Описание
Политетрафторэтилен (PTFE, фторопласт 4) - материал с достаточно высокими механическими свойствами. При низких температурах он обнаруживает высокую прочность, вязкость и свойства самосмазки; при отрицательных температурах до -80°С PTFE (ПТФЭ, Ф4) сохраняет гибкость. Под действием внешней нагрузки политетрафторэтилен имеет способность к холодному течению (псевдо- или хладо- текучесть). Политетрафторэтилен (фторопласт 4) в сравнении с другими полимерами имеет наиболее низкий коэффициент трения по стали (около 0,04)
При нагревании выше плюс 327°С происходит плавление кристаллитов, но полимер не переходит в вязкотекучее состояние вплоть до температуры начала разложения (плюс 415° С).
Изделия из PTFE (ПТФЭ, Ф4) могут применяться при температуре от минус 269 до плюс 260°С и кратковременно при температурах до плюс 300°С. Благодаря отличным диэлектрическим свойствам в широком диапазоне частот и температур PTFE (ПТФЭ, Ф4) уникальный диэлектрик. Сопротивление изоляции изготовленной из него очень велико - превышает 1016 ОмхСм.
Благодаря своим химическим свойствам, полимер ПТФЭ обладает очень высокой стойкостью к химически агрессивной среде и списком других не менее отличительных свойств, которые выгодно располагают данный материал на фоне других. Фторопласт Тефлон весьма устойчив практически ко всем кислотам и щелочам. В том числе, данный материал выдерживает воздействие органических и не органических растворителей, нефтепродуктов при широких интервалах температуры, от минус 269 градусов до плюс 260 градусов. Исключением являются только расплавленные щелочные металлы, элементарный фтор и трехфтористый хлор. Непревзойденные PTFE характеристики химической устойчивости позволяют ему применяться в тяжелой химической промышленности для изготовления деталей, необходимых в химической аппаратуре, различных емкостей, мембран, трубопроводов, уплотнительных элементов, прокладок и насосов.
Из ПТФЕ производят различные набивки, уплотнители для резьбы, фланцевые прокладки, детали торцевых уплотнений, пропитки различного вида для улучшения характеристик эксплуатации покрытия. Политетрафторэтилен имеет возможность использоваться в электротехнике и радиотехнике в качестве материала, позволяющиго изолировать провода и кабели. Листовой Тефлон обладает очень низкими показателями коэффициента трения, его практически невозможно намочить водой или какими либо органическими жидкостями, что прекрасно сочетается с широкими температурными качествами эксплуатации. Низкий коэффициент удельного трения делает ПТФЭ незаменимым в машиностроении в качестве прокладочного материала с высокими антифрикционными свойствами.
Технические характеристики
- Плотность, г/см куб.: 2,2
- Предел текучести, МПа: 11,8
- Прочность при разрыве, МПа: 14-34
- Относительное удлиннение, %: 250-500
- Модуль упругости (при сжатии/растяжении), МПа: 410/686
- Твердость по Бриннелю, МПа: 29-39
- Теплоемкость, Дж/(кг С): 1,04
- Теплопроводность, Вт/(м С): 0,25
- Коэф. линейного расширения, а*10.0000: 8-25
- Коэфициент трения: 0,04
- Интервал рабочих температур, C: -269 до +260
Фторопласты — это класс полимеров и сополимеров на основе фтора. Открытие материала произошло случайно в 1938-м году, когда американец Рой Дж. Планкетт изучал свойства нового хладагента хлорфторуглерода. Однажды он обнаружил на стенках канистр с закачанным под большим давлением газом неизвестный белый порошок. Рассудив, что это продукт полимеризации, он решил исследовать свойства нового вещества. Эти свойства оказались столь неординарны, что компания DuPont в 1941-м году его запатентовала под названием «тефлон» и начала искать ему практическое применение.
В 1947-м году были начаты работы над производством отечественного аналога — фторопласта.
Свойства
— Белый материал, скользкий и гладкий на ощупь, внешне похож на парафин или полиэтилен. Тугоплавок, не горюч, тепло- и морозостоек, сохраняет эластичность в температурном диапазоне от -70 до +270 °С. Выпускается также прозрачный фторопласт , но он менее термостоек, обычно выдерживает нагрев до 120 °С.
— Обладает высоким электрическим сопротивлением, великолепный диэлектрик и изоляционный материал.
— Отличается революционно низкой сцепляемостью (адгезией) — настолько, что пришлось разрабатывать специальные технологии, чтобы обеспечить надежное скрепление тефлонового покрытия с другими поверхностями.
— Крайне низок коэффициент трения и скольжения, что делает его популярным смазочным материалом.
— Не боится света и не пропускает УФ-излучение, не разбухает в воде, не смачивается жидкостями, в том числе маслами.
— Фторопласты хорошо обрабатываются, их отливают, прокатывают, сверлят, шлифуют, прессуют давлением.
— Инертен по отношению к человеческим тканям, поэтому подходит для изготовления имплантатов, например, сердечных клапанов, протезов, искусственных сосудов.
Фторопласты устойчивы к самым концентрированным кислотам и щелочам, не реагируют с ацетоном, спиртом, эфиром, не поддаются разрушающему воздействию ферментов, плесени и грибков. По химической стойкости превосходят все известные полимеры и даже такие металлы, как золото и платина. Разрушаются только фтором, трпифторидом фтора и расплавами щелочных металлов.
При температурах свыше 270 °С начинают разлагаться, выделяя, в числе прочих веществ, очень ядовитый газ перфторизобутилен. Тефлоновая посуда и посуда с тефлоновым покрытием безопасна, если ее не перегревать и не сжигать. Частички покрытия, попавшие в пищу, не перевариваются и выводятся через кишечник в неизмененном виде.
Недостатком фторопласта является его текучесть, из-за которой его нельзя в чистом виде использовать под нагрузкой и для больших конструкционных форм.
Применение
Фторопласты нашли широкое применение в различных областях. Они выпускаются в виде порошка, водного раствора (смеси фторопластовой пыли с водой), тонкой пленки, прессованных заготовок, которые методом механической обработки превращаются в детали приборов и машин.
Применяется фторопласт в военной, авиационной, космической технике, в электротехнике и радиоэлектронике, в машиностроении. В электротехнике и радиоэлектронике из них изготавливают изоляционные материалы, в машинах и станках — подшипники, прокладки, шайбы и другие узлы трения, а также детали сложной конструкции. Мелкодисперсионный фторопласт добавляют в смазки. Многие детали и поверхности покрываются тонким слоем вещества для защиты от коррозии.
В химической индустрии он используется для производства контейнеров, покрытий трубопроводов, шлангов, деталей, стойких к агрессивным средам, низким и высоким температурам, высокому давлению.
Фторопласты применяются в текстильном производстве для выпуска тканей с грязе- и водоотталкивающими свойствами, термостойких, износостойких, не впитывающих запахи.
В медицине из этого полимера делают протезы и имплантаты.
Применяется на конвейерных лентах по производству пенопласта в строительной индустрии.
В пищевой индустрии очень популярны противни, формы, печи, вафельницы, грили, кофеварки, посуда с покрытием из тефлона.
Тефлон можно встретить в быту на посуде с антипригарным и антиприлипающим покрытием, на бритвенных лезвиях (для увеличения их срока службы), на пластинах для утюгов и на гладильных досках, в хлебопечках, кофейниках, в обогревательных приборах.
Применяется в энтомологии при содержании нелетающих насекомых — они не могут подняться по гладким фторопластовым стенкам домика, то есть не могут убежать.
Через интернет-магазин «ПраймКемикалсГрупп» вы можете заказать фторопластовую химическую посуду , воронки и емкости для реакторов, выполненные из качественного фторопласта.
Политетрафторэтиле́н , тефло́н или фторопла́ст -4 (-C 2 F 4 -) n - полимер тетрафторэтилена (ПТФЭ), пластмасса , обладающая редкими физическими и химическими свойствами и широко применяемая в технике и в быту .
Слово «Тефлон» является зарегистрированным товарным знаком корпорации DuPont . Непатентованное название вещества - «политетрафторэтилен» или «фторополимер». В СССР и России традиционное техническое название этого материала - фторопласт .
Политетрафторэтилен был открыт в апреле 1938 года 27-летним учёным-химиком Роем Планкеттом из компании Kinetic Chemicals, который случайно обнаружил, что закачанный им в баллоны под давлением газообразный тетрафторэтилен спонтанно полимеризовался в белый парафиноподобный порошок . В 1941 году компании Kinetic Chemicals был выдан патент на тефлон, а в 1949 году она стала подразделением американской компании DuPont .
Свойства
Физические
Тефлон - белое, в тонком слое прозрачное вещество, по виду напоминающее парафин или полиэтилен . Плотность по ГОСТ 10007-80 от 2,18 до 2,21 г/см 3 . Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остаётся гибким и эластичным при температурах от -70 до +270 °C, прекрасный изоляционный материал. Тефлон обладает очень низкими поверхностным натяжением и адгезией и не смачивается ни водой , ни жирами , ни большинством органических растворителей .
Фторопласт - мягкий и текучий материал, имеет ограниченное применение в нагруженных конструкциях. Обладает очень низкой адгезией (липучестью).
DuPont указывает температуру начала плавления согласно стандарту ASTM D3418 для разных типов тефлона от 260 °С до 327 °С.
Химические
По своей химической стойкости превосходит все известные синтетические материалы и благородные металлы . Не разрушается под влиянием щелочей , кислот и даже смеси азотной и соляной кислот . Разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидом хлора .
Производство
Производство политетрафторэтилена включает в себя три стадии: на первой стадии получают хлордифторметан заменой атомов хлора на фтор в присутствии соединений сурьмы (реакция Свартса) между трихлорметаном (хлороформом) и безводным фтористым водородом ; на второй стадии получают тетрафторэтилен пиролизом хлордифторметана; на третьей стадии осуществляют полимеризацию тетрафторэтилена.
Изделия из ф-4 производятся способом холодного прессования с последующим запеканием при температуре 365±5 °C. Процесс прессования идет из водной эмульсии ПТФЭ в присутствии ПАВ (например, перфтороктановой или перфтороктансульфоновой кислот), которое стабилизирует эмульсию и делает возможным производство воднодисперсного политетрафторэтилена.
Основной производитель фторопласта в России Кирово-Чепецкий химкомбинат имени Константинова, г. Кирово-Чепецк Кировской области.
Применение
Промышленность и техника
Благодаря химической инертности, гидрофобности и текучести материал получил широкое распространение для уплотнения резьбовых и фланцевых соединений (лента ФУМ).
Смазка
Фторопласт (тефлон) - великолепный антифрикционный материал с коэффициентом трения скольжения, наименьшим из известных доступных конструкционных материалов (даже меньше, чем у тающего льда). Из-за мягкости и текучести цельные подшипники скольжения из фторопласта используют редко. В высоконагруженных узлах применяют металлофторопластовые подшипники-вкладыши и металлофторопластовые опорные ленты. Такой элемент скольжения выдерживает десятки килограммов на квадратный миллиметр и состоит из металлической основы, на которую нанесено фторопластовое покрытие.
Электроника
Тефлон широко используется в высокочастотной технике, так как, в отличие от близких по свойствам полиэтилена или полипропилена , имеет очень слабо меняющийся с температурой коэффициент диэлектрической проницаемости, высокое напряжение пробоя , а также крайне низкие диэлектрические потери . Эти свойства, наряду с теплостойкостью, обусловливают его широкое применение в качестве изоляции проводов, особенно высоковольтных, всевозможных электротехнических деталей, при изготовлении высококачественных конденсаторов, печатных плат .
В электронной технике специального назначения широко используется проводка с изоляцией из фторопласта, стойкая к агрессивным средам и высокой температуре - провода марки МГТФ , МС и ряд других. Провод в тефлоновой изоляции невозможно проплавить паяльником . Недостатком фторопласта является высокая холодная текучесть : если держать провод во фторопластовой изоляции под механической нагрузкой (например, поставить на него ножку мебели), провод через некоторое время может оголиться.
Медицина
Благодаря биологической совместимости с организмом человека политетрафторэтилен с успехом применяется для изготовления имплантатов для сердечнососудистой и общей хирургии, стоматологии, офтальмологии . Тефлон считается наиболее пригодным материалом для производства искусственных кровеносных сосудов и сердечных стимуляторов . В 2011 году впервые применён для пластики поврежденных носовой перегородки и стенок околоносовых пазух вместо титановых сеток. Через 12–15 месяцев имплантат полностью растворяется и замещается собственной тканью пациента.
Тефлон также используется в производстве других бытовых приборов. Тефлоновое покрытие в виде тончайшей плёнки наносят на лезвия бритв, что значительно продлевает срок их службы и облегчает бритьё.
Уход за посудой с тефлоновым покрытием
Тефлоновое покрытие не обладает большой прочностью , поэтому при приготовлении пищи в такой посуде следует использовать только мягкие - деревянные, пластиковые или покрытые слоем пластика - принадлежности (лопатки , половники и т.п). Посуду с тефлоновым покрытием нужно мыть в тёплой воде мягкой губкой, с добавлением жидкого моющего средства , без использования абразивных губок или чистящих паст. Избегать перегрева и жарки на большом огне.
Одежда
В производстве современной высокотехнологичной одежды применяются мембранные материалы на основе экспандированного политетрафторэтилена.
Путём физической деформации тефлона получается тонкая пористая плёнка, которая наносится на ткани и используется при пошиве одежды. Мембранные материалы, в зависимости от особенностей изготовления, могут обладать как ветрозащитными, так и водоизоляционными свойствами, при этом нормированный размер пор мембраны из политетрафторэтилена позволяет материалу эффективно пропускать испарения тела человека.
Существует мембранный материал из политетрафторэтилена на тканевой основе, который пропускает воздух, но не пропускает ветер.
- Гор-Тэкс - водонепроницаемая дышащая мембрана.
Другие изделия
Изделия, в производстве которых используется тефлон:
|
|
Опасность политетрафторэтилена
Возможное негативное влияние политетрафторэтилена на здоровье человека уже много лет является предметом неоднозначных мнений. Сам по себе полимер очень устойчив и инертен в обычных условиях. Политетрафторэтилен не вступает в реакцию с пищей, водой и бытовыми химическими средствами.
При попадании в организм политетрафторэтилен безвреден . Всемирная организация здравоохранения обратилась в Международную организацию борьбы с раком с просьбой провести опыт на крысах. Опыт показал, что при употреблении с пищей до 25 % политетрафторэтилена он не оказывает никакого воздействия. Данное исследование было проведено в 1960-х годах и повторно в 1980-х годах на распространённой популяции крыс, которые каждый день потребляли ПТФЭ в количестве, соответствующем 25 % общего приёма пищи .
Исследования французских экспертов, опубликовавших в журнале «60 Millions de Consomateurs» результаты лабораторного исследования 13 образцов сковородок, подтверждают безопасность противопригарного покрытия. Французский журнал сообщает, что в результате испытаний была доказана полная безопасность сковород. Все образцы успешно прошли испытание после тысячекратного натирания поверхностей абразивным материалом в течение двух циклов .
Фторопласт потенциально биологически опасен в двух случаях: при производстве и перегреве готового полимера. Производство полимера использует токсичные и канцерогенные вещества, которые могут попадать в окружающую среду как при утечках, так и в виде производственного загрязнения готового продукта. Продукты термического разложения фторопласта ядовиты .
Производственные загрязнения
Основным источником биологических рисков при производстве фторполимеров считается перфтороктановая кислота (ПФОК, PFOA). Это соединение применялось в США с 50-х годов XX века. Первые сведения о влиянии на здоровье были получены на заводах 3M и DuPont в 60-х годах. В 80-х годах к изучению биологических эффектов подключились научные группы. В конце 1990-х на проблему обратили внимание надзорные органы США, результатом чего стало признание опасности вещества и нормирование предельных концентраций. Технологические процессы на территории США были изменены с целью полного отказа от PFOA. Были запущены широкомасштабные кампании по контролю концентраций PFOA и уточнению его влияния на здоровье человека.
DuPont получил судебные претензии на сотни миллионов долларов от работников компании и окрестных жителей в связи с вредом здоровью и замалчиванием опасности производства. В 2006 году фирма DuPont, к тому моменту единственный производитель PFOA в США, согласилась удалить остатки реагента со своих предприятий до 2015 года . По официальной информации компании, с января 2012 года DuPont не использует PFOA в производстве посуды и форм для выпечки .
Известно, что перфтороктановая кислота распадается при температуре 190 ºС, тогда как технологический процесс спекания основы сковороды с антипригарным покрытием происходит при температуре 420 ºС . Таким образом предполагается, что, согласно технологическому процессу, наличие PFOA в готовой сковороде маловероятно . Тем не менее исследование, проведённое в 2005 году, выявило содержание PFOA в PTFE-покрытии новой посуды от 4 до 75 мкг/кг (при содержании в пищевой плёнке около 1800 мкг/кг и в материале упаковок для попкорна до 290 мкг/кг) .
Независимые европейские исследования показали, что антипригарные покрытия не содержат PFOA в количествах, превышающих допустимые безопасные пределы. Китайская академия контроля качества, инспекции и карантина (GAQSIQ), датский технологический институт подтверждают, что воздействие PFOA, используемой при производстве посуды, не обнаружено. .
В России нет нормативных документов, ограничивающих производственные загрязнения фторопластов, что может негативно сказываться на качестве продукции с содержанием фторопластов.
Термическое разложение политетрафторэтилена
Скорость пиролиза тефлона зависит от степени полимеризации. Признаки разложения обнаруживаются при температуре 200 °C. Процесс протекает относительно медленно до 420 °C. При температурах от 500 °C до 550 °C потеря веса достигает 5-10 % в час в инертных средах, резко ускоряясь в присутствии кислорода воздуха. При температурах от 300 до 360 °C продукты разложения преимущественно гексафторэтан и октафторциклобутан . Свыше 380 °С появляется перфторизобутилен и другие продукты пиролиза.
Среди продуктов теплового разложения политетрафторэтилена самым опасным считается перфторизобутилен - крайне ядовитый газ, который примерно в 10 раз ядовитее фосгена .
Продукты термического разложения вызывают картину отравления, напоминающую литейную лихорадку . Вероятно, ядовит и обладает пирогенным эффектом также аэрозоль политетрафторэтилена, особенно свежеполученный, на котором сорбированы продукты деструкции. При вдыхании пыли холодного политетрафторэтилена через 2-5 ч у всех рабочих наблюдались симптомы, получившие название «тефлоновой лихорадки». Типичную тефлоновую лихорадку наблюдали при работе с политетрафторэтиленом, нагретом > 350 °C. При обследовании 130 человек и наличии в воздухе аэрозоля политетрафторэтилена в концентрации 0,2-5,5 мг/м3 выявлено, что у большинства работавших повторялись приступы лихорадки. У этих же лиц в моче обнаружен фтор (0,098-2,19 мг/л). Выделение фтора оказалось существенно выше при бóльшем стаже и повторных приступах.
Поскольку массовое выделение ядовитых веществ тефлоном начинается при температурах свыше 450 °C, то посуда с противопригарными покрытиями считается безопасной, так как при нормальной эксплуатации таких температур достичь невозможно. Следует учитывать, что производители считают нормой только нагрев с водой или маслом в сковороде. Вода препятствует перегреву тефлона. Пищевые масла разлагаются при температурах до 200 °C с выделением дыма, что облегчает идентификацию перегрева. Нагрев на плите сухой посуды считается нештатным и в этом случае температуры пиролиза тефлона легко достижимы. Для упрощения эксплуатации посуда может снабжаться встроенными визуальными индикаторами температуры.
Пайка проводов с фторопластовой изоляцией требует обязательного наличия вытяжной вентиляции.
Опасность продуктов разложения тефлона для птиц
Особое строение дыхательной системы птиц делает их сверхчувствительными к токсичным веществам, содержащимся в окружающей среде. Установлено, что даже минимальное количество перфтороктановой кислоты, попадая с вдыхаемым воздухом в организм птицы, поражает её дыхательную систему, приводя к смерти через некоторое время (от нескольких минут до десятков часов) . Мелкие птицы более чувствительны к токсичным веществам, им достаточно нескольких секунд вдыхания испарений тефлона, в течение последующих 24 часов наступает смерть.
Вначале, когда новость о смертоносном вреде тефлона для птиц только появилась, было принято считать, что смертельные пары выделяются лишь при очень высоких температурах. К настоящему времени достоверно зафиксирован случай смерти 52 % птиц, в течение 3 суток дышавших испарениями тефлоновых поверхностей осветительных ламп, нагретых до 202 °C . По другим сведениям, достаточно всего лишь около 163 °C (325 °F) или даже 140-149 °C (285-300 °F) , но эти данные требуют дополнительной проверки.
Существует очень много сведений о гибели домашних птиц (например, попугаев) от испарений тефлоновых сковородок, оставленных без присмотра и перегретых выше безопасной температуры.
См.также
Примечания
- Скользкий тип: Тефлон - журнал «Популярная механика»
- Roy J. Plunkett - Chemical Heritage Foundation
- Accidental Invention of Teflon
- What lab accident created Teflon
- Fluoropolymer Comparison - Typical Properties
- Уткин В. В. Завод у двуречья. Кирово-Чепецкий химический комбинат . - с цв. вкладками. - Киров: ОАО "Дом печати - Вятка", 2006. - Т. 3. - 240 с. - 1000 экз. - ISBN 5-85271-250-7 .
- Уткин В. В. 1 // Завод у двуречья. Кирово-Чепецкий химический комбинат имени Б.П.Константинова . - с цв. вкладками. - Киров: ОАО "Дом печати - Вятка", 2007. - Т. 4. - 144 с. - 1000 экз. -
Общее название «фторопласт» для линейки фторсодержащих полимеров появилось в середине прошлого века в СССР. Термин до сих пор используется в промышленности России с номерными индексами от «Фторопласт-2» до «Фторопласт-4», но не является зарегистрированной или запатентованной торговой маркой.
Основные свойства и применение в промышленности
Схожи не только техническое название полимеров «Фторопласт», но и свойства, и основные характеристики всех его видов:
- тугоплавкость;
- инертность;
- диэлектрическая проницаемость фторопласта.
В различных марках фторопластов эти характеристики количественно разнятся, что обуславливает разные возможности применения материала.
Три основных марки фторопласта:
Изготовление деталей из фторопласта производят одним из четырех способов:
- холодная прессовка с дальнейшим запеканием изделия из фторопласта и финишной механической обработкой;
- экструзия;
- напыление;
- оплавка.
Применение «двойки» в промышленности вытекает из нескольких параметров, по которым этот вид фторопласта превосходит другие:
- высокая твердость, прочность и жесткость (при температурах до 120 оС);
- стойкость к воде, растворителям, излучениям любого вида;
- биологическая инертность - не вступает в реакции с продуктами питания и живым органическим материалом;
- практически не горюч;
- химически чистый материал (отсутствуют примеси, появляющиеся при производстве фторполимеров).
Для фторопласта-2 температура эксплуатации to = 150 оС; температура плавления фторопласта-2 = 170 оС.
Считается универсальным материалом, применяется во всех сферах деятельности, при условии ограничения нагрева.
Процесс создания ПВДФ
В результате лабораторных исследований, разработали несколько технологических процессов для получения фторопласта-2. По критериям рентабельности и выхода готового продукта, в промышленности используются три цепочки, отличающиеся инициаторами и балансом «стоимость/качество»
Свойства кристаллических фаз ПВДФ
Фторопласт-2 обладает четырьмя разновидностями кристаллической фазы, способными переходить из одной в другую под внешними воздействиями:
- α-фаза. Образуется из расплава без использования давления или из других разновидностей при отжиге.
- β-фаза. Образуется из расплава под давлением 350 Мпа. Представляет особый интерес, так как в этой фазе материал демонстрирует пьезо- и пироэффекты.
- γ-фаза. Образуется из перегретого расплава. Нестойкая. При механическом воздействии (деформации образца) переходит в β-фазу.
- δ-фаза. Образуется из α-фазы при воздействии электрического поля. Отжигая образец в δ-фазе, при соблюдении определенных условий, можно получить любую из трех других разновидностей.
Производители и применение
В настоящее время фторопласт-2 в России не производится. Ведущие зарубежные поставщики: Agru (Австрия), FIP Spa (Италия), Georg Fisсher (Швейцария), Simona (Германия), Glynwed Pipe SYSTEMS LTD.
Трубы и узлы трубопроводов (краны, фитинги) для перекачки агрессивных сред или для производства особо чистых материалов – это то, что делают из фторопласта-2.
Листовой Ф-2 используется для футеровки емкостей и стен помещений.
Импортируют в Россию готовые изделия из фторопласта-2, а также прутки или листы.
Действующие санкции Запада в последнее время снизили возможности закупки.
Фторопласт-3 (Ф-3, Ф-3Б, PCTFE)
Обладает двойственными характеристиками - при температуре до 50 оС представляет собой аморфную массу, при нагреве кристаллизуется и превращается в полимерный кристалл с иными, чем у аморфной фазы, физическими и химическими свойствами, зависящими от процентного соотношения кристалла и аморфного вещества. При дальнейшем нагреве до 200 оС кристалл расплавляется, при 300 оС – расплав обугливается и разлагается.
Рабочий диапазон температур от -200 до +125 оС. Материал инертен ко всем растворителям и химическим средам, но неустойчив к радиации и обладает относительно невысокими электроизоляционными свойствами.
Перечисленные особенности определили применение фторопласта-3 в узлах, работающих в агрессивной среде, но с невысокой физической нагрузкой.
Пленки из политрифторхлорэтилена используют для защиты поверхностей рабочих механизмов от контакта с обрабатываемой продукцией в пищевой промышленности, в фармацевтике, в медицине. Скользящие свойства позволяют применять такие узлы без дополнительной смазки.
Процесс создания PCTFE
Радиационный метод. Технологически сложен, требует соблюдения температурного режима. Достоинство – проводится при комнатной температуре.
Суспензионный метод. Простой, экономически выгодный, но продукт получается среднего качества.
Эмульсионный метод. Дороже, чем суспензионный, но качество полимера выше.
В популярной литературе технология промышленного получения PCTFE описана скудно.
Свойства PCTFE
Основное применение полимер получил в кристаллической фазе, прошедшей процесс закалки.
Закаленный полимер прозрачен, может использоваться в качестве смотровых окон для емкостей с агрессивными средами. При нагреве до 200 оС закаленный фторопласт-3 теряет закалку, кристаллизуется и мутнеет. Недостаток в том, что низкая теплопроводность фторопласта позволяет закалять детали не толще 3-4 мм.
Достоинство – поглощение паров воды и диффузия любых других газов через PCTFE равна нулю.
Тип Ф-3Б отличается от Ф-3 лучшей прозрачностью в световом и инфракрасном диапазонах.
Производство PCTFE
В России фторопласт-3 выпускается отечественными заводами, в соответствии с ГОСТ-13744 от 1987 года. На рынке представлен в виде порошков:
- марка «А» - для композиций;
- марка «Б» - универсальная;
- марка «В» - для выпрессовки изделий из композиций.
На основе марки «Б» выпускают суспензии на спирту (вид «С»), которые бывают нестабилизированными (вид «СК») и стабилизированными (вид «СВ»).
Фторопласт-4 (PTFE)
Фторопласт-4, или PTFE-материал, – самый универсальный продукт, представленный в линейке. Важность материала для промышленности и широкое применение полимера привели к принятию в 1980 году отдельного ГОСТ 10007-80 «Фторопласт-4. Технические условия (с Изменениями N 1, 2)».
Работает в широком температурном диапазоне, сохраняя свои свойства. Не смачивается ни водой, ни растворителями, ни жирами. Обладает низкими коэффициентами трения и прилипания (адгезии). Химическая стойкость политетрафторэтилена превосходит химическую стойкость золота.
Этот вид фторопласта выдерживает температуру от -200 до +270 оС. Температура плавления фторопласта-4 – 320 оС.
Ограничение в использовании - относительная мягкость полимера, поэтому его применяют в узлах с минимальной физической нагрузкой.
Высокая термостойкость фторопласта-4 используется в высокотемпературных трубопроводах, из него делают изоляцию высоковольтных проводов, технические ткани и фильтры различного назначения. Прокладки из Ф-4 с наполнителями устанавливают в подшипниках, предназначенных для работы в агрессивных средах, или без возможности смазки.
В быту он известен сантехникам и газовикам как ФУМ-лента, а домохозяйки используют сковородки с антипригарным покрытием из фторопласта-4, называемого в этом случае «Тефлон».
Тефлон
Это запатентованное название фторопласта-4, и свойства тефлона – то же самое, что и свойства марки полимера Ф-4. Высокая твердость материала и его инертность обусловили применение сырья в кухонной посуде.
Массовое распространение в быту предъявляет тефлону высокие гигиенические свойства. Исследования на животных для выяснения, чем вреден тефлон, выявили агрессивный компонент и доказали, что материал безопасен при обычной эксплуатации изделий с антипригарным покрытием. Разговоры о том, что тефлон вреден для здоровья, возникли из-за нарушения условий использования. Действительно, при перегреве посуды, например, если оставить сковородку на огне без присмотра, изделие нагревается до опасных значений температуры, и тефлоновое покрытие разрушается, выделяя ядовитые компоненты. Особенно ядовиты эти испарения для птиц, которые гибнут почти мгновенно.
Основным конкурентом для посуды с тефлоновым покрытием является керамическая посуда. По большинству сравниваемых параметров керамика лучше, чем тефлон. Кроме одного, но важного - ее цена гораздо выше.
Процесс создания PTFE
В России при производстве фторопласта-4 используют двухступенчатую технологию. На первом этапе в базовом веществе замещают атомы хлора на атомы фтора, на втором – производят термообработку и на финальном – полимеризуют готовый продукт.
Технические характеристики PTFE
Параметры вязкости фторопласта-4 исключают горячую штамповку изделий. Будущую деталь формируют холодным способом, а затем запекают.
У полимера «фторопласт-4» технические характеристики начинаются с эпитета «исключительный»:
- исключительные диэлектрические свойства;
- исключительная стойкость к вольтовой дуге;
- исключительно низкий тангенс угла диэлектрических потерь в широком диапазоне частот;
- высокая химическая стойкость;
- абсолютная стойкость в тропических условиях и в соляном тумане;
- исключительно низкий коэффициент трения.
Плотность фторопласта PTFE зависит от процента кристаллизации и колеблется от 2,12 до 2,28 г/см 3 .
Еще одним внешним фактором, влияющим на плотность фторопласта, является температура. При ее повышении плотность снижается до значения 1,53 г/см 3 .
Для сравнения, в нормальных условиях плотность капролона = 1,14 г/см 3 .
К недостаткам материала PTFE относятся малая прочность, низкая прозрачность и разрушаемость при радиации.
Применение PTFE
Применяется везде, где требуются антикоррозионные свойства, инертность узлов, но при этом нет большой механической нагрузки. В медицине изготавливают оборудование и элементы протезов, в том числе искусственные сосуды, имплантаты, емкости для сбора крови.
Разновидности фторопласта-4
Ф-4А и Ф-4Т в виде порошка применяются для изготовления деталей прессованием.
Ф-4Д в виде особо тонкого порошка с усиленными свойствами химической стойкости.
В международной нотации Ф-4 называются «Тефлон». Применение тефлона, как материала для антипригарного покрытия кухонной утвари, – самое известное использование фторопласта-4 под этим названием.
Композитные фторопласты
Это полимеры, в которые при изготовлении добавили наполнитель.
Применяются различные наполнители, в зависимости от того, какие свойства базового полимера необходимо усилить. Техническими условиями предусмотрено использование в добавках угля (кокса), угольного волокна, молибдена, кобальта.
Картинка присадки
Фторопласт с коксом, или фторопласт черный, обладает уникальной износостойкостью, в 600 раз превышающей показатель базового полимера Ф-4. Композитный материал фторопласт графитонаполненный (черный) применяют в узлах с критическими условиями по трению и затрудненным доступом обслуживания.
Проблемы соединения фторопластовых деталей
Превосходные свойства фторопласта по устойчивости к агрессивным средам, низкой смачиваемости, нулевой диффузии создают проблемы при необходимости склеить детали. Предлагались способы с предварительной обработкой поверхности, промывкой, сушкой и склеиванием эпоксидными составами. Испытания показали низкую прочность такого клеевого шва, клей под нагрузкой отваливался от поверхности.
Решение, чем склеить фторопласт с фторопластом, было найдено и запатентовано в СССР в 1977 году.
Метод заключается в обработке подготовленной поверхности жидким золотом и нагреве детали до температуры, когда золото восстановится и продиффундирует в полимер на глубину 1 микрон. Позолоченную поверхность склеивают компаундом с другой деталью.
Допускается вместо золота применять платину или серебро, но платина снижает прочность шва, а серебро недостаточно стойкое к воздействию агрессивной среды.
Проблема, чем клеить фторопласт к металлу, или полимер к фторопласту, удовлетворительно не решена до сих пор. Современные технологии предлагают специальные клеи, например, ФРАМ-30, но склеиваемая поверхность должна быть предварительно протравлена жидким натрием, да и качество шва получается невысокое.
Сортамент поставки
Фторопласты, предназначенные для дальнейшей переработки, поставляются в виде прутка, листов, пленок, порошков и суспензий. На сайтах большинства дилеров встроены онлайн-калькуляторы, рассчитывающие массу заказываемого ассортимента, беря за основу удельный вес фторопласта. Приблизительно можно определить вес фторопласта листового из расчета 2200 кг/1 м 3 , то есть лист 1000 мм х 1000 мм х 10 мм будет весить 22 кг. Для сравнения, аналогичный лист капролона будет весить около 15 кг.
Вес фторопластового стержня длиной 1000 мм и диаметром 100 мм будет около 18 кг.
Сравнение фторопласта и капролона
Капролон, или полиамид-6, по характеристикам близок к фторопласту. Отличие капролона от фторопласта в механических свойствах, но однозначно ответить, что прочнее – фторопласт или капролон, невозможно. Последний немного тверже, меньше деформируется и повреждается при равных нагрузках. Но при этом его износостойкость при длительной эксплуатации ниже, чем у фторопласта.
Изготовление деталей из капролона требует более высокой точности, но технологически деталь из него методом литья сделать проще и дешевле, чем прессовкой и запеканием из фторопласта.
Почти вдвое отличаются температуры плавления капролона и фторопласта. Первый плавится при 220 оС, а для второго – это рабочая температура.
Если требуется длительная эксплуатация с небольшими механическими нагрузками – желательно установить фторопластовую деталь, если механические нагрузки значительные, то лучше капролон, чем фторопласт. При сравнении, что лучше – фторопласт и капролон, при изготовлении втулок в расчет берутся параметры технологичности и прочности.
Фторопластовые втулки делают с допуском, чуть больше по внешнему размеру и чуть меньше по внутреннему, методом запрессовывания туда вала. При ударной нагрузке на вал втулка теряет форму и подлежит замене.
Капролоновые втулки жесткие, ударную нагрузку держат отлично, форму не теряют, но быстро изнашиваются. Требуются прецизионная точность изготовления и дополнительная амортизация узла.
Замена фторопласта
Высокие характеристики затрудняют замену фторопласта другими материалами. Принять решение, чем заменить фторопласт, можно при ограничениях в эксплуатационных параметрах узла. Например, низкие рабочие температуры позволяют произвести замену фторопласта на капролон без потери надежности. На рынке недавно появился импортный материал TECAPET (полиэтилентерефталат), пришедший на замену капролону. В России он пока не производится.
«ТЕФЛОН» – это торговое название политетрафторэтилена (PTFE) в США.
Известен под торговыми марками: Teflon®, Isoflon®, Fluon®, Nitoflon®, Forflon®, Hostaflon®, Algoflon®.
Хороший диэлектрик, устойчив к действию различных химических агентов, термически устойчив до 300°C.
Политетрафторэтилен (тефлон, фторопласт-4) (-C2F4-)n - полимер тетрафторэтилена (ПТФЭ), пластмасса, обладающая уникальными физико-химическими свойствами и применяемая в разных областях науки техники и в быту. Патент на изобретение тефлона принадлежит американской компании DuPont.
Свойства тефлона:
Физические свойства тефлона
Тефлон - белое, в тонком слое прозрачное вещество, по виду напоминающее парафин или полиэтилен. Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остается гибким и эластичным при температурах от -70°C до +270°C, прекрасный изоляционный материал. Тефлон обладает очень низкими поверхностным натяжением и адгезией и не смачивается ни водой, ни жирами, ни большинством органических растворителей.
Химические свойства тефлона
По своей химической стойкости тефлон превышает все известные синтетические материалы и благородные металлы. Тефлон не разрушается под влиянием щелочей, кислот и даже смеси азотной и соляной кислот. Тефлон разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидомхлора.
Применение тефлона
Тефлон применяют в химической, электротехнической и пищевой промышленности, в медицине,в военных целях, в основном, в качестве покрытий.
Электроника
Тефлон широко используется в высокочастотной технике, так как, в отличие от близких по свойствам, полиэтилена или полипропилена, имеет очень низкий коэффициент изменения коэффициента диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры, а также крайне низкими диэлектрическими потерями. Эти свойства тефлона, наряду с теплостойкостью, обуславливает широкое применение тефлона в военной и аэрокосмической технике.
Тефлон очень тугоплавок; провод в тефлоновой изоляции невозможно проплавить паяльником. Впрочем, недостатком тефлона является высокая текучесть. Если держать провод во фторопластовой изоляции под нагрузкой (например, поставить на тефлон ножку мебели), провод через некоторое время может оголиться.
Смазка
Фторопласт (тефлон) - великолепный антифрикционный материал, с коэффициентом трения скольжения наименьшим из известных доступных конструкционных материалов (у тефлона даже меньше, чем у тающего льда). Однако из-за мягкости и текучести тефлона, он неприменим для тяжело нагруженных подшипников и в основном используется в приборостроении.
Известны смазки со введённым в их состав мелкодисперсным фторопластом, их отличает то, что наполнитель, оседая на трущихся металлических поверхностях, позволяет в ряде случаев некоторое время работать механизмам с полностью отказавшей системой смазки, только за счёт антифрикционных свойств фторопласта (тефлона).
Из-за низкого трения и несмачиваемости тефлона насекомые не способны ползти по тефлоновой стене. В частности, тефлоновая защита применяется при содержании нелетающих насекомых, чтобы они не смогли вылезти наружу.
Пищевая промышленность и быт
Благодаря низкой адгезии тефлона, несмачиваемости и термостойкости тефлон в виде покрытия широко применяется для изготовления экструзионных форм и форм для выпечки, а также сковород и кастрюль. Тефлоновое покрытие в виде тончайшей плёночки наносят на лезвия бритв, что значительно продляет срок их службы и облегчает бритьё.
Уход за посудой с тефлоновым покрытием
Тефлоновое покрытие не обладает большой прочностью, поэтому при приготовлении пищи в такой посуде следует использовать только мягкие - деревянные, пластиковые или покрытые слоем пластика - принадлежности (лопатки, половники и т.п). Посуду с тефлоновым покрытием нужно мыть в тёплой воде мягкой губкой, с добавлением жидкого моющего средства, без использования абразивных губок или чистящих паст.
F F
R - C - C - R
F F
Фторопласт-3
Политрифторхлорэтилен . Термопластичен.
F Cl
R - C - C - R
F F
Сам по себе тефлон очень устойчив и инертен в обычных условиях. Однако при нагревании свыше 200 °C, политетрафторэтилен разлагается, с образованием токсичных продуктов. Кроме того, в производстве и при деструкции полимера, возможно образование перфтороктановой кислоты (сокращённо PFOA, или C-8).
В производстве тефлоновых покрытий по-прежнему используется перфтороктановая кислота, однако в январе 2006 г. фирма DuPont, единственный производитель PFOA в США, согласилась удалить остатки реагента со своих предприятий до 2015 г., хотя и не обязалась полностью исключить её применение.
Даже минимальное количество перфтороктановой кислоты, попадая с вдыхаемым воздухом в организм птицы, поражает ее дыхательную систему, приводя к смерти в течение нескольких минут. Доказано, что C-8, попадая в организм лабораторных крыс, вызывает у них злокачественные опухоли, может привести к мутациям у потомства и нарушениям иммунной системы. Научные исследования доказали, что выделяемые из тефлона вещества могут увеличить риск ожирения, инсулиновые проблемы и рак щитовидной железы. Кроме того, тефлон угрожает, по крайней мере, девяти видам клеток, которые влияют на работу иммунной системы.
