Фторопласт относится к группе углеводородов, имеет полимерную структуру. Он может содержать в своем составе от 1-го до 4-х атомов фтора, что определяет его технические и химические характеристики. В процессе синтеза образуется белый, легко комкующийся порошок, который прессуется и спекается под воздействием высоких температур.
Фторопласт был открыт в первой половине XX века в США. Способ получения и формула вещества держались в строгом секрете.
В Советском Союзе материал появился в годы второй мировой войны, а в последствии было налажено собственное производство фторопласта. Поначалу он использовался исключительно в промышленных целях, и только в конце XX века стал применяться для производства товаров народного потребления.
Сегодня этот полимер широко применяется в химической промышленности, строительстве, машиностроении, медицине, используется для изготовления высокотехнологичных тканей. Наиболее известным из всех фторопластов является политетрафторэтилен, называемый в России фторопласт-4. В разных странах он имеет различные названия – в США тефлон или галлон, в Европе – гостафлон, флюон и другие.
Откуда взялось?
Фторопласт – это соединение, которое впервые удалось изготовить в далеком 1938 году. Автором изобретения считается Рем Планкетт. В настоящее время слова «фторопласт» и «тефлон» используются как синонимы. Инженеры Советского Союза смогли создать такое же соединение в период Второй мировой войны. В то время трубка из фторопласта была большой ценностью: материал выдавали на строго ограниченные цели и только в небольших количествах. Каждая такая процедура требовала подтверждения со стороны представителей специальной службы безопасности.
В наши дни фторопласт листовой (а также в иных формах) представляет собой очень распространённый материал, обширно применяемый для достижения самых разных целей. Доступ к нему больше ничем не ограничен (кроме, конечно, цены).
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.
Применение фторопласта в различных областях
Применение фторопласта в различных областях в современном мире происходит повсеместно, начиная от глобальных масштабных проектов, где используют детали из этого конструкционного пластика, и вплоть до напыления на посуде — тефлон. Рассмотрим подробнее, где применяют фторопласт.
Фторопласт в автомобилестроении и машиностроении
Фторопласт в автомобилестроении и машиностроении активно применяют для производства различных запчастей для автомобилей и механизмов машиностроения, используя для этого фторопластовые заготовки в форме листа, пластины, плиты, стержня, круга, трубы. Из фторопласта различными способами изготавливают прокладки, уплотнители, сальники, манжеты, опоры скольжения. Мягкость и текучесть фторопласта-4 и его модификаций увеличивает срок службы деталей и узлов механизмов, подвергающихся трению. Фторопласт 4 (ф-4) отличный антифрикционный материал, недаром его называют «твердой смазкой»; обладает очень низким коэффициентом трения — 0,04, при взаимодействии между металлическими и фторопластовыми деталями коэффициент трения сопоставим с трением в подшипниках при наличии смазки. Для повышения износостойкости деталей создают композиты из фторопласта с добавлением графита, бронзы, армируют полимер стекловолокном. Фторопласт подходит для работ при высоком давлении, при низких температурах и в глубоком вакууме.
Фторопласт для электроники и радиотехники
Фторопласт для электроники и радиотехники применяют, так как полимер обладает исключительными изолирующими свойствами. Фторопласт-4 прекрасный диэлектрик (поверхностное электрическое сопротивление 1017 Ом), в электронной промышленности он идеален для изоляции проводов, особенно высоковольтных, разъемов, высоковольтных кабелей и электрических машин. Актуально его применение для производства уплотнительных деталей поршневого компрессора (например, поршневых колец), для изготовления сухих подшипников, работающих при низких температурах.
Фторопласт ф 4 незаменим для химической, атомной и космической промышленности
Фторопласт-4 является незаменимым материалом для химической, атомной и космической промышленности благодаря таким своим свойствам: обладает высокой сопротивляемостью к агрессивным средам, может контактировать долгое время с кислотами и щелочами, даже концентрированными, маслами, сточными водами, солями, керосином, нефтью и разными видами топлива. Фторопласт-4 устойчив к воздействию радиации, плесени, тумана и солнца. Благодаря этим характеристикам пластины (листы) фторопласта-4 широко применяют в химической промышленности для изготовления и футеровки насосов, емкостей для хранения и транспортировки; для защиты различных поверхностей от коррозии; для хранения спирта, смесей на его основе и особо чистых веществ, которые не должны быть загрязнены. Опыт применения этого полимера показывает, что защищенные фторопластом трубопроводы, реакторы и аппараты успешно функционируют 25—30 лет и более в тяжелых условиях химпроизводства и радиации.
Фторопласт для пищепрома
Фторопласт для пищепрома — этот полимер стал незаменим в этой сфере, он нетоксичен и безвреден для человека. В пищевой промышленности и быту фторопласт используют для изготовления посуды с противопригарным покрытием, кремовых шприцев, насадок для раскатки теста, фильтров и уплотнителей для техники, лезвий бритв. Его наносят тонким слоем способом напыления на поверхности, обеспечивая теплостойкость, несмачиваемость и продлевая срок службы изделий.
Применение фторопласта в медицине
Фторопласт-4 гигиеничен, обладает отсутствием вредного воздействия на организм человека и широко применяется в медицине в качестве емкостей для хранения крови и лекарственных препаратов, как материал для изготовления искусственных кровяных сосудов и клапанов. Из композитов на основе фторопласта изготавливают биосовместимые импланты для пластики уха, носовых перегородок, в стоматологии и офтальмологии.
Современные смазочные материалы с измельченным полимером фторопласт
Фторопласт в измельченном виде применяют в составах смазочных материалов. Благодаря развитию нанотехнологий в России появились различные присадки, масла и смазки с добавлением фторопласта, который в порошковом виде налипает на поверхность, заполняет все микротрещины и дефекты, значительно повышая защиту от трения и износа фрикционных деталей, в том числе при высоких температурах до +260°С. Но нужно понимать, что во многих недостоверных источниках указано, что фторопласт ф-4 российского или китайского производства выдерживает кратковременные нагрузки при +300°С и даже +400°С. На самом деле исходя из нашей практики при таких критических температурах этот полимер начинает деформироваться и разрушаться.
Применение фторопласта в строительстве
В строительстве современных мостов, путепроводов, эстакад и галерей из фторопласта листового делают важнейшие детали конструкций скользящих опор; фторопластовые детали (тефлоновые прокладки) повсеместно используют при строительстве зданий в зонах с повышенной сейсмической активностью, они дают возможность свободного перемещения элементам фундамента и каркаса зданий при землетрясениях.
Фторопласт в текстильной промышленности
Текстильная промышленность также использует фторопласт для своих нужд. Современные высокотехнологичные ткани для пошива одежды покрывают тончайшей пленкой из фторопластового сырья для придания им водоотталкивающих, паропроницаемых, ветрозащитных свойств. Модифицированный фторопласт применяют для пропитки кожаных изделий с целью придания им гидрофобности.
Это интересно
Впервые текстильную промышленность и фторопласт совместили братья Гор. В 1969 году Уилберт и Роберт Гор произвели первую мембранную ткань на основе пористой тонкой фторопластовой пленки для космической программы. Запатентовали эту чудо-ткань под названием Gore-Tex (гортэкс). Позже появились другие аналогичные материалы, которые в настоящее время активно находят применение в производстве спецодежды и обуви.
Механические свойства
| Характеристика | Значение |
| Предел прочности при растяжении, кгс/см2 | 200–300 |
| Удлинение при разрыве, %: | 300–350 |
| относительное | 350–500 |
| остаточное | 250–350 |
| Предел прочности при сжатии, кгс/см2 | 120 |
| Модуль упругости при сжатии, кгс/см2 | 7000 |
| Предел прочности при статическом изгибе, кгс/см2 | 110–140 |
| Модуль упругости при изгибе (при 200 °С), кгс/см2 | 4700 |
| Удельная ударная вязкость, кгс·см/см2 | более 100 |
| Твердость по Бриннелю, кгс/мм2 | 3–4 |
| Твердость по Шору при 20 °С: | – |
| шкала С | 85–87 |
| шкала D | 55–59 |
| Твердость по Роквеллу (шкала I) | 80–95 |
| Коэффициент Пуассона | 0,45 |
| Коэффициент трения по стали | 0,2 |
- Низкая поверхностная адгезия материала – это следствие его исключительно низкой поверхностной энергии.
- При определенных условиях и без того низкий коэффициент трения может снижаться до 0,02.
- Одно из важных эксплуатационных преимуществ фторопласта – возможность легко обрабатывать его механически. Он режется, сверлится, шлифуется.
Физико-механические свойства фторопласта зависят от температуры. Вот так, например, меняются показатели нагрузки, необходимой, чтобы вызвать деформацию сжатия (в таблице приведены величины нагрузок в зависимости от температуры, кгс/см2):
| Деформация, % | -50 °С | 0 °С | 25 °С | 50 °С | 100 °С | 150 °С | 200 °С |
| 1 | 203 | 157 | 62 | 49 | 31 | 17,5 | 11 |
| 2 | 304 | 210 | 92 | 66 | 39 | 27 | 20 |
| 3 | 350 | 236 | 105 | 77 | 48 | 33 | 27 |
| 4 | 374 | 251 | 120 | 85 | 59 | 39 | 31 |
| 5 | 390 | 262 | 127 | 92 | 62 | 44 | 35 |
А вот так изменяется предел текучести при растяжении:
| Температура, °С | 25 | 50 | 75 | 100 | 150 | 200 | 250 |
| Предел текучести, кгс/см2 | 42,4 | 106,9 | 83,5 | 67,2 | 46,6 | 35,5 | 28,6 |
Марки и технические характеристики фторопласта
Сегодня существует несколько марок фторопласта, которые различаются размерами молекул и их количеством. Рассмотрим наиболее популярные марки, и их технические характеристики:
- Фторопласт-2 (поливиниленфторид) имеет высокую прочность и упругость, выдерживает действие агрессивных химических веществ. Чаще всего применяется в трубопроводах и для изготовления емкостей для хранения химикатов. Существуют модификации материала с добавлением других веществ, тогда в маркировке присутствует буква М.
- Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) отличается высокой прочностью и твердостью, при высоких температурах хорошо плавится, размягчается, меняет форму, напротив, к воздействию низких температур – устойчив. Применяется в составе антикоррозийных покрытий. Существует модифицированный фторопласт-3 с маркировкой Ф-3М.
- Фтороласт-4 (политетрафторэтилен) имеет наиболее высокую плотность среди прочих фторопластов, устойчив к действию высоких температур (выдерживает нагревание до 260 градусов), отличается высокой гидрофобностью и малой пористостью. На сегодняшний день существует несколько разновидностей фторопласта-4, например, Ф-4ПН, Ф-4О, Ф-4Д и другие. Все они имеют отличительные свойства, которые обуславливают их применение в той или иной сфере.
- Фторопласт-40 схож по свойствам с Ф-4, устойчив к воздействию агрессивной химии, не пропускает УФ-лучи, не горюч. Производится в двух видах – Ф-40П и Ф-40Ш.
Основные технические характеристики перечисленных фторопластов представлены в таблице.
| Технические характеристики фторопластов | ||||
| Название материала | Плотность, кг/м3 | Температура использования, Cº | Удельное сопротивление, Ом*м | Растяжение, МПа |
| Фторопласт-2 | 1 780 | – 45/+150 | 1 010 – 1 013 | 44 – 55 |
| Фторопласт-3 | 2 090 – 2 160 | – 195/+190 | 1 015 – 1 017 | 35 – 43 |
| Фторопласт-4 | 2 150 – 2 240 | – 260/+160 | 1 017 – 1 018 | 16 – 35 |
| Фторопласт-40 | 1 700 | – 200/+200 | 1 016 | 27 – 50 |
В России вот уже много лет фторопласты в большом количестве производятся на химических предприятиях. Сфера применения полимеров чрезвычайно широка и обусловлена их техническими характеристиками. Материал имеет ряд исключительных свойств, благодаря которым он востребован в самых разных отраслях, и потребность в нем только возрастает последние годы, а соответственно и увеличивается и доля его производства в химической промышленности страны.
Сфера применения
Трудно назвать область, где бы в том или ином виде не использовался фторопласт. Его широко применяют в энергетике, автомобиле- и машиностроении, строительстве, медицине и пищевой промышленности. Отличные потребительские свойства материала и доступная цена сделали его таким востребованным.
Машиностроение
Материал, прикасаясь к поверхности, образует тонкую пленку, которая значительно уменьшает трение. Это свойство полимера используется в соединительных узлах и подшипниках различных конструкций, благодаря этому свойству он часто входит в состав смазочных материалов.
Медицина
Фторопласт абсолютно безопасен для человека, мало того, он отлично совместим с человеческими тканями и не вызывает иммунологических реакций. Благодаря этому он и применяется для производства протезов. Он широко используется в таких областях медицины как стоматология и сердечно-сосудистая хирургия. Из этого полимера производят искусственные клапаны сердца и сосуды. Фторопласт-4 пришел на смену титану, который до него применялся для изготовления протезов. С каждым годом возможности его применения в медицине только растут.
Пищевая промышленность
Наиболее известное применение фторопласта-4 в пищевой промышленности – это посуда с антипригарным покрытием, которая в свое время произвела фурор на рынке товаров народного потребления. Однако это не единственное использование тефлона в пищевой промышленности. При производстве подсолнечного масла, молока и других жидких пищевых продуктов полимер применяется для покрытия труб и насосов по перегонке жидкостей.
Химическое производство
В химическом производстве материал применяется для изготовления емкостей и трубопроводов, по которым перегоняются агрессивные химические растворы. Его устойчивость к воздействию различных химикатов также используется в реакторах, при производстве лабораторной посуды и транспортировке различных жидкостей.
Электротехника
Здесь материал применяется как диэлектрик при производстве различных кабелей, катушек, плат и конденсаторов. Изоляция из фторопласта защищает также и от воздействия химических веществ, поэтому полученная продукция часто применяется на вредных производствах.
Строительство
Пластины из тефлона используются при строительстве мостовых конструкций, галерей и эстакад. Тефлоновые прокладки применяются при возведении фундаментов конструкций в сейсмически опасных районах, благодаря превосходным характеристикам тефлона обеспечивается свободное перемещение элементов основания постройки.
Легкая промышленность
В легкой промышленности материал используется при производстве тканей с водоотталкивающими свойствами. Высокотехнологичная одежда из синтетических тканей надежно защищает от дождя и ветра. Многие современные бренды, производящие одежду для спорта и активного отдыха, используют ткани с тефлоном. Кроме того, его водоотталкивающие свойства используются при производстве обуви.
Внедрение в жизнь современных технологий позволяет улучшить качество и снизить себестоимость вещей. Фторопласт смог заменить массу менее совершенных и более дорогостоящих материалов. Его уникальные свойства обеспечивают широкую сферу применения полимера. Появление новых модифицированных фторопластов позволяет расширять границы его использования. Постоянно улучшаются физические свойства материала, открываются новые возможности его использования.
Можно с уверенностью сказать, что фторопласт и его производные будут применяться еще долгие годы, появятся новые материалы на его основе, которые станут обладать еще более удивительными техническими и химическими свойствами, а сфера применения тефлона будет только расширяться.
Преимущества материала
Популярность фторопласта объясняется его уникальными свойствами. Материал имеет ряд преимуществ, благодаря которым он с успехом используется как в машиностроении, так и в медицине. Его основными достоинствами являются:
- устойчивость ко многим агрессивным химическим веществам;
- низкий показатель коэффициента трения;
- большой температурный диапазон эксплуатации;
- низкая электропроводность;
- устойчивость к возгоранию;
- биологическая инертность;
- низкий показатель поверхностного натяжения.
Помимо всего прочего материал легко обрабатывается, он без труда поддается сверлению, шлифовке и фрезеровке. Рассмотрим более подробно сферу применения этого полимера.
Способ изготовления
Получают все эти разновидности химическим путем. По сути, представляют они собой полимеры, к которым добавлены атомы фтора. Отсюда и их название.
Фторопласт-4 синтезируется в виде белого порошка, а затем прессуется и спекается при высокой температуре. Другие марки этого материала обычно получают путем закалки.
При изготовлении многих инновационных современных изделий используется именно фторопласт. Технические характеристики на самом деле просто замечательные. К достоинствам этого материала относятся:
- Высокая химическая стойкость. Фторопласт-4 не растворяется даже при кипячении в царской водке.
- Инертность и малая пористость.
- Очень низкий коэффициент трения. Этот показатель у фторопласта остается практически неизменным при любых температурах.
- Отличные диэлектрические свойства. Изолятором этот материал остается даже при температуре 200 гр.
- Стабильность. Химические свойства фторопласта-4 не изменяются при температуре до -300 гр.
- Огнестойкость – еще одно преимущество такого материала, как фторопласт. Характеристики (термостойкий полимер отличается способностью к самозатуханию) его допускают использование его и в местах с повышенной пожароопасностью.
- Газонепроницаемость.
- Биологическая совместимость. Этот вид пластмассы часто используют для изготовления протезов.
Фторопласт: виды
В настоящее время фторопласт – это термин, применяемый к группе материалов, несколько отличающихся друг от друга. Каждая разновидность свойственна какой-либо стране, где она преимущественно производится и применяется, имеет специфическое наименование. Например, в Америке широкое распространение получил тефлон – это так называемый четвертый фторопласт, а вот японский вариант – это полифон.
Итальянская промышленность построена с использованием алгофона, английская прибегает к флюону, а французская – к сорефлону. В Германии материал, наиболее активно используемый в промышленных процессах, носит название гостафлон ТР. Есть также третий фторопласт, который в разных странах представлен под разными наименованиями: в Японии его знают как дайфлон, а во Франции как волталеф. Американская промышленность применяет кель Ф. Также существует второй фторопласт, фторопласт-40 и сополимер, построенный на совмещении винилиденфторида и тетрафторэтилена. В продаже он обычно обозначается как фторопласт-42.
Маркировка листовых композитов на основе фторопласта
Фторопласт может выпускаться как в чистом виде, так и в виде композитных материалов, которые, в зависимости от состава, могут обладать повышенными прочностными характеристиками, стойкостью к механическому, температурному и радиационному воздействию. Благодаря таким добавкам, как кокс, молибден, углеволокно, возможности использования фторопласта значительно расширяются. Композиты на основе фторопласта маркируются следующим образом.
- Ф4К20 (20% кокса). Материал используется в качестве прокладок и уплотнителей в таких средах, как углеводородные газы и жидкости, растворители.
- Ф4К15М5 (кокс-15%, дисульфид молибдена-5%). Материал обладает повышенной прочностью и пониженным коэффициентом трения. Используется в качестве вставок в подшипники. Работает в средах с влажными газами.
- Ф4С15 (добавление стекловолокна 15%). Обладает повышенной износостойкостью и пластичностью. Работает в условиях агрессивных сухих сред.
- Ф4УВ15 (добавление углеволокна 15%). Отличается повышенной твердостью, упругостью и теплопроводностью.
- >Ф4К15УВ5 (кокс-15%, углеволокно-5%). Материал с повышенной устойчивостью к деформирующим нагрузкам, не накапливающий статические заряды. Используется в узлах трения без дополнительной смазки.
- Ф-4КС2 (кобальт синий-2%). Обладает очень высокой степенью износостойкости и используется в подвижных деталях в качестве антифрикционного элемента. Работает в широком температурном диапазоне.
Фторопласт: технология производства сырья и получение готовых изделий
Фторопласт: технология производства сырья и получение готовых изделий
Фторопласт, известный также как тефлон или ПТФЭ (PTFE) – политетрафторэтилен, открыл американский химик Р. Планкетт в 1938 году. Уникальные эксплуатационные свойства нового полимера оценили сразу, но данные о способах его получения долгое время были засекречены. Материал производили только на предприятиях Du Pont, в основном для нужд оборонной промышленности. В России полимер начали разрабатывать и впервые синтезировали в 1947 году, в ленинградском НИИПП. Как и из чего получают фторопласт сегодня? Ознакомимся с технологией производства этого необычного полимера с уникальными свойствами и широким применением.
