Polioksymetylen (POM, acetal)

Polioksymetylen (POM, acetal)

Najważniejsze wnioski

• Dwie rodziny: homopolimer (typ Delrin) topi się w temperaturze ok. 175 °C i jest sztywniejszy; kopolimer (typ Celcon, Hostaform) topi się w temperaturze ok. 165 °C i lepiej znosi gorącą wodę, zasady i ciepło.
• Energia powierzchniowa 36–38 dyne/cm oraz obojętność chemiczna sprawiają, że acetal należy do tworzyw najtrudniejszych do klejenia, lakierowania i zadruku. W pierwszej kolejności należy projektować połączenia mechaniczne.
• Naturalny POM prawie nie daje się znakować laserem światłowodowym bez dodatku; ciemne gatunki pienią się do jasnoszarego koloru.
• Przegrzany POM uwalnia formaldehyd. Każde stanowisko laserowe i zgrzewalnicze wymaga odciągu.

Polioksymetylen (POM, acetal)

Polioksymetylen, zwykle nazywany acetalem lub POM, to silnie krystaliczne termoplastyczne tworzywo inżynieryjne zbudowane z powtarzalnych jednostek oksymetylenowych (CH2O). Dobiera się je ze względu na sztywność, stabilność wymiarową, odporność na zmęczenie i niskie tarcie, a w obróbce wtórnej jest znane z kłopotliwości, ponieważ niska energia powierzchniowa i obojętność chemiczna utrudniają zarówno klejenie, zadruk i lakierowanie, jak i znakowanie laserowe.

Pod tą nazwą kryją się dwie odmienne chemie. Homopolimer (wzorcem jest DuPont Delrin) to poliformaldehyd z zablokowanymi końcami łańcucha; kopolimer (Celcon, Hostaform, Ultraform) zawiera kilka procent jednostek tlenku etylenu, które zapobiegają rozpadowi łańcucha do formaldehydu pod wpływem ciepła, gorącej wody lub zasad.

Homopolimer a kopolimer

Porowatość osiowa ma znaczenie, ponieważ gruby pręt z homopolimeru stygnie od zewnątrz do wewnątrz, a rdzeń, krzepnący jako ostatni, ściąga pustki do środka przekroju; otwór lub powierzchnia zgrzewu, która się do nich otwiera, przecieka, słabo się klei i nierównomiernie znakuje. W elementach obrabianych skrawaniem należy określać kopolimer lub materiał o kontrolowanej porowatości.

Typowe właściwości i zastosowania

• Koła zębate, krzywki, łożyska i tuleje — sztywność, trwałość zmęczeniowa i smarowność sucha.
• Układy paliwowe — obudowy pomp, czujniki poziomu i korpusy zaworów, zwykle z kopolimeru.
• Mechanizmy podawania leków — koła zębate nastawy dawki, zapadki i spusty we wstrzykiwaczach insuliny, autowstrzykiwaczach i inhalatorach.
• Zamki błyskawiczne, sprzączki, klipsy i połączenia zatrzaskowe, łańcuchy przenośników, zawory i armatura wodociągowa.

Klejenie, lakierowanie i zadruk acetalu

Acetal otwiera listę trudnych podłoży każdego dostawcy klejów: energia powierzchniowa 36–38 dyne/cm jest niższa niż w przypadku większości farb, lakierów i klejów; gładka, silnie krystaliczna powierzchnia nie ma grup reaktywnych; żaden powszechny rozpuszczalnik jej nie atakuje, więc klejenie rozpuszczalnikowe odpada; a ponadto z założenia jest ślizgowa. Nieaktywowane połączenia na żywicy epoksydowej lub cyjanoakrylowe zwykle ulegają zniszczeniu poniżej 1 N/mm² i rozdzielają się czysto na granicy faz.

Po obróbce wstępnej i zastosowaniu dopasowanego kleju realna jest wytrzymałość 3–6 N/mm², a zniszczenie przenosi się do warstwy kleju, co świadczy o skuteczności obróbki wstępnej. Dla połączeń obciążonych obowiązuje zasada: połączenia zatrzaskowe, wciskowe, wtopione wkładki i obtryskiwanie, a kleje stosować do uszczelniania. Lakier i farby do tampondruku podlegają tej samej logice. Gatunków smarowanych PTFE lub silikonem nie da się uzdatnić do klejenia przez obróbkę.

Znakowanie laserowe i spawanie acetalu

Homopolimer trudniej się znakuje: wąskie okno topnienia powoduje, że energia dająca kontrast jest bliska energii topiącej powierzchnię, dlatego bazą dla gatunków nadających się do znakowania laserowego jest zwykle kopolimer. W obu przypadkach znak powstaje powyżej ok. 230 °C, przy której POM uwalnia formaldehyd, więc odciąg przy głowicy znakującej jest obowiązkowy. Zestawienie do znakowania laserowego tworzyw sztucznych podaje wyjściowe długości fali dla poszczególnych gatunków.

Rozwiązywanie problemów w operacjach wtórnych na acetalu

Określanie i weryfikacja znaków oraz połączeń na POM

• Należy podać pełną nazwę gatunku — homopolimer lub kopolimer, barwnik, środek smarny, zawartość szkła, dodatek laserowy. Samo „acetal” nie jest specyfikacją.
• Należy określić docelową energię powierzchniową i metodę: w produkcji minimum 42 dyne/cm wg ASTM D2578, kąt zwilżania do kwalifikacji.
• Okno czasowe między obróbką a klejeniem należy ustalić na podstawie próby zaniku efektu i ponownie mierzyć energię na tworzywie starzonym.
• Kryterium akceptacji połączenia należy zdefiniować jako ścinanie zakładkowe wg ISO 4587 lub ASTM D1002 z zapisem rodzaju zniszczenia: kohezyjne potwierdza obróbkę wstępną, adhezyjne na granicy faz ją dyskwalifikuje.
• Kryterium akceptacji znaku należy zdefiniować klasą weryfikatora (ISO/IEC 15415, klasa C lub lepsza dla UDI) z ponowną kontrolą po 72 godzinach pod kątem pęknięć naprężeniowych.
• Kontrolę oparów należy zapisać w specyfikacji każdego stanowiska laserowego i zgrzewalniczego.

Powiązane pojęcia i lektura uzupełniająca

• Znakowanie laserowe tworzyw sztucznych
• Metody obróbki wstępnej powierzchni
• Klejenie i łączenie
• Najlepsze praktyki klejenia tworzyw półkrystalicznych
• Znakowanie laserowe a druk atramentowy
• Znakowanie laserowe tworzyw wypełnionych i wzmacnianych

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie znakowania laserowego acetalu, obróbki wstępnej powierzchni, klejenia oraz kwalifikacji spawania. Jeżeli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub rozwiązują problem produkcyjny, pomoże nasz zespół usług inżynieryjnych. Skontaktuj się z nami, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego acetal jest tak trudny do klejenia?

Energia powierzchniowa 36–38 dyne/cm jest niższa niż w większości klejów, krystaliczna powierzchnia nie ma grup reaktywnych, a żaden powszechny rozpuszczalnik jej nie atakuje, więc nieaktywowane połączenia ulegają zniszczeniu na granicy faz. Plazma lub trawienie kwasowe oraz dopasowany klej zwiększają wytrzymałość na ścinanie zakładkowe do 3–6 N/mm²; dla obciążeń nadal obowiązuje łączenie mechaniczne.

Czy naturalny biały POM można znakować laserem?

Tylko w niewielkim stopniu laserem światłowodowym: POM jest przezroczysty dla 1064 nm i nie ma czego zwęglić. Skuteczne są trzy drogi: wprowadzony do mieszanki dodatek do znakowania laserowego w ilości 0,5–2%, laser UV, którego fotochemiczny znak wymaga znacznie mniej ciepła, albo druk atramentowy po obróbce wstępnej. Ciemne gatunki pienią się do jasnoszarego koloru.

Homopolimer czy kopolimer dla części klejonych, znakowanych lub spawanych?

W większości przypadków kopolimer: jego szersze okno topnienia znosi ciepło lasera i spawania przy mniejszej emisji formaldehydu, spawa się równomierniej, jest odporny na gorącą wodę i zasady, a jego półfabrykaty nie mają porowatości osiowej. Homopolimer wyróżnia się sztywnością, odpornością na pełzanie i zmęczenie; należy go wybierać tam, gdzie ten zapas ma większe znaczenie.

Jakie jest ryzyko formaldehydu przy znakowaniu laserowym lub spawaniu POM?

Powyżej ok. 230 °C łańcuch rozpada się do gazowego formaldehydu, który drażni drogi oddechowe i jest rakotwórczy; limit narażenia OSHA wynosi 0,75 ppm w ciągu 8 godzin i 2 ppm krótkotrwale. Każde stanowisko laserowe i zgrzewalnicze z płytą grzejną pracujące z acetalem wymaga odciągu miejscowego; ostry zapach oznacza przegrzanie powierzchni, więc najpierw należy zmniejszyć fluencję lub czas oddziaływania.

---