Характеристики, свойства и применение разных видов фторопласта

Виды фторопластов

Применяется несколько основных марок фторполимеров, отличающихся по химическому строению макромолекул полимера и по свойствам. Ниже представлены самые популярные виды фторопластов и их основные особенности.

Фторопласт-2 (PVDF, химическое наименование — поливиниленфторид). Обладает хорошей прочностью, упругостью и высокой химической стойкостью. Кристаллизующийся материал с температурой плавления от 135 до 180 градусов С и температурой стеклования от минус 42 до минус 25 градусов С.

Фторопласт-3 (химическое наименование — политрифторхлорэтилен). Обладает хорошей прочностью и твердостью, имеет основные характеристики термопласта – довольно легко переходит в высокоэластическое состояние, плавится и формуется при нагревании. При этом обладает хорошей стойкостью к низким температурам.

Фторопласт-4 (химическое наименование — политетрафторэтилен). Наиболее известный из фторопластов. Обладает самой высокой плотностью среди рассматриваемой группы фторполимеров. Ф-4 стоек к воздействию высоких температур вплоть до 260 градусов С. Также фторопаст-4 и его модификации Ф-4ПН, Ф-4О, Ф-4Д и т.д. обладают отличной гидрофобностью и низкой пористостью.

Фторопласт-30 (ECTFE, PE-CTFE, E-CTFE, E/CTFE, сополимер трифторэтилена и этилена). Кристаллизующийся материал с температурой плавления около 240 градусов С. По характеристикам напоминает Ф-3.

Фторопласт-40 (ETFE, E/TFE, сополимер тетрафторэтилена и этилена). По своим данным похож на фторопласт-4. Материал стоек к действию химикатов, в том числе сильных, устойчив к ультрафиолету, непожароопасен.

Прогресс и промышленность

В настоящее время плотность, вес фторопласта, его стойкость к агрессивным факторам, безопасность для человека сделали этот материал совершенно незаменимым для промышленности и быта. Обыватель редко задумывается, из чего изготовлена большая часть окружающей его техники, а ведь сырьем послужил именно тефлон. Так, в электронике плотность фторопласта сделала его оптимальным материалом для конструирования высококачественного оборудования. Кроме того, этот материал обладает способностью блокировать ток, что делает его область применения еще более широкой. Можно применять тефлон в работах над проводкой, при конструировании конденсаторов и иных деталей электронных систем, в том числе очень высокой сложности, а также тех, где нужна повышенная стойкость и надежность.

Если обратить внимание на современные медицинские приборы, то можно заметить, что и тут фторопласт применяется очень активно. В частности, он служит материалом для производства имплантатов и обширно эксплуатируется стоматологами

Незаменим фторопласт и для офтальмологов. Именно это вещество применяют в процессе изготовления кардиостимуляторов и кровеносных сосудов для имплантации в человеческий организм. Фторопласт совершенно безопасен для человека, что и делает возможности по его применению столь широкими.

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.

Характеристики отдельных показателей

При исследовании фторопласта следует отдельно обратить внимание на такие его показатели. 1

Диэлектрическая проницаемость. Это одно из важных характеристик фторопласта. Удельное сопротивление поверхности материала составляет 1017 Ом

Важно, что этот показатель не зависит от колебаний температуры. Поэтому материал активно используется в конструкциях радиолокационных станций и других видах электронной аппаратуры

1. Диэлектрическая проницаемость. Это одно из важных характеристик фторопласта. Удельное сопротивление поверхности материала составляет 1017 Ом

Важно, что этот показатель не зависит от колебаний температуры. Поэтому материал активно используется в конструкциях радиолокационных станций и других видах электронной аппаратуры

2. Горючесть вещества. Нужно отметить интересное проявление фторопласта, как горючего материала. Его условно можно назвать негорючим веществом, но при взаимодействии с кислородом фторопласт загорается, при этом нет значительного выделения теплоты.

Следует учитывать, что при температуре свыше 773 °К (более 500 °С) процесс горения вещества сопровождается выделением ядовитого газа фторфосгена. Это вещество при попадании на слизистые оболочки вызывает сильные химические ожоги, что особенно опасно для верхних дыхательных путей. Тем не менее, опасность таких процессов может быть сведена к минимуму, если нагрев вещества будет происходить в вакууме.

3. Плотность вещества. Фторопласт обладает максимальной плотностью вещества среди полимеров. Этот показатель составляет от 2,17 до 2,26 г/см3. Такая особенность фторопласта наделила его хорошей податливостью для обработки. Материал поддается всем известным способам обработки – сверление, фрезерование, точение и другие.

Плотность положительно сказывается и на прочности при разрыве. Этот показатель составляет 200 кг/см2. Даже при изготовлении защитных пленок на основе фторопласта, они выдерживают значительное воздействие.

4. Стойкость при температурных воздействиях. Диапазон рабочей температуры достаточно высок. Максимальная температура использования (+ 260 °С) ограничена не потерей прочности, а лишь снижением некоторых физико-химических свойств, например, износостойкость. Нижний температурный предел – минус 269 °С. Коэффициент трения деталей с участием фторопласта при работе в любых погодных условиях практически не изменяется.

5. Химическая устойчивость. Наиболее понятным примером инертности этого полимера может стать устойчивость его при погружении в «царскую водку», которая способна растворить почти все известные вещества. Среди веществ, которые вступают в химическую реакцию с фторопластом, можно назвать хлорид фтора и некоторые другие растворы. Материал можно считать безвредным как в биологическом, так и в физиологическом плане.

Фторопласт сочетает в себе и другие, менее заметные достоинства. Например, материал практически не поглощает воду из окружающей среды. В случае необходимости, материал можно наделить некоторыми специальными свойствами, вводя необходимые добавки. Например, фторопласт-4Д обладает хорошей пластичностью.

Как уже известно, фторопласт наделен способностью оказывать небольшое сопротивление при трении деталей. Причем это качество остается неизменным при перепаде температур. Поэтому с его использованием изготавливаются самые различные детали двигателей и других подвижных механизмов.

Техника безопасности при переработке фторопласта-4МБ

Исследования термодеструкции Ф-4МБ при интервале температур 300-350oС с использованием метода парофазного анализа, проведенные в ОНПО «Пластполимер», показали, что основными компонентами деструкции, выделяющиеся в указанном интервале температур, являются исходные мономеры ТФЭ и ГФП. Другие компоненты, включая перфторциклобутан, выделяются в незначительном количестве и после 30 мин прогрева образца практически перестают выделяться.

В соответствии с действующим в России законодательством, работающим с расплавами фторполимеров рабочим и ИТР положен сокращенный рабочий день и дополнительный ежегодный оплачиваемый отпуск.

Паспорт безопасности химической продукции на фторопласт-4МБ по ГОСТ 30333-2007, сделанный разработчиками фторопластов, можно запросить через форму обратной связи.

Рекристаллизация

Как уже упоминалось, одним из недостатков, которыми обладает фторопласт (технические характеристики которого в целом неплохие), является достаточно высокая степень холодной текучести. На практике это выражается в изменении формы изготовленных из него изделий при повышенном давлении. Если они используются при не слишком высоких температурах – от +80 до +100 градусов С, нагрузка на них не должна быть более 10 кг/м2. При большем давлении на изделии будут оставаться заметные деформации. С повышением температуры должна снижаться и нагрузка.

При сильном давлении (100-200 кг/м2) образец, изготовленный из фторопласта, может быть раздавлен в пластину с уменьшением толщины в 3-5 раз в зависимости от температуры. При деформациях этого материала обычно не происходит его растрескивания и не возникает никаких других повреждений.

В таблице ниже можно посмотреть, какие имеет в этом плане фторопласт технические характеристики (сжатие при определенных нагрузках).

Можно применять фоторопласт для изготовления деталей, используемых и при большем, чем 30 кг/м2, давлении. Однако в этом случае конструкция узлов сопряжения в изделии должна быть максимально плотной. Не допускается присутствие в ней полостей или значительных зазоров. В этом случае фторопласту будет просто некуда вытечь. Материал фторопласт – не слишком эластичный. Поэтому для того, чтобы добиться плотного прилегания, в него при производстве добавляют резину. Иногда в узлах примыкания используют также специальные пружинные компенсаторы.

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.

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.

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.

Области, в которых применяется фторопласт

Сегодня тефлон используется практически во всех сферах хозяйственной деятельности. Его активно используют в медицине, фармацевтике, энергетике и строительстве, конструкциях автомобилей и самолетов. Распространено применение фторопласта в пищевой промышленности. Из него изготавливают наполнители для высокотемпературных мембранных фильтров, термостойкие прокладки различных видов, ответственные элементы запорной и регулирующей арматуры, клапанов и насосного оборудования в химической отрасли.

Машины и механизмы

В производстве транспортных средств, машин, механизмов, в станкостроении и авиационной промышленности используются конструкционные свойства тефлона. В узлах, подвергающихся воздействию больших нагрузок, используются скользящие элементы и подшипники, состоящие из металлического основания, покрытого тефлоном.

Во время работы механизма фторопласт оставляет тонкую пленку на поверхности, с которой соприкасается, благодаря чему удается значительно снизить коэффициент трения.

По этой же причине мелкодисперсный фторопласт иногда вводят в состав смазочных материалов. Тонкий слой тефлонового покрытия, образующийся на трущихся поверхностях элементов в процессе эксплуатации, позволяет механизму некоторое время продолжать работать, если смазка по какой-то причине перестала поступать в систему. Кроме этого, тефлоновые сальники и уплотнительные элементы являются обязательной составляющей трубопроводов и гидравлических систем высокого давления в конструкциях большинства машин.

Медицина и фармацевтика

Фторопласт имеет хорошую совместимость с человеческим телом, поэтому его успешно применяют для изготовления протезов в хирургии, кардиологии и стоматологии. Из фторопласта изготавливают искусственные заменители сосудов кровеносной системы и сердечных клапанов. Сейчас тефлон заменил титан, использование которого для изготовления протезов ранее накладывало ряд ограничений на жизнедеятельность человека.

Пищевая отрасль

Заслуживает внимания также применение фторопласта в пищевой промышленности. Он используется в качестве внутреннего покрытия трубопроводов и сальникового уплотнения насосов, перекачивающих различные сырьевые жидкости, такие как подсолнечное масло, лецитин, жировые и молочные массы.

Антипригарные покрытия емкостей для термической обработки пищевых продуктов также изготавливают из тефлона.

Большую популярность получила посуда Тефаль с антипригарной поверхностью.

Химия

В химическом производстве широко распространено применение фторопласта для изготовления деталей запорно-регулирующей арматуры и уплотнительных элементов сосудов и трубопроводов, транспортирующих жидкие растворы с высокой степенью химической агрессии. Благодаря своей способности противостоять воздействию химически активных веществ, материал используется в реакторах колонного типа, экстракторах и различных емкостях в качестве футеровки поверхностей, контактирующих с агрессивной средой.

Электротехника и электроника

В электротехнике, приборостроении и электронике фторопласт применяют как диэлектрик. Тефлоновая пленка – важная составляющая современной высококачественной кабельной продукции. Изоляционные фторопластовые материалы используют для производства катушек, конденсаторов и плат. Фторопластовая изоляция способна противостоять воздействию высокотемпературных агрессивных сред.

Строительство

Фторопластовые пластины – важнейшие детали конструкций скользящих опор ответственных сооружений, таких как мосты, галереи, эстакады, путепроводы и другие пролетные строения. В регионах с высоким уровнем сейсмической активности тефлоновые прокладки используются в местах опирания балок перекрытия на колонны, а также в узлах установки колонн на фундаменты для того, чтобы обеспечить возможность свободного перемещения элементов строительных конструкций каркаса здания.

Производство одежды и специальных видов ткани

Тончайшая пленка, которая образуется в процессе деформации тефлонового сырья, служит покрытием для специальных видов ткани.

Такая ткань применяется для пошива высокотехнологичной одежды с водоотталкивающими и ветрозащитными свойствами.

При этом пористый материал не задерживает естественные испарения человеческого тела. Большая часть современной одежды для спорта и активного отдыха имеет тонкое тефлоновое покрытие.

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.

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: 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.