Фторопласт Ф4: виды, свойства, технические характеристики

Наряду с машиностроением и электроэнергетикой химическая промышленность играет огромную роль в хозяйстве страны. В России доля химической отрасли в общем объеме выпуска продукции составляет 9—10%, но в мировом объеме производства химической продукции Россия занимает только 11 место с долей 2,1%. При этом объем импорта химического сырья и товаров составляет около 17%, а объем экспорта ниже более чем в 2 раза — всего 7,4%.

Одним из основных секторов химической промышленности является производство полимеров, в значительной мере являющееся импортозависимым. Например, при годовом объеме производства полиэтилена около 1,8 млн тонн и полипропилена около 1,3 млн тонн объем импорта сырья по различным их видам составляет от 20 до 80%.

Несравнимый по объемам выпуска сектор производства фторсодержащих полимеров — всего 7—8 тыс. тонн в год — выгодно отличается экспортоориентированностью — до 73% сырья и готовой продукции. Причиной такого прорыва отечественных производителей фторопластов на мировом рынке является востребованность и растущая потребность рынка в этих материалах, а условием — лидирующие позиции российской науки и производства в секторе фторполимеров.

История открытия и развития

Одним из самых удивительных свойств фторопласта является его химическая инертность. По химической стойкости материал превосходит все благородные металлы и существующие синтетические материалы. Удивительным является то, что имя ему дал фтор — самый активный неметалл.

Открытие полимеров на основе фтора в 2019 году относится к категории случайных — при закачке газообразного тетрафторэтилена произошел неожидаемый процесс полимеризации газа с образованием порошкообразного белого материала со специфическим набором химических и физических свойств. В ближайшие годы производство материала, запатентованного под маркой «тефлон», было освоено в США в промышленном масштабе.

Параллельно в научных лабораториях велась активная работа по изучению и получению химических соединений с использованием и других фторсодержащих органических соединений, относящихся к группе фторолефинов. В результате промышленность получила в свое распоряжение целую группу новых материалов, объединенных под общим названием фторопласты или фторлоны.

В СССР этот материал попал в годы Второй мировой войны в составе военной техники, поставляемой союзниками по ленд-Лизу. Период научного и промышленного освоения составил около 10 лет с 2019 по 2019 год.

Историю развития фторопластов нельзя считать законченной и сегодня. Все десятилетия ряд фторопластов и фторкаучуков дополнялся и продолжает пополняться за счет модификации различными добавками, присадками и совершенствования технологии производства.

Производство и основные виды фторполимеров

Технология производства фторсодержащих полимеров состоит из нескольких этапов. На первом из хлорсодержащих органических соединений получают исходный фторсодержащий мономер. Порошкообразный или гранулированный материал получают из газообразного сырья в химических реакторах путем полимеризации или сополимеризации под давлением в присутствии эмульгаторов и инициаторов. Товарный фторопласт в виде готовых деталей или заготовок изготавливают методом холодного прессования с окончательным запеканием.

В настоящее время отсутствует единая международная система обозначения фторсодержащих полимеров, российскому обозначению класса — фторопласты — соответствуют «тефлон» (США), «гостафлон» (Германия), «сорефлон» (Франция), «алгофон» (Италия) и так далее. Общепринятым среди производителей является дополнительное к торговой марке указание, какой фтормономера использовался в качестве исходного сырья.

Отечественные марки фторопластов выпускаются как по государственным стандартам, так и по техническим условиям предприятий-изготовителей. Обозначение типа начинается с буквы Ф, дополнительные буквы указывают на назначение или технологию производства полимера. Первая цифра указывает число атомов фтора в исходном для синтеза соединении, комбинация цифр указывает на сополимер.

Для производства фторопластов в основном используют три исходных фторсодержащих соединения, соответственно весь многочисленный ряд полимеров представляет собой модификации или сополимеры трех основных типов:

  1. политетрафторэтилен Ф-4 (аббревиатура ПТФЭ или PTFE);
  2. политрифторхлорэтилен Ф-3 (PCTFE или ПТХФЭ);
  3. поливинилиденфторид Ф-2 (PVDF или ПВДФ).

По сравнению с металлами и многими пластиками фторопласты обладают меньшей механической прочностью и мягкостью, поэтому не предназначены для работы под нагрузкой. Их использование определяют другие качественные характеристики — низкий коэффициент трения, низкая электропроводность и адгезия, химическая инертность.

Универсальный композит Ф4

Благодаря совокупности технических характеристик фторопласт 4 получил наибольшее применение в промышленности и бытовом использовании.

Плотность фторопласта Ф 4 составляет 2,12—2,2 г/см. куб. Он обладает одним из самых низких коэффициентов трения — 0,04 по стали, однако он увеличивается при значительном сроке службы и с повышением температуры из-за низкой теплопроводности. В качестве самостоятельных опорных или подшипниковых узлов фторопласт не используется, его антифрикционные свойства находят применение в композитных металлофторопластовых материалах, из которых изготавливают антифрикционные вкладыши, втулки, ленты, или в смазочных материалах с добавлением мелкодисперсного фторопласта.

Ограничивают область применения фторопласта и его свойства термостойкости. Ф4 обладает наиболее широким диапазоном допустимой для фторопластов температуры эксплуатации — от -270°С до +260°С и максимальной температурой плавления +327°С.

Достоинством фторопласта являются его высокие диэлектрические свойства — удельное электрическое сопротивление, электрическая прочность и диэлектрическая проницаемость. В электротехнике и электронике из Ф4 изготавливают изоляцию проводов, подложки печатных плат, диэлектрические прокладки и изоляторы.

Наиболее широкую область применения обеспечивают фторопласту 4 характеристики химической стойкости и инертности. Он выдерживает действие любой агрессивной среды, кроме расплавов щелочных металлов, трехфтористого хлора и элементарного фтора

Для работы с химически агрессивными веществами используют изготовленные из фторопласта или футерованные трубопроводы, сосуды и резервуары любого объема, насосы и клапаны с рабочими деталями и узлами из фторопласта.

Благодаря совокупности свойств химстойкости, текучести и гидрофобности фторопласт применяют в качестве уплотнительного материала — прокладок, сальниковых, манжетных и сильфонных уплотнений. Для бытовых нужд многие вместо традиционной льняной пакли давно используют ленту ФУМ.

Хорошо знакомы с фторопластом и домохозяйки, зачастую и не догадываясь о его существовании. Для них более привычным материалом является тефлон в качестве антипригарного покрытия кастрюль, сковородок, утюгов, конфорок и рабочих столов кухонных плит. Использование тефлона в пищевой промышленности ограничено максимальной температурой 315 °C, поэтому ни в коем случае нельзя допускать перегрева посуды или приборов с тефлоновым покрытием. Кроме того, эти покрытия очень чувствительны к механическим воздействиям и требуют соблюдения предписанных производителем правил ухода и чистки.

Модификации Ф4

Наряду с Ф4 широко используются и его многочисленные модификации. В качестве примера можно взять некоторые из них:

  • Содержащий 20% кокса коксофторопласт Ф4К20 при меньшей плотности обладает большей твердостью, износостойкостью и механической прочностью на сжатие, что позволяет изготавливать из него поршневые кольца для компрессоров.
  • Коксофторопласт Ф4К15М5 с 5% добавкой дисульфида молибдена и повышенной износостойкостью пригоден для работы в узлах и опорах подшипников скольжения.
  • До 15% стекловолокна содержат модификации стеклофторопластов Ф4С15 и Ф4С15М5. Благодаря эластичности и износостойкости материалы используются в качестве уплотнений, а композиция Ф4С15М5 с добавкой 5% дисульфида молибдена и во влажной среде.
  • Самосмазывающаяся антифрикционная композиция Ф4КС2 с легирующей добавкой кобальта синего пригодна для работы в парах трения с бронзой, резиной и многими сплавами и в агрессивных средах.

Фторопласт обладает уникальными физико-химическими свойствами, позволяющими использовать его во множестве отраслей промышленности, а также в медицине и бытовом хозяйстве.

Фторопласт — это общее название фторсодержащих пластмасс, получаемых при полимеризации тетрафторэтилена. Синтезируется он в виде белого, легко образующего комки порошка, а затем прессуется и спекается при высокой температуре. В своем составе может содержать от одного до четырех атомов фтора, что отражается в названии его типов.

К наиболее распространенным фторопластам относится политетрафторэтилен, известный в России как фторопласт-4. В США он продается под торговой маркой «тефлон» и «галон», в Германии — «гостафлон», в Великобритании — «флюон», во Франции — «гафлон» или «сорефлон».

Марки и технические характеристики фторопластов

В настоящее время производится несколько марок фторопластов, отличающихся по физическим и химическим свойствам. При этом все они востребованы в промышленности, поскольку имеют уникальные технические характеристики:

  1. Устойчивость практически к любому химическому воздействию.
  2. Низкий коэффициент трения.
  3. Устойчивость к сцеплению с другими поверхностями.
  4. Термостойкость — гибкость и эластичность материала сохраняются при температурах в диапазоне от -70° до +270°С.
  5. Минимальное поверхностное натяжение.
  6. Устойчивость к воздействию электротока и высоким температурам. Фторопласт практически не горит, в пламени он только обугливается, а при извлечении его из открытого огня полностью прекращается и обугливание.
  7. Стабильность в пищевой среде.
  8. Способность изделий из фторопласта не изменять свою длину даже под воздействием температуры.

Фторопласт отлично поддается обработке, его можно сверлить, шлифовать, фрезеровать и обтачивать.

На заметку
Фторопласт был открыт в 2019 году в США химиком Роем Планкеттом. Патент на его производство под маркой «тефлон» был получен в 2019 году. В СССР о новом материале узнали во время войны, обнаружив детали из фторопласта в американской военной технике. Однако советским ученым пришлось разрабатывать собственную технологию производства, поскольку американцы держали свою в строжайшем секрете.

Существует четыре основных марки фторопласта в зависимости от размера молекул и их количества в составе цепи. Чем выше это показатель, тем больше удельный вес вещества.

  • Ф-2 или поливиниленфторид (ТУ 6-05-646-77). Может также выпускаться с добавлением модификатора — кобальта, стекловолокна, кокса. В этом случае к маркировке добавляется буква «М». Отличается высокой прочностью, упругостью, не содержит пластификаторов, стабилизаторов и катализаторов. За счет этого применяется в трубопроводных системах и производстве емкостей для агрессивных жидкостей. Ф-2 легко перерабатывается и способен растворяться в апротонных (нейтральных) растворителях.
  • Ф-3 или политрифторхлоридэтилен (ГОСТ 13744-76). Разновидностью является модифицированный вариант Ф-3М (ТУ 6-05-1812-77). Твердый и прочный материал, способный плавиться, размягчаться и изменять форму в процессе прессования и литься. Устойчив к низким температурам. Имеет хорошую адгезию к металлам и используется в антикоррозийных покрытиях.
  • Ф-4 или политетрафторэтилен (ГОСТ 10007-80). Трудногорючий материал с самой высокой плотностью среди всех фторопластов. Имеет малую пористость, высокую гидрофобность, устойчивость к воздействию температур. Способен выдержать нагревание до 260°С без изменения свойств.

На сегодня выпускается несколько разновидностей Ф-4:

  1. Ф-4ПН — используется для изготовления изделий повышенной надежности. В зависимости от среднего размера частиц может иметь дополнительную маркировку: Ф-4 (100–180 мкм), Ф-4ПН-90 (46–135 мкм), Ф-4ПН-40 (21–45 мкм), Ф-4ПН-20 (6–20 мкм).
  2. Ф-4О — применяется для изготовления изделий общего назначения (втулок, прокладок, деталей трубопроводов и насосов).
  3. Ф-4Д — тонкодисперсная модификация с меньшим молекулярным весом. В отличие от Ф-4 его можно перерабатывать с помощью экструзии и готовить из него суспензии. Применяется для изготовления пленок, покрытий, волокон.
  4. Ф-4А — свободносыпучий фторопласт. Обладает всеми свойствами Ф-4, но при этом более технологичен. Используется для получения изделий точного размера методами автоматического, изостатического, компрессионного прессования и поршневой экструзии.
  5. Ф-4HTD — тонкодисперсный фторопласт с размером частиц 5–30 мкм. Используется в качестве сухой смазки в узлах трения различных механизмов, загустителя для масел и пластичных смазок.

В маркировке фторопласта Ф-4 также встречается буква «М», что означает его модификацию с помощью различных добавок. Фторопласты всех марок находят свое применение в промышленности.

  • Ф-40. Это сополимер тетрафторэтилена и этилена (ОСТ 6-05-402-47). Может выпускаться в двух видах:

    • Ф-40П — для изготовления изделий под давлением путем прессования и литья;
    • Ф-40Ш — для изготовления изделий путем экструзии.

Химические свойства Ф-40 близки к фторопласту Ф-4 (см. табл.). Он устойчив к воздействию концентрированных кислот и растворителей, не горит, не пропускает ультрафиолетовые лучи.

Таблица 1. Основные технические характеристики различных фторопластов

Наименование

Плотность, кг/м3

Температура эксплуатации, °С

Удельное сопротивление,
Ом*м

Разрушающее напряжение (растяжение), МПа

Ф-2

1780

-45/ +150

1010–1013

44–55

Ф-3

2090–2160

-195/ +190

1015–1017

35–43

Ф-4

2150–2240

-260/ +160

1017–1018

16–35

Ф-40

1700

-200/ +200

1016

27–50

Сферы применения фторопласта

Наиболее востребован в промышленности именно фторопласт-4. Неспециалистам он известен как тефлон. Это тот самый материал, который используется в производстве посуды с антипригарными покрытием. Однако этой сферой его применение не ограничивается. Фторопластовые материалы незаменимы в самых разных отраслях.

  1. Машиностроение. Благодаря устойчивости к трению, из него и композиций на его основе изготавливают подшипники, сальники, пыльники, поршневые кольца и даже автомобильные шины. Детали из фторопласта обеспечивают стабильную эксплуатацию в условиях агрессивных сред, вакуума и при сверхнизких температурах. Кроме того, из-за уникальной термостойкости фторопласт вполне подходит для изготовления деталей для двигателей.
  2. Легкая промышленность. Обработка фторопластом позволяет повысить водостойкость изделий, например, обуви. Практически вся одежда для спорта и активного отдыха имеет тонкое тефлоновое покрытие.
  3. Медицина. Поскольку фторопласт не вызывает иммунологических реакций, биологически и физиологически безвреден, из него возможно изготовление протезов кровеносных сосудов, сердечных клапанов, емкостей для хранения крови и сыворотки, упаковки для лекарств. Применяется фторопласт и в стоматологии.
  4. Радиотехника и электротехника. Фторопласт используется как изолятор или проводник тока, а также для изготовления выключателей, элементов реле, кабелей, печатных плат.
  5. Химическая промышленость. Благодаря исключительной инертности по отношению ко всем кислотам и щелочам, фторопласт применяется в изготовлении лабораторной посуды различного назначения, для транспортировки и хранения химически агрессивных сред в трубопроводах, в аппаратах колонного типа, в качестве прокладок, контактирующих с агрессивными средами и для футеровки реакторов.
  6. Пищевая промышленность. Для изготовления антипригарного покрытия для сковородок и кастрюль, форм для выпечки, раскатывающих механизмов для теста, контейнеров для хранения.

Фторопласт может выпускаться в нескольких формах — листовой, в виде стержней, трубок или втулок.

Типы заготовок из полимера

Существует два вида изделий из фторопласта — заготовки и готовые изделия. Первая группа — это практически полуфабрикаты, используемые в дальнейших технологических процессах. Заготовки изготавливаются в соответствии с требованиями ТУ 6-05-810-88 по утвержденному техническому регламенту предприятия-изготовителя. Размеры заготовок должны соответствовать либо номенклатурному перечню предприятия-изготовителя, либо спецификациям, согласованным между изготовителем и заказчиком. Предельные отклонения от номинальных размеров регламентируются требованиями ОСТ 6-05-322-74, исключая листы и стержни, прессуемые в горизонтальном виде. В зависимости от показателей качества заготовки могут выпускаться двух сортов — высшего и первого.

  1. Листы и пластины. Они имеют прямоугольную или квадратную форму, размер от 100?100 мм или 1000?1000 мм. Толщина листов фторопласта от 1 до 60 мм. При изготовлении деталей листы подвергают механической обработке.
  2. Пленки. Используются для изготовления конденсаторов, изолирования проводов, кабелей, производства уплотнителей для вкладышей, подшипников, фильтров, мембран. Толщина пленок может быть от 10 до 100 мкм, ширина — до 300 мм.
  3. Стержни и диски. Диаметр стержней из фторопласта — от 10 до 300 мм, высота — от 50 до 2019 мм. Заготовки с круглым сечением используются для изготовления уплотнительных, антифрикционных и электроизоляционных деталей для различного технологического оборудования. Существуют также стержни с прямоугольным и квадратным сечением.
  4. Бруски из фторопласта-4 имеют длину 70–300 мм, ширину — 40–200 мм и толщину — 2–200 мм.
  5. Стружка или порошок.

На заметку
Согласно данным, опубликованным в научно-техническом издании «Вестник НТУ «ХПИ» (2013, № 59 (1032)), лидерство по производству фторопласта принадлежит США, на втором месте находится Западная Европа, на третьем — Китай.

Вторая группа — это готовые изделия. К ним относятся диски, трубки, ленты, жгуты, шарики. Они полностью готовы к применению в качестве комплектующих различных механизмов, оборудования, узлов арматуры. Могут производится как по типовым размерам, так и по чертежам заказчика.

Заготовки и изделия изготавливают из вторичных фторопластов или композиций по ТУ 6-05-1947-83 или из фторопластовых порошков, обработанных термически по ТУ 301-05-25-89 методом прессования или экструзии с последующим спеканием в формах. Спекание может проводиться под давлением или в свободном состоянии. Гарантийный срок на все изделия и заготовки — 5 лет со дня изготовления.

Цены на материал

На формирование цены на фторопласт оказывает влияние несколько общих факторов:

  • производитель (отечественный, иностранный);
  • объем партии (крупный опт, мелкий опт, розница);
  • марка.

Цену листового фторопласта Ф-4 указывают за 1 кг, в зависимости от толщины листа она варьируется примерно от 400 до 700 рублей.

Стоимость пленки также указывается за 1 кг и составляет в среднем около 2019 рублей. Цена на стержни, диски и прутки из фторопласта зависит от диаметра и способа производства (прессованный или вторичный), купить их можно примерно за 400–700 рублей за один кг.

Порошковый фторопласт практически не встречается в свободной продаже, цена на него составляет около 1000–1100 рублей за кг.

Заготовки из фторопластов других типов несколько дешевле, чем из Ф-4. Например, один килограмм Ф-3 можно приобрести по цене около 500–700 рублей, а Ф-2 — около 500–550 рублей.

Стоимость готовых изделий зависит не только от веса, но и от сложности самой детали. Например, цена защитного кольца из фторопласта для грузового автомобиля БелАЗ около 16,5 рублей за одну штуку. Типовые изделия имеют более низкую стоимость, чем изготовленные по специально разработанным чертежам. В этом случае цена может быть назначена индивидуально для каждого конкретного случая.

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:

Наименование в РФ Химическое наименование Международное название Основная область применения
Фторопласт-2 Поливинилиденфторид VDF-1000;

Kynar;

Hylar.

Компоненты узлов механизмов для всех отраслей промышленности, в том числе пищевой и атомной.
Фторопласт-3 Политрифторхлорэтилен Aclar;

Kel-f;

Plascon;

Neoflon;

PCTFE.

Пленки для защиты поверхности деталей от коррозии, в том числе в пищевой и фармакологической отраслях.
Фторопласт-4 Политетрафторэтилен Тефлон;

PTFE.

Сухая смазка, изоляция в СВЧ-приборах и высоковольтных кабелях, элементы, работающие при высокой температуре, медицинские импланты,

покрытие кухонной посуды.

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 2019 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 2019 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 2019 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 2019 кг/1 м3, то есть лист 2019 мм х 2019 мм х 10 мм будет весить 22 кг. Для сравнения, аналогичный лист капролона будет весить около 15 кг.

Вес фторопластового стержня длиной 2019 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.