln auf Basis aromatischer Kohlenwasserstoffe wie Ölen.
Modifizierter Polyphenylenether wird auch modifiziertes Polyphenylenoxid (modifiziertes PPO oder m-PPO) genannt. PPO ist jedoch ein eingetragenes Warenzeichen und der generische Name lautet PPE.

PPE-Harz wird selten in reiner Form verwendet, sondern häufig mit Polystyrol (PS) oder anderen Harzen gemischt, um eine Vielzahl von Legierungsmaterialien zu erhalten. Legierungen aus PPE und PS können bei beliebigen Werten des PPE/PS-Bestandteilverhältnisses eine vollständige Löslichkeit erreichen, und diese Tatsache kann ausgenutzt werden, um die Fließfähigkeit zu verbessern und ein breites Spektrum an hitzebeständigem Verhalten abzudecken, was PPE/PS zu einem der wichtigsten aller Polymerlegierungssysteme macht. PPE-Harze lassen sich auch leicht mit nicht bromierten, nicht chlorierten Flammschutzmitteln mischen, um flammhemmende Materialien zu erhalten. Darüber hinaus kann PPE mit Materialien wie Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS) oder Elastomeren wie SEBS legiert werden, um neue Materialien zu erhalten, die die oben genannten Vorteile von PPE-Harzen mit den Eigenschaften der verschiedenen Partnerharze kombinieren.

Der Prozess der Legierung von PPE-Harz mit anderen Harzen zur Verbesserung der Materialeigenschaften wird als Modifikation bezeichnet und die daraus resultierenden Materialien sind als modifizierte PPE-Harze (m-PPE) bekannt.

2. Herstellung von modifizierten Polyphenylenether-Harzen (modifiziertes PPE)

2-1. Herstellung von persönlicher Schutzausrüstung

Die PPE-Produktion beginnt mit der Synthese von 2,6-Xylenol aus Phenol und Methanol. Das 2,6-Xylenol wird dann als Grundbestandteil für einen oxidativen Polymerisationsprozess (oxidative Kupplung) verwendet, bei dem Ester durch eine Dehydratationsreaktion zwischen OH-Gruppen in 2,6-Xylenol und dem H-Atom (Wasserstoff) an der 4-Stelle benachbarter Benzolringe in 2,6-Xylenol entstehen. PPE wird durch wiederholte Wiederholungen dieser Reaktion synthetisiert.

2-2. Herstellung modifizierter PSA

Wie oben erwähnt, hat reines PPE-Harz im geschmolzenen Zustand eine extrem hohe Viskosität, was es schwierig macht, es in die gewünschten Formen zu bringen. Um seine Formbarkeit zu verbessern, wird PPE normalerweise mit anderen Harzen vermischt, um Legierungen zu erhalten, die als modifizierte PPE-Harze bezeichnet werden. Der Begriff „Compoundieren“ bezieht sich auf einen Prozess, bei dem ein Basisharz mit anderen Substanzen vermischt wird – darunter andere Harze, Verstärkungsmittel, Farbstoffe oder Pigmente zur Farbgebung oder verschiedene andere Arten von Zusatzstoffen, die bestimmte Eigenschaften verleihen – um die gewünschten Leistungs- und Funktionalitätsniveaus zu erreichen. Ein wichtiger Vorteil modifizierter PPE-Harze ist die enorme Vielfalt an Polymerlegierungen – die eine enorme Vielfalt an Materialanforderungen erfüllen – die durch Variation der Art und des Anteils der während des Compoundierprozesses hinzugefügten Partnermaterialien erreicht werden können. Einige der wichtigsten Kategorien von Polymerlegierungen werden weiter unten in Abschnitt 4, Sorten und Anwendungen von modifizierten Polyphenylenether-Harzen (modifizierte PPE-Harze), erörtert.

3. Hauptmerkmale von PPE und modifizierten PPE-Harzen

• Hitzebeständigkeit:
Reines PPE-Harz hat einen Glasübergangspunkt von etwa 210 °C. Modifizierte PPE-Harze zeigen je nach dem zur Bildung der Legierung verwendeten Partnermaterial ein unterschiedliches Verhalten: von hochflüssigen Sorten mit Wärmeformbeständigkeitstemperaturen unter 100 °C bis hin zu hoch hitzebeständigen Sorten mit Wärmeformbeständigkeitstemperaturen über 200 °C.
• Flammhemmung:
Der Sauerstoffindex (ein Maß für die zur Verbrennung benötigte Sauerstoffmenge) für reines PPE-Harz beträgt 28. Dieser hohe Wert weist darauf hin, dass es relativ einfach ist, dieses Material flammhemmend zu machen. Asahi Kaseis Sortiment an modifizierten PPE-Harzen umfasst mehrere Sorten mit ausgezeichneter Flammhemmung auf UL94 V-0-Niveau.
• Niedriges spezifisches Gewicht:
PPE-Harz ist ein leichtes Material, dessen spezifisches Gewicht von nur 1,06 das niedrigste aller technischen Kunststoffe ist.
• Elektrische Isolierung:
PPE-Harze haben einen hohen Volumenwiderstand, was diese Materialien zu hervorragenden elektrischen Isolatoren macht. Die hervorragende Kriechstromfestigkeit und andere günstige elektrische Eigenschaften von PPE-Harzen machen diese Materialien zu einer häufigen Wahl für eine Vielzahl von Produkten.
• Geringe Wasseraufnahme:
Reines PPE-Harz ist ein Material mit geringer Wasseraufnahme. Modifizierte PPE-Harze behalten diesen Vorteil bei und weisen bei Wasseraufnahme nur minimale Änderungen der physikalischen Eigenschaften und minimale Maßabweichungen auf.
• Hydrolysebeständigkeit:
Modifizierte PPE-Harze zeichnen sich durch eine hervorragende Hitzebeständigkeit aus und das Fehlen von Estern oder Amiden in ihrer chemischen Struktur gewährleistet zudem eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen warmes Wasser und Hydrolyse.
• Beständigkeit gegen Säuren und Laugen:
Ein charakteristisches Merkmal modifizierter PPE-Harze ist ihre hohe Beständigkeit gegenüber Säuren und Laugen.
• Niedrige dielektrische Permittivität und geringer dielektrischer Verlustfaktor:
PPE-Harz weist über einen weiten Frequenzbereich eine niedrige dielektrische Permittivität und einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor auf – und diese Eigenschaften bleiben bei Schwankungen der Betriebstemperatur und Luftfeuchtigkeit weitgehend unverändert. Die mit modifizierten PPE-Harzen erreichbaren geringen Übertragungsverluste machen diese Materialien zu einer häufigen Wahl für Komponenten von Informations- und Kommunikationssystemen.
• Niedriger linearer Ausdehnungskoeffizient:
PPE-Harz weist den niedrigsten linearen Ausdehnungskoeffizienten aller technischen Kunststoffe auf, wodurch die Schrumpfung während des Formens minimiert und hervorragende Dimensionsstabilität und Maßgenauigkeit gewährleistet werden.

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4. Sorten und Anwendungen von modifizierten Polyphenylenether-Harzen (modifiziertes PPE)

(1) PS-Legierungen

Archetypische Beispiele für Polymerlegierungen sind Legierungen aus PPE und Polystyrol (PS). Die Fähigkeit dieser Legierungen, bei beliebigen Werten des PPE/PS-Bestandteilverhältnisses vollständige Löslichkeit zu erreichen, kann ausgenutzt werden, um die Fließfähigkeit zu verbessern und ein breites Spektrum an Hitzebeständigkeit abzudecken. PPE/PS-Legierungen können durch Zugabe von nicht bromierten, nicht chlorierten Flammschutzmitteln leicht flammhemmend gemacht werden, und ihre ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften machen diese Materialien zu einer häufigen Wahl für elektrische und elektronische Komponenten. Insbesondere Legierungen mit einem hohen Verhältnis von PS zu PPE bieten eine ausgezeichnete Fließfähigkeit und können als Material für große Formkomponenten wie Gehäuse von Elektrogeräten verwendet werden. Andererseits bieten Sorten mit einem hohen Verhältnis von PPE zu PS eine hervorragende Hitzebeständigkeit und werden für Produkte wie Anschlusskästen in Solarstromerzeugungssystemen verwendet.

Durch das Mischen von PPE/PS-Legierungen mit Glasfasern oder anderen Füllstoffen können Verbindungen mit verbesserter Festigkeit, Steifigkeit und Maßgenauigkeit entstehen. Typische Anwendungsgebiete solcher füllstoffverstärkter Typen sind Gehäuse und Chassis für Drucker, Bürogeräte und andere Präzisionsinstrumente, die die hohe Maßstabilität modifizierter PPE-Harze erfordern, sowie Pumpen, Mischventile und andere Komponenten von Wasserversorgungs-/Entwässerungssystemen, die hydrolysebeständig sein müssen.

In den letzten Jahren hat sich das Anwendungsspektrum für PPE/PS-Legierungen erweitert und umfasst nun auch fahrzeugmontierte Batteriesysteme – die das geringe spezifische Gewicht, die Hitzebeständigkeit und die Dimensionsstabilität dieser Materialien ausnutzen – sowie Kommunikationssysteme der nächsten Generation, die ihre geringe dielektrische Permittivität und ihren geringen dielektrischen Verlustfaktor nutzen. Es gibt allen Grund, auch in Zukunft mit einer weiteren Expansion des Marktes für PPE/PS-Legierungen zu rechnen.

(2) PA-Legierungen

Polyamid (PA) ist ein technischer Kunststoff, der aufgrund seiner hervorragenden Hitzebeständigkeit, Festigkeit und Ölbeständigkeit häufig für Automobilkomponenten verwendet wird. Die hohe Wasseraufnahmefähigkeit von PA kann jedoch je nach Einsatzumgebung zu erheblichen Abweichungen bei den Materialeigenschaften und Komponentenabmessungen führen, ein Punkt, der für den praktischen Einsatz sorgfältig bedacht werden muss. Da PPE fast keine Wasseraufnahme aufweist, kann die Legierung mit PPE die Wasseraufnahme von PA drastisch reduzieren und so einen wesentlichen Nachteil von PA-Harzen mildern. Diese Möglichkeit wurde genutzt, um PA-Legierungsmaterialien für die Herstellung von Komponenten für elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen und verwandten Produkten zu entwickeln.

(3) PP-Legierungen

Polypropylen (PP) ist ein Allzweckkunststoff, der eine hervorragende Balance wünschenswerter Eigenschaften bietet, darunter geringes spezifisches Gewicht, Ölbeständigkeit, chemische Beständigkeit, Festigkeit und Zähigkeit. Legierungen von PPE mit PP bieten im Vergleich zu herkömmlichen PP-Materialien eine verbesserte Hitzebeständigkeit und Maßgenauigkeit und werden für Anwendungen wie fahrzeugmontierte Batteriesysteme verwendet.

(4) Supertechnische Kunststofflegierungen

Asahi Kasei entwickelt außerdem Legierungsmaterialien, bei denen PPE mit den technischen Superkunststoffen Polyphenylensulfid (PPS) und Polyphthalamid (PPA) vermischt wird. Beide Materialien sind äußerst hitzebeständig. PPS/PPE-Legierungen bieten eine bessere Dimensionsstabilität und ein besseres Verformungsverhalten als reines PPS, während PPA/PPE-Legierungen im Vergleich zu reinem PPA eine geringere Wasseraufnahme und geringere Abweichungen in den Materialeigenschaften und Bauteilabmessungen bei Wasseraufnahme aufweisen.

Wie dieser Überblick zeigt, verfügen Legierungswerkstoffe aus modifizierten PPE-Harzen über ein breites Spektrum hervorragender physikalischer Eigenschaften und werden für zahlreiche verschiedene Anwendungen eingesetzt.

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5. Formtechniken für modifizierte Polyphenylenether (modifiziertes PPE)-Harz – und praktische Überlegungen, die zu berücksichtigen sind

In dieser Diskussion geht es um allgemeine Aspekte des Spritzgießens, der gängigsten Methode zur Herstellung von Produkten aus modifizierten PPE-Harzen. Um qualitativ hochwertige Formprodukte zu erhalten, muss die Temperatur des geschmolzenen Harzes richtig eingestellt werden, um während des Formprozesses eine ausreichende Fließfähigkeit zu erzielen und gleichzeitig eine thermische Zersetzung zu vermeiden. Da Fließfähigkeit und Hitzebeständigkeit von einer Materialqualität zur anderen variieren, können wir keine einzige, universelle Harztemperatur angeben, die in allen Fällen optimal ist. Was wir sagen können, ist, dass bei einer zu niedrigen Temperatur das Harz nicht ausreichend flüssig ist und der Formprozess nicht richtig abläuft, was zu großen Formverzerrungen in den geformten Produkten führt. Bei einer zu hohen Temperatur kann sich das Harzmaterial zersetzen, möglicherweise begleitet von Verfärbungen und/oder Gasemissionen.

Der Harzabbau während des Formens wird durch das Vorhandensein von Feuchtigkeit, das Vorhandensein von Verunreinigungen (einschließlich anderer Harzarten) und lange Haltezeiten gefördert. Um diese Risiken zu vermeiden, müssen ausreichend große Formen verwendet und geeignete Bedingungen für den Formprozess geschaffen werden.

Aus den gleichen Gründen ist es wünschenswert, relativ große Gießkanäle für Formen zu verwenden und Entlüftungswege für Gasemissionen zu schaffen. Beachten Sie auch, dass Trennmittel und Schmiermittel in Formen Risse in Formkörpern verursachen können. Um dies zu vermeiden, sorgen Sie für einen ausreichenden Trenngradienten und beschränken Sie die Verwendung von Trennmitteln auf die kleinstmöglichen Mengen. Beachten Sie beim Einsatz von Trennmitteln Abschnitt 11 (Chemische Beständigkeit) des technischen Handbuchs. Insbesondere bei modifizierten PPE-Harzen ist das Anhaften von Ölrückständen eine häufige Ursache für Rissbildung. Vermeiden Sie daher das Anhaften von Maschinenöl während der Verarbeitungsschritte und wählen Sie Trennmittel, Sprays und Reinigungsmittel unter sorgfältiger Berücksichtigung unerwünschter Folgen aus.

Zusammenfassend sollten beim Formen modifizierter PPE-Harze die folgenden Richtlinien beachtet werden.

• Formstoffe einem Trocknungsprozess unter geeigneten Bedingungen unterziehen.
• Wählen Sie für das jeweilige Schussvolumen geeignete Formen aus.
• Plastifizieren Sie unter Bedingungen, die so gewählt sind, dass örtlich begrenzte Bereiche mit hoher Temperatur oder hoher Scherspannung vermieden werden.
• Widmen Sie der Reinigung und Wartung der Formen ausreichende Aufmerksamkeit und vermeiden Sie Bereiche mit unregelmäßig hohen Temperaturen, Restverunreinigungen und Bereiche, in denen sich überschüssiges Material ansammeln kann.
• Achten Sie bei der Verwendung von Recyclingmaterial auf eine ausreichende Trocknung und vermeiden Sie die Kontamination mit Verunreinigungen.
• Sorgen Sie für einen ausreichenden Freisetzungsgradienten und minimieren Sie die Verwendung von Trennmitteln.

* Praktische Überlegungen zur Verwendung der modifizierten PPE-Harze der XYRON™-Familie von Asahi Kasei finden Sie in den folgenden Quellen.

→ Übersetzung für "製品" im Deutsch
→ Folgende Teile des technischen Handbuchs: Abschnitt 7 (Konstruktionsrichtlinien für Formkörper), Abschnitt 8 (Formkonstruktion), Abschnitt 9 (Praktische Überlegungen zum Formprozess), Abschnitt 10 (Sekundärverarbeitung) und Abschnitt 11 (Chemische Beständigkeit)

→ Die Reihe „Grundlagen der CAE-Analyse“, insbesondere Band 4: Was ist Spritzgießen?

6. Modifizierte PPE-Harze und ökologische Nachhaltigkeit

Wie oben erläutert, sorgen die hervorragende Hitzebeständigkeit und Hydrolysebeständigkeit von PPE für minimale Leistungseinbußen während der Produktnutzung sowie minimale Änderungen der physikalischen Eigenschaften beim erneuten Schleifen von Materialfragmenten wie Angüssen und Läufern. Diese Eigenschaften stellen auch sicher, dass die Leistung von PPE-Harzen durch Recycling und Wiederverwendung relativ einfach erhalten werden kann.

Im Großen und Ganzen gibt es zwei allgemeine Strategien zur Steigerung der Nachhaltigkeit modifizierter PPE-Harze.

6-1. Herstellung von PSA aus Biomasse

Die Bestandteile von PPE, Phenol und Methanol, werden üblicherweise aus fossilen Brennstoffen hergestellt. PPE kann jedoch auch biomassetauglich gemacht werden, indem Phenol und Methanol aus Biomassequellen verwendet werden.
Eine gängige Strategie zu diesem Zweck ist die Massenbilanzmethode. Diese Methode basiert auf der praktischen Realität, dass Fabriken, die für die Herstellung von Produkten aus fossilen Brennstoffen konzipiert sind, nicht einfach oder schnell auf die Herstellung von Produkten aus 100 % Biomasse umgestellt werden können. Stattdessen werden bei der Massenbilanzmethode im Herstellungsprozess herkömmliche fossile Brennstoffe mit einem gewissen Anteil an aus Biomasse gewonnenen Zutaten vermischt. Die daraus resultierenden Produkte können dann je nach dem Anteil der bei ihrer Herstellung verwendeten Biomassezutaten als teilweise biomassekonform zertifiziert werden.

→ Klicken Sie hier, um mehr über Asahi Kasei Bemühungen zur Herstellung von PSA aus Biomasse zu erfahren: Asahi Kasei Plastics Singapore erhält ISCC PLUS-Zertifizierung

6-2. Herstellung von Partnerharzen für modifizierte PPE-Legierungen – einschließlich Polystyrol und Polyamid – aus recycelten Materialien und Biomassebestandteilen

Einige der Harze, mit denen PPE üblicherweise legiert wird, darunter Polystyrol und Polyamid, werden bereits aus Inhaltsstoffen aus Biomasse oder aus recyceltem oder wiederverwendetem Material hergestellt. Durch die Mischung von PPE mit diesen Materialien entstehen modifizierte PPE-Harze mit reduziertem ökologischen Fußabdruck.

→ Klicken Sie hier, um mehr über recycelte Sorten der XYRON™ modifizierten PPE-Harze von Asahi Kasei zu erfahren

Kolumne: Techniken zur Verbesserung der Mischung in Polymerlegierungen

Polymerlegierungen sind ein leistungsstarkes Werkzeug für eine Vielzahl von Materialanforderungen – aber nicht alle Materialkombinationen lassen sich unbedingt gut miteinander kombinieren. Eine unvollkommene Mischung von Legierungspartnern kann den gegenteiligen Effekt haben, dass sich die Materialleistung verschlechtert, insbesondere durch Ablösen und Brüche an Materialschnittstellen.

Wie oben erwähnt, lassen sich PPE und Polystyrol (PS) sehr gut miteinander vermischen – so gut, dass keine andere Materialkombination bekannt ist, die eine so natürliche Mischung ermöglicht. Die Leichtigkeit, mit der sich zwei Materialien vermischen lassen, kann anhand eines Benchmarks beurteilt werden, der als sp-Wert bekannt ist; PPE und PS haben nahezu identische sp-Werte, was auf gute Mischeigenschaften hinweist.

Materialien, die sich von Natur aus nicht gut miteinander vermischen lassen, können dennoch erfolgreich vermischt werden, indem man Kompatibilisatoren hinzufügt – Substanzen, die sorgfältig ausgewählt werden, um gute Mischeigenschaften mit jedem der Materialien zu haben, die man kombinieren möchte. Wie in Abbildung 4 dargestellt, kann das Kompatibilisator, da es sowohl mit Material A als auch mit Material B kompatibel ist, in jedes der Materialien gemischt werden, um die Mischung der beiden Materialien zu erleichtern.

Bei modifizierten PPE-Harzen werden Kompatibilisatoren verwendet, um das Mischen bei der Herstellung von PA+PPE- und PP+PPE-Legierungen zu erleichtern.

(Geschrieben von Isao Sato, Technisches Büro von Isao Sato)

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