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POM - Polyoxymethylen (Delrin®)

chem-Formel-POM-1568e7480eb65cPolyoxymethylen

andere Bezeichnungen:  Acetalharz, Polyacetal, Polyformaldehyd, Polytrioxan

Kurzzeichen:  POM

CAS-Nr.: 9002-81-7

 

Wichtige Handelsnamen und Markeneigner

CELCON® - Ticona/Celanese Corp.
DELRIN® - E. I. DuPont de Nemours and Company  
DURACON® - Polyplastics Corp. Ltd.

FORMOSACON® - Formosa Plastics Corp.
HOSTAFORM® - Ticona/Celanese Corp.
IUPITAL® - Mitsubishi Engeneering Plastics Corp.
KEMATAL® - Ticona/Celanese Corp.
KEOTALl® - Korea Engeneering Plastics
KEPITAL® - Korea Engeneering Plastics
KOCETAL® - Kolon Industries, Inc. and Toray Industries, Inc. 
LUCEL® - LG Group
TARNOFRORM® - Zakłady Azotowe Puławy S.A.
TENAK® - Asahi Kasai Chemicals Corp.
TEPCON®-Taiwan Engeneering Plastics
SCHULAFORM® - A. Schulman Inc.
SNIATAL® - Solvay-Rhodia
ULTRAFORM®-BASF SE.

 

Geschichtliches

Polyoxymethylen (POM) gehört mit zu den weltweit am häufigsten verwendeten Thermoplast-Kunststoffen. Es ist ein hochkristallines Polymer aus Formaldehyd, das erstmalig in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts von dem deutschen Chemiker und Begründer der Makromolekularchemie, Hermann Staudinger (1881-1965), im Rahmen seiner grundlegenden Untersuchungen über hochmolekulare Stoffe dargestellt worden ist. Staudingers Theorie über die Zusammensetzung von Kunststoffen aus chemischen Verbünden gleichartiger, niedermolekularer Molekülgruppen blieb zunächst unbeachtet. Erst als sich mit den Arbeiten des Amerikaners Wallace Hume Carothers (1896-1937) die Thesen von Hermann Staudinger in der Praxis bestätigten, wurden diese von der Fachwelt anerkannt. Carothers war Leiter des Labors für organische Forschung bei DuPont und hatte dort bereits im Jahre 1941 die erste Polyesterfaser, das Nylon®, zur Produktionsreife geführt.

1952 erhielt DuPont das Patent zur Synthese von Polyoxymethylen. 1956 folgte das Produktionspatent für diesen Kunststoff, der von DuPont unter dem Namen DELRIN® am Markt eingeführt wurde. Im selben Jahr wurden schließlich auch Hermann Staudingers Pionierarbeiten auf dem Gebiet der Markromolekularchemie mit der Verleihung des Nobelpreises für Chemie gewürdigt.

 

Allgemeine Beschreibung

Das Grundmonomere des Kunststoffs Polyoxymethylen (POM) ist Formaldehyd (H2C=O). Der stechend riechende Aldehyd ist bei Zimmertemperatur gasförmig; er verflüssigt sich erst bei -19 °C und wird unterhalb -117 °C fest.

Da die Polymerisation des Formaldehyds, die Synthese von Polyoxymethylen, ein hochgereinigtes Ausgangsprodukt und absoluten Wasserausschluss erfordert, wird Formaldehyd für die großtechnische POM-Synthese durch Vorpolymerisation zunächst in das oligomere, aus drei Formaldhydmolekülen bestehende 1,3,5-Trioxacyclohexan überführt (Trivialname “Trioxan“; Schmelzpunkt +62 °C) und in einem nachfolgenden Prozess bei höheren Temperaturen wieder depolymerisiert. Das so gereinigte Synthesegas Formaldehyd wird sodann in Gegenwart von Aminen als Polymersisationskatalysatoren bei niedrigen Temperaturen zu Polyoxymethylen (POM) umgesetzt.

Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften POM sind in engen Grenzen vom Herstellungsverfahren und vom Polymerisationsgrad abhängig. Obwohl POM grundsätzlich als physiologisch unbedenklich gilt, schränken unterschiedliche Rest- und Spurengehalte von Synthesehilfsstoffen seinen Einsatz in sensiblen Bereichen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie ein. Die rechtlichen Regelungen hierfür sind im Deutschen Lebensmittel-, Bedarfsgegenstände und Futtermittelgesetzbuch (LFGB) niedergelegt [www.umweltdigital.de/nd/130107/vorschrift.html].

Im Jahre 2005 hat TICONA/CELANESE höchstreines, physiologisch unbedenkliches Polyoxymethylen (Typ HOSTAFORM®-MT®) auf den Markt gebracht, das von der amerikanischen “Food and Drug Administration“ (FDA) auch für Medizinprodukte zugelassen worden ist.

 

Verarbeitung

POM wird für Großserienprodukte sowohl durch Spritzguss als auch durch Extrusion und Hohlkörperblasen verarbeitet. Im kalten Zustand ist es auch durch spanabhebende Verfahren, wie Fräsen, Bohren und Drehen bearbeitbar. Wegen der einerseits möglichen Freisetzung von Formaldehyd durch unkontrollierte Erwärmung bei der mechanischen Bearbeitung und der andererseits bestehenden, hochentwickelten technischen Möglichkeiten zur Heißverformung haben die spanabhebenden Verfahren für Serienfertigungen jedoch weniger an Bedeutung erlangt.

POM lässt sich nur bedingt kleben. In jedem Fall ist eine vorausgehende Behandlung der Klebeoberflächen durch Beflammen oder Ätzen mit einem Primer, wie konzentrierte Phosphorsäure, notwendig.

 

Verwendung

POM schlägt mit seinen hervorragenden mechanischen Eigenschaften eine Brücke zu den teureren metallischen Werkstoffen. Es zeichnet sich durch hohe Zähigkeit und Abriebfestigkeit, niedrigen Reibungskoeffizienten, gute Formbeständigkeit und technisch einfach zu realisierende, thermische Formgebungsverfahren aus und ist daher für die Massenfertigung von Präzisions-Teilen bestens geeignet. Das betrifft besonders den material- und detailintensiven Fahrzeug- und Maschinenbau, aber auch den Modellbau. In diesen Bereichen ersetzen Verbindungselemente aus POM, wie Schrauben, Muttern und Bolzen, Elemente zur Kraftübertragung und Getriebeteile, wie Zahnräder und Wellen, Passteile, wie Haltebuchsen und Gleitlager sowie Bedien-, Spann und Klemmelemente oft kostensparend und zugleich gewichtsmindernd metallische Werkstoffe.  

Für Labor- und Versuchsapparaturen sind inzwischen auch zahlreiche Kleinteile aus POM (DELRIN®) dauerhaft eingeführt, die sterilisierbar sind (Dampf bei +121 °C und Ethylenoxid). Hierzu gehören Ventile, Hähne und Schnellverschluss-Kupplungen für flüssige Medien und für Gase.

Auch technische Nischenprodukte, wie Möbelbeschläge, Griffe, Scharniere und Krampen für Reißverschlüsse und andere Kleinteile werden aus POM statt aus Metallen rentabel gefertigt.

Die geringe Wasseraufnahmefähigkeit von Polyoxymethylen ist eine wesentliche Voraussetzung für seine guten Isolationseigenschaften. Daher hat der Kunststoff auch in Bereichen der Elektro- und Elektronikindustrie zahlreiche Anwendungen gefunden, so z.B. für Spulenkörper, Isolatoren, Steckverbinder, schaltmechanische Bauelemente und für Gehäuse elektrischer oder elektronischer Geräte.

Wegen der Verfärbung und schnellen Versprödung von POM bei UV-Einwirkung ist der Kunststoff jedoch für Außenkonstruktionen ungeeignet. Auch durch ionisierende Strahlung wird Polyoxymethylen schnell zerstört.

 

Chemische Eigenschaften

Polyoxymethylen ist ein thermoplastischer, kristalliner Kunststoff, der linear aufgebaut und völlig frei von Weichmachern ist. Gegenüber Alkalilaugen ist POM stabil, ebenso auch gegenüber Benzin, Diesel und Ölen sowie Alkoholen, Aromaten, wie Benzol, und vielen anderen Lösungsmitteln. Hochhalogenierte Lösungsmittel lassen den Kunststoff quellen.

POM hat einen niedrigen Sauerstoffindex (LOI) und ist daher selbstbrennbar. Hierbei wie auch beim Erhitzen über +240 °C depolymerisiert POM wieder zu Formaldehyd, der Allergien sowie Haut-, Atemwegs- und Augenreizungen auslösen kann. Von der EU wurde Formaldehyd sogar als CMR-Gefahrstoff (cancerogen, mutagen und reproduktionstoxisch) eingestuft. 

Obgleich für POM oft eine hinreichende Säurebeständigkeit angegeben wird, ist dennoch gegenüber allen Säuren (PH ≤ 4) generelle Vorsicht geboten, weil POM als Halbacetal hydrolyseempfindlich ist. Durch die Wahl entsprechender Reaktionsbedingungen bei der Polymerisation als auch durch chemische Veränderungen am Makromolekül lassen sich bestimmte Eigenschaften von POM noch verbessern. Je nach angewandten Verfahren wird zwischen dem “homo-polymeren“ POM-H und dem “co-polymeren“ POM-C unterschieden.

POM-H ist ein hochpolymerer Kunststoff, er entspricht der einfachen linearen Struktur -[CH2-O-]n. Die reaktiven Endgruppen des Makromoleküls sind durch Veretherung oder Veresterung blockiert, so dass der Kunststoff weniger hydrolyseempfindlich ist. POM-H ist auch etwas härter als unverändertes Polyoxymethylen und hat eine wenig größere Dichte. Ein typischer Vertreter für POM-H ist DELRIN®.    

POM-C wird durch Co-Polymerisation von Formaldehyd und 1,4-Dioxan (C4H8O2), einem cyclischen Di-Ether, erhalten. POM-C ist gegenüber POM-H um die linear aufgebaute Gruppierung -CH2-CH2-O- erweitert. Daraus leitet sich für diesen Kunststoff eine lineare Struktur  -[(CH2-O)n-(CH2-CH2-O-)m]x ab.

Seine Dichte ist etwas kleiner, als die von POM-H und ist gegenüber unveränderten POM säureunempfindlicher. Es ist zudem geringfügig zäher und weist daher auch eine etwas bessere Abriebfestigkeit auf. Ein typischer und in seiner Anwendung weit verbreiteter Vertreter für POM-C ist HOSTAFORM®.

 

Handelsformen

POM-H und POM-C fallen als Granulate an, die durch Heißverformungen sowohl zu Halbzeugen in unterschiedlichsten Dimensionierungen und Formen, wie Folien, Platten, Profil- und Hohlstäbe sowie Rohre als auch zu unmittelbar einsatzfähigen, mechanischen und elektrotechnischen Bauelementen weiterverarbeitet werden.

 

Technische Daten POM-H  
allgemeine Eigenschaften  
Dichte 1,43 g / cm3
Farben weiß; beliebig einfärbbar
Lichtdurchlässigkeit opak
Wasseraufnahme  
in Atmosphäre +23 °C/50% rel. Feuchte 0,20 % (ISO 62)
in Wasser +23 °C/Wassersättigung 0,85 % (ISO 62)
Brennverhalten brennbar (IEC 60695)
Sauerstoff-Index (LOI) 15 % O2 (ISO 4599-1/2)
Brandklasse (UL 94) HB
   
thermische Eigenschaften  
Wärmeleitfähigkeit 0,37 W / m · K(DIN 52612)
Schmelztemperatur +175 bis +177 °C (ISO 11357-1/3
Zersetzungstemperatur ca. +240 °C
Wärmeformbeständigkeit +115 °C [1,8 MPa] (ISO 75 HDT/A)
linearer Wärmeausdehnungskoeffizient 1,22 · 10-8 / K
maximale Einsatztemperatur  
kurzzeitig +140 °C
dauerhaft +100 °C
minimale Einsatztemperatur -50 °C
   
elektrische Eigenschaften  
Dielektrizitätskonstante (50 Hz)   3,8 (IEC 60250)
Dielektrizitätskonstante (1 MHz) 3,7 (IEC 60250)
Dielektrischer Verlustfaktor (50 Hz)  0,0015 (IEC 60250)
Dielektrischer Verlustfaktor (1 MHz)   0,005 (IEC 60250)
Durchschlagfestigkeit 32 kV / mm (IEC 60243-1)
spezifischer Durchgangswiderstand 1013 Ω / m(IEC 60093)
spezifischer Oberflächenwiderstand 1016 Ω  / cm2 (IEC 60093)
Comparative Tracking Index (CTI/Kriechstromfestigkeit) 600 (IEC 60112)
   
mechanische Eigenschaften  
Shore-Härte (D) 83 (ISO 868)
Kugeldruckhärte 174 N · mm(ISO 2029-1)
Kerbschlagarbeit (+23 °C) 8,0 kJ / m2 (ISO 180/1A)
Charpy- Kerbschlagzähigkeit  9 kJ / m2 (ISO 179/1A)
Zugelastizitätsmodul 3,1 GPa (ISO 527-1/2)
Reißdehnung 50% (ISO 527)
Zugfestigkeit 70 MPa (ISO 527)
Streckspannung 72 MPa (ISO 527)
   
chemische Beständigkeit  
Schmierstoffe sowie Benzin und andere aliphatische Kohlenwasserstoffe beständig
Benzol, Xylol und andere aromatische Kohlenwasserstoffe beständig
Phenole wenig beständig
halogenierte Lösungsmittel  abnehmende Beständigkeit mit steigendem Halogengehalt
Ester, Ketone   beständig
Alkalilaugen, Ammoniak und Amine beständig
organische Säuren und Mineralsäuren  wenig bis gar nicht beständig
Wasserstoffperoxid beständig
Heißwasser  beständig
UV-Strahlung wenig beständig

 

Technische Daten POM-C  
allgemeine Eigenschaften  
Dichte 1,39 g / cm3
Farben weiß; beliebig einfärbbar
Lichtdurchlässigkeit opak
Wasseraufnahme  
in Atmosphäre +23 °C/ 50% rel. Feuchte 0,20 % (ISO 62)
in Wasser +23 °C/ Wassersättigung 0,80 % (ISO 62)
Brennverhalten brennbar (IEC 60695)
Sauerstoff-Index (LOI)  < 15 % O2 (ISO 4599-1/2)
   
thermische Eigenschaften  
Wärmeleitfähigkeit  0,31 W / m · K (DIN 52612)
Schmelztemperatur  163-167°C (ISO 11357-1/3)
Zersetzungstemperatur  < +240 °C
Wärmeformbeständigkeit +110 °C [1,8 MPa] (ISO 75 HDT/A)
linearer Wärmeausdehnungskoeffizient 1,1 · 10-8 / K
maximale Einsatztemperatur  
kurzzeitig +130 °C
dauerhaft +90 °C
minimale Einsatztemperatur  -50 °C
   
elektrische Eigenschaften  
Dielektrizitätskonstante (50 Hz)   3,8 (IEC 60250)
Dielektrizitätskonstante (1 MHz)  3,8 (IEC 60250)
Dielektrischer Verlustfaktor (50 Hz)  0,001 (IEC 60250)
Dielektrischer Verlustfaktor (1 MHz) 0,005 (IEC 60250)
Durchschlagfestigkeit  40 kV / mm (IEC 60243-1)
spezifischer Durchgangswiderstand 1014 Ω / m(IEC 60093)
spezifischer Oberflächenwiderstand 1014 Ω / cm (IEC 60093)
Comparative Tracking Index (CTI/Kriechstromfestigkeit) 600 (IEC 60112)
   
mechanische Eigenschaften  
Shore-Härte (D) 81 (ISO 868)
Kugeldruckhärte  145 N · mm(ISO 2029-1)
Kerbschlagarbeit (23°C)   5,5 kJ / m2 (ISO 180/1A)
Charpy- Kerbschlagzähigkeit 6 kJ / m2 (ISO 179/1A)
Zugelastizitätsmodul 2,7 GPa (ISO 527-1/2)
Reißdehnung 27 % (ISO 527)
Zugfestigkeit 62 MPa (ISO 527)
Streckspannung 65 MPa (ISO 527)
   
chemische Beständigkeit  
entspricht weitgehend der von POM-H.  

 

Weiterführende Literatur

(1) H. Staudinger, R. Singer et al., Über hochpolymere Verbindungen. Über die Konstitution der Polyoxymethylene. Justus Liebigs Annalen der Chemie. Vol. 474(1), S. 145-275 [1929]

(2) W. Kern, H. Chadron, V. Jaaks, Polyoxymethylene; Angewandte Chemie Vol. 73(6), S. 177-186 [1961]

(3) W. Kern, Die Bedeutung der Polyoxymethylene für die Entwicklung der makromolekularen Chemie, Colloid & Polymer Science Vol. 216/17, S. 286-298 [1967]

(4) M. Noatsch, F. Reuter, Polyoxymethylen (Polyacetale, POM), Kunststoffe. Vol. 91, S. 10 ff. [2001]

(5) R. Franck (Hrsg.), Kunststoffe im Lebensmittelverkehr. XXXIII. Acetalharze [2007]. Loseblattsammlung mit jährlicher Ergänzung, Carl Heymanns Verlag Köln, ISBN 3-452-16045-9