Фторопласт — полимер с уникальными техническими характеристиками

28.01.2021

Свойства и характеристики фторопласта

Фторопласт создан в 1938 году. Он очень быстро стал популярным и востребованным материалом, который используется в самых разных отраслях – от медицины до военной промышленности. А все благодаря уникальным для полимеров свойствам. Чем же так хорош этот пластик? Предлагаем подробное описание свойств и физико-химических характеристик фторопласта, его преимуществ и недостатков.

Общие данные

Под названием «фторопласт» чаще всего имеется в виду Ф-4 (это самый распространенный и недорогой из всех фторопластов). Его химическая формула – (-C2F4-)n. В мире полимер известен по аббревиатуре PTFE (политетрафторэтилен, у нас ПТФЭ) и по многим фирменным названиям, которые прижились и стали общими (тефлон, галон, флубон, алгофлон, хостафлон, полифлон, гафлон, сорефлон).

Чистый фторопласт – это белый непрозрачный пластик, гладкий и скользкий на ощупь. Основные свойства, которые отличают его от других пластмасс:

• высочайшая химическая инертность – устойчивость к кислотам, щелочам, нефтепродуктам, растворителям (выдерживает даже кипячение в «царской водке»);
• устойчивость к воздействию водяного пара, полная неспособность к водопоглощению;
• стойкость к воздействию высоких и низких температур (начинает плавиться при 327 °С, но не переходит в текучее состояние).

Если дополнить эти характеристики еще и высокими диэлектрическими и антифрикционными показателями фторопласта, можно увидеть, что такое сочетание полезных свойств не встречается ни в одном другом материале. Но даже его можно улучшить. Поэтому сейчас, кроме чистого полимера, производят фторопласт с наполнителями (добавляют в композиции графит, стекловолокно, порошки металлов).

Популярные марки фторопласта Ф-4 (и область их применения):

• ПН (электротехника, изделия повышенной надежности);
• О (изделия общего назначения);
• Т (толстостенные изделия);
• А (изостатическое и компрессионное прессование при производстве изделий точного размера);
• С (специальные изделия высокой надежности).

Выпускают материал в виде готовых изделий, но чаще в форме заготовок – листов, пленок, втулок, стержней. Подробнее о разных марках полимера и особенностях его производства смотрите в нашей статье здесь.

Преимущества ПТФЭ:

• малая пористость;
• практически нулевое водопоглощение;
• низкая адгезия;
• низкий коэффициент трения;
• химическая инертность;
• биологическая инертность;
• огнестойкость;
• высокая электрическая прочность;
• сохранение свойств даже при критических изменениях температуры;
• низкая электропроводность (материал – диэлектрик, отличный электроизолятор);
• простота механической обработки.

Формы и типы заготовок из фторопласта

Из фторопластов делают либо заготовки (полуфабрикаты), либо готовые изделия. Заготовки производятся согласно с ТУ 6-05-810-88. Существует два варианта регламентирующие размеры полуфабрикатов. Во-первых, номенклатура предприятия изготовителя. Во-вторых, спецификации, согласованные между заказчиком и изготовителем.

Допуски номинальных размеров записаны в ОСТ 6-05-322-74 (кроме листов, стержней, которые прессуют в горизонтальном положении).

По сортности заготовки делят на два вида — высший и 1-й сорт.

Полуфабрикатами из фторлона являются:

• стружка, порошок;
• пленка;
• диск, стержень, брусок;
• лист либо пластина.

Фторопласт листовой

Лист (пластина) фторопласта — это полимерное изделие прямоугольной формы. Он может быть как стандартным, так и фольгированным, модифицированным, армированным. Качество изготовления листа определяют по ГОСТ 6-05-810-88, ГОСТ 21000-81.

Для пластин (листов), изготовленных из Ф-4 (тефлона), используют ТУ 6-05-810-88. Габаритные размеры листов составляют: длина от 300 до 1000 мм, ширина от 300 до 1000 мм.

Толщина листового фторлона — от 2 до 20 мм. Согласно ГОСТ 21000-81 производят покрытый фольгой листовой фторопласт марок:

• ФФ-4. Величины длины, ширины от 100 до 400 мм, толщины — от 1,5 до 5,0 мм. Технология производства: прессовка с дальнейшим спеканием.
• ФАФ-4Д. Габаритные размеры: длина от 280 до 500 мм, ширина от 170 до 500 мм толщина — от 0,5 до 5,0 мм. Технология производства: послойное прессование лакоткани.

Размерный ряд может быть расширен по требованию заказчика. Сфера использования фторопластовых листов различных марок охватывает:

• производство труб, шлангов различной толщины;
• изготовление пленок (конденсаторных, изоляционных);
• изготовление посуды и прочих предметов для пищевой промышленности;
• изолирование кабельной продукции;
• футеровка труб и насосов.

Фторопласт стержень (круг)

Стержень из фторопласта имеет форму цилиндра белого цвета. Этот полимерный продукт используют в чистом виде либо модифицированный. Требования к изготовлению стержней определяется по ГОСТ 6-05-810-88, также ГОСТ 21000-81. Технология производства: вертикальное либо горизонтальное прессование.

Стержни разняться между собой в зависимости от марки полимера, использованных добавок и наполнителей, наличия армирования.

Сфера использования фторопластовых стержней различных марок охватывает:

• изготовление посуды, прочих предметов для пищевой промышленности;
• производство толстостенной трубной продукции.

Готовые изделия служат не менее двадцати лет, работают без смазки, не проводят электрический ток.

Диаметр стержней от 10 до 300 мм, длина от 70 до 1000 мм. Купить можно стержни из фторопласта:

• экструзионного;
• прессованного;
• вторичного.

Физико-химические свойства

• 
  Пластик не смачивается водой и не поддается ее воздействию даже при длительных испытаниях. Он также устойчив к поглощению других веществ, на нем не образуются отложения.

• Отлично переносит эксплуатацию в тропических условиях, не повреждается грибками и бактериями.
• Химическая и биологическая инертность дают возможность использовать ПТФЭ в медицине и пищевой промышленности. Он совершенно не опасен, в обычных условиях не взаимодействует с физиологическими жидкостями и не выделяет вредных соединений.
• Температурная устойчивость позволяет фторопласту сохранять стабильность и работоспособность в диапазоне -269…+260 °С.
• Химически разрушить материал можно, только используя расплавы щелочных металлов, элементарный фтор, трехфтористый хлор (при высокой температуре).
• Необычайно высокая химическая стойкость фторопластов – это результат высокого экранирующего эффекта, которым обладают электроотрицательные атомы фтора.
• Полимер способен пропускать ультрафиолетовые лучи, он устойчив к окислению и гидролизу.
• Высокая устойчивость к старению позволяет предоставлять длительный гарантийный срок хранения фторопласта без снижения качества – 20 лет и более.

Газопроницаемость ПТФЭ

Плавление и горение

• При температуре плавления (327 °С) материал теряет кристаллическую структуру, становится аморфным и прозрачным. Но вплоть до начала термического разложения (415 °С) он остается в высокоэластичном состоянии, не переходя в вязкотекучее.
• Материал горит только при доступе кислорода и наличии открытого огня (как только вытащить его из пламени, он потухнет). Фторопласт при горении не расплавляется, а обугливается и выделяет очень мало тепла – в 10 раз меньше, чем горящий полиэтилен. Во время горения в обычных условиях выделяются соединения фтора, который вреден для живых организмов (но в вакууме их выделения не происходит).
• Полимер начинает разлагаться при температуре выше 415 °С.

Поливинилхлорид — ПВХ

Сам по себе ПВХ жёсткий пластик, но введением в состав пластификатора можно сделать его гибким. Часто в обиходе используется название «Винил». Винипласт — название материала из ПВХ без пластификатора (жёсткий). Выпускается в том числе в виде листов, пленок.

Тройник, уголок, крепежные скобы для гофроканала, герметичный кабельный ввод — изготовлены из не пластифицированного ПВХ.

Примеры применения

Изоляция проводов
— достаточно трудно в быту найти провод с изоляцией не из ПВХ.

Изолента

— всем известная синяя изолента это ПВХ Серая гофра для укладки проводов в строительстве — ПВХ. (чёрная гофра — полиэтиленовая) Различные надувные игрушки — ПВХ.

Плюшки

Добавкой антипиретиков горючесть снижается до «не поддерживает горение, самозатухает»
. (Сам по себе ПВХ без пластификатора не горит, горючесть появляется из-за пластификатора, которую и снижают антипиретиками.) Практически все провода общего назначения имеют изоляцию из ПВХ.

Неплохо склеивается

, как специальными клеями для ПВХ, так и цианоакрилатными, полиуретановыми. (Свищ в надувной игрушке из ПВХ неплохо заклеивается полиуретановым клеем).

Минусы

Не морозостойкий.
При -15°С провода наушников из ПВХ позволяют держать их горизонтально к земле. При -30°С вполне реально могут поломаться. По этой причине кабельные заводы требуют перед размоткой катушек с проводами дать им отлежаться в тепле.

Не светостойкий.

ПВХ на солнце разрушается, становится хрупким. Поэтому на улице используются полиэтиленовые (чёрные) гофроканалы, а не ПВХ (серые)

Оболочка коаксиального кабеля с изоляцией из ПВХ. Кабель для внутренней проводки провисел на улице несколько лет. Изоляция полностью разрушилась.

При нагревании выделяет едкий ядовитый дым

, содержащий в том числе HCl. Этот дым раъедает оптику, поэтому ПВХ практически не режут на станках лазерного раскроя. Использование ПВХ панелей в отделке катастрофически увеличивает токсичность дыма при пожаре.

Миграция пластификатора.

У пластифицированного (мягкого) ПВХ пластификатор не вступает в прочную химическую связь с полимером, поэтому со временем пластификатор может мигрировать, испаряться из изделия, особенно из приповерхностных слоев. Нагрев, контакт с некоторыми горюче-смазочными веществами и растворителями может ускорять этот процесс. Итогом такой метаморфозы является «дубение» изделия, появление трещин. Если планируется длительная работа изделия, и требуется эластичность, то стоит посмотреть в сторону эластомеров. (Относительно недавно был скандал как раз связанный с выделением пластификатора из кабеля. Спустя некоторое время кабель начинал плакать маслом, но это не чудо, а выделение пластификатора из заполнителя кабеля. Гуглить по ключевым словам «кабель NYM потёк».)

Механические свойства

• 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):

А вот так изменяется предел текучести при растяжении:

Изготовление фторопласта

Технология изготовления фторопласта в нашей стране подразумевает три этапа:

1. получение хлордифторметан по реакции Свартса;

2. получение из хлордифторметана тетрафторэтилена пиролизным методом;

3. получение из тетрафторэтилена в результате полимеризации фторопластового порошка.

Он различается размером частиц, что учитывается в маркировке продукта. Выделяют следующие варианты размеров в мкм: 6 — 20; 21 — 45; 46 — 135; 100 — 180. Пример: Ф-4ПН- 90, Ф-4ПН-20. Если в маркировке полимера использована буква «М», значит использовались дополнительные вещества — модификаторы. Число, стоящее после буквы «М», указывает количественное отношение добавки к основе. В качестве добавок используют: кокс, кобальт, стекловолокно, кварц, бронза, прочее.

Модификаторы способны менять химико-физические свойства основы. С их помощью можно повысить теплопроводность, твердость, устойчивость к истиранию.

Добавки, которые используют чаще всего, делятся на такие виды:

• армирующие;
• волокнистые тканные, волокнистые не тканные;
• порошки минеральные;
• порошки металлические;
• порошки органические.

Модификаторы, в зависимости от требований к конечному продукту, могут использоваться единично или комплексно.

Например: с целью уменьшения трения (повышения срока износа) объединяют дисульфид молибдена + графит; для повышения жесткости добавляют коллоидный графит. Введение углеродного волокна либо углерода позволяет получить продукт с более высокими показателями твердости и износостойкости, повышенным сопротивлением ползучести и удельной теплопроводности. Также углеродное волокно положительно влияет на прочностные характеристики. Стекловолокно в составе фторлона снижает хладотекучесть, увеличивает износостойкость.

Для производства распространенного фторопласта Ф-4 используют прессовку и последующее спекание при температуре 360 °C — 370 °C. Второй технологический вариант производства — экструзия. В этом случае порошок под высоким давлением помещается в экструдер, а при выходе из него спекается. Такой метод позволят получать изделия длиной до пяти метров.

В результате обеих технологических схем получают заготовки-полуфабрикаты простых форм: листы, трубки, стержни. Затем заготовки обрабатывают на металлорежущих станках, получают конечное изделие.

Области применения

Полимеры, содержащие фтор применяют в электрике, радиоэлектронике, машино и авиастроении, а также в энергетике и атомной и химической промышленности. А фторопласты, насыщенные специальными наполнителями используют для создания подшипников, уплотнительных колец, направляющих, опор скольжения для мостов, медицинских изделий.

Благодаря устойчивости к химическим реакциям, изделия из фторопласта можно применять при продолжительном воздействии радиации, сильного тумана и плесени.

Благодаря тому, что фторопласт не подвержен радиационным процессам его применяют для изоляции проводов, которые используют на АЭС.

Провода в такой изоляции можно использовать в качестве нагревателей, работающих в щелочных и кислотных растворах. Они не подвергаются воздействию керосина, масел, гидравлических жидкостей, высоких температур, благодаря чему их применяют на борту самолетов.

Мембранные листовые пластины используют при создании современной одежды. При деформации тефлон превращается в тонкую пористую пленку, которую наносят на ткань, из которой в дальнейшем шьют одежду, как видно на фото. Листовые мембраны устойчивы к ветрам, дождю и морозу.