Что такое фторопласт?

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.

Фторопласт-2 (ПВДФ, PVDF)

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/см³.

Еще одним внешним фактором, влияющим на плотность фторопласта, является температура. При ее повышении плотность снижается до значения 1,53 г/см³.

Для сравнения, в нормальных условиях плотность капролона = 1,14 г/см³.

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 м³, 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.