Фторопласт Ф4: виды, свойства, технические характеристики

Виды:

  • Ф-2 или поливиниленфторид. Иногда выпускается с добавлением модификатора — кобальта, стекловолокна, кокса. В таком случае, к маркировке добавляется буква «М». Обладает большой прочностью, не имеет в составе пластификаторов, стабилизаторов и катализаторов. Поэтому материал нашел свое применение в области трубопроводных систем и создании емкостей для ядовитых жидкостей. Ф-2 легко преобразовывается и может растворяться в нейтральных (апротонных) растворителях.
  • Ф-3 или политрифторхлоридэтилен. Крепкий и плотный материал, который поддается плавлению, смягчается, то есть изменяет форму в процессе прессования и литья.
  • Ф-4 или политетрафторэтилен. Материал, обладающий самой высокой плотностью среди фторопластов и стойкостью к горению. Имеет небольшую пористость, устойчивость к перепадам температуры, высокую гидрофобность. Сейчас производится в нескольких разновидностях.
  • Ф-40 – создан посредством двух полимеров: тетрафторэтилена и этилена. Может выпускаться в двух видах.

Применение

В наше время фторопласт применяется почти во всех отраслях хозяйственной деятельности. Также его применяют в здравоохранении, энергетике и строительстве, механизмах автомобилей и авиастроении и даже в пищевой промышленности.

Машиностроение и электротехника

По причине стойкости к трению, из этого материала и его производных выпускают подшипники, сальники, пыльники, поршневые кольца, автомобильные шины. Детали из фторопласта гарантируют работу без поломок в условиях агрессивной среды, вакуума и при очень низких температурах. А также благодаря своей термостойкости материал подходит для производства деталей для двигателей. Трубки, изготовленные из фторопласта 4 Д, используются как шланги высокого давления для введения масел, жидкости, газа, топлива, при значительной вибрации, пульсировании. Так как трубки обладают свойством при нагреве приобретать вид деталей, на которых они насажены, они применяются в качестве изоляторов и уплотнителей. Также они используются для герметизации кабелей аппаратуры, изоляции электрических сетей в транспорте.

В медицине

Фторопласт отлично сочетается с телом человека, поэтому его успешно используют для производства протезов в хирургии, кардиологии и стоматологии. Из него выпускают заменители сосудов кровеносной системы и сердечных клапанов.

В пищевой промышленности

Фторопласт применяют для внутреннего покрытия трубопроводов и в качестве сальникового уплотнения насосов, качающих разные сырьевые жидкости. Например, подсолнечное масло, лецитин, жировые и молочные массы. Антипригарные поверхности емкостей для термообработки пищевых изделий тоже изготавливают из фторопласта. Наверняка всем известна марка Тефаль, выпускающая посуду с антипригарной поверхностью.

В изготовлении одежды и разных видов ткани

При искажении формы фторопласта возникает легкая пленка, она служит сырьем для определенных типов ткани. Это материя используется для пошива высокотехнологичной одежды с водоотталкивающими и ветрозащитными свойствами. В таком случае, пористый материал не впитывает выделяемый пот. Большинство видов современной одежды для спорта и активного отдыха сшиты из легкого тефлонового покрытия.

В строительстве

Пластины из фторопласта – важные составляющие конструкций скользящих опор, крупных построек, как мосты, галереи, эстакады, путепроводы и другие пролетные строения. На территории с природной активностью фторопластовые пластины применяются для опоры балок перекрытия на колонны, а также для легкого движения основ строительных конструкций.

Изготовление деталей из фторопласта

Сегодня фторопласт применяется в самых разных отраслях, для любых конфигураций, нередко нестандартных форм и размеров. Поэтому случается необходимость заказать изделие.

Торговый Дом «Пластмасс Групп» предоставляет услуги по изготовлению изделий на заказ, в том числе и фторопластовых прокладок по чертежам заказчика.

Прокладки из фторопласта: применение

Фторопластовые прокладки – это пластичный материал, который может незначительно менять форму при давлении, что нашло применение в герметизации стыкуемых деталей. Такие уплотнители соответствуют оборудованию для химической и нефтехимической промышленности:

  • трубопроводах;
  • клапанах;
  • насосах;
  • резервуарах для масел, топлива, растворителей и др.

Также фторопластовые прокладки используются:

  • в компрессорах. Высокая стойкость к износу и перемене температур делает их необходимыми в производстве.
  • в электродвигателях. Уплотнители не подвергаются коррозии.
  • отлично подходят для электронных приборов.
  • для технологического оборудования в нефтехимической отрасли.
  • для гидравлических систем, механических устройств.
  • для монтажа водопровода и отопления, при установке сантехники. Этот материал не гниет, выдерживает любые температуры воздуха и воды.

Изготовление

Существует несколько вариантов химического и промышленного получения материала. Различаются их по методу подводки к полимеризации. Изначально в вещество мономера вводят фтор и иные соединения. Это происходит при нагреве углеводорода с галогенами до высоких температур (пиролиза). Во время этой процедуры сложные длинные молекулярные цепи претерпевают распад, а получившиеся простые начинают соединение с фтором.

Дальнейший синтез происходит по одному из трех способов:

  • Радикальная полимеризация. Это химическое взаимодействие происходит при методическом соединении к растущейй цепочке мономеров. Для этого нужно их активизировать. Происходит это благодаря УФ-лучям. С помощью этого излучения простые углеводороды активизируются и электрон переносится на новый энергетический уровень. В результате мономер вступает в химически активность с другими атомами. 
  • Сополимеризация. Взаимодействие практически не разнится с вышеописанным, в этом случае мономеры заблаговременно подвергают омылению, растворению с помощью спиртов или другой процедуре, увеличивающей постоянство синтеза. Кроме того, в субстанции необходимо нахождению уже немного синтезированного полимера. С ним и будут вступать в реакцию мономеры. 
  • Полимеризация. Для этой процедуры нужно некое вещество – затравка. Она создает формирование радикалов, после этого возникает реакция полимеризации.
  •  

Свойства

  • Диэлектрические: диэлектрическая проницаемость не зависит от температуры, то есть электрическая длина не меняется в частотном диапазоне. Поэтому активно его применение в РЭА, как составляющее в измерительных приборах.
  • Химические: стойкость, даже более высокая, чем стойкость драгоценных металлов и знакомых синтетических материалов, устойчивость к влиянию кислот и щелочей.
  • Механические: материал имеет высокий коэффициент линейного расширения, который в 10 раз превышает этот показатель у конструкционных сталей.
  • Физические: плотность материала по ГОСТ 10007-80 от 2,18 до 2,21 г/см³. Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остается гибким и эластичным при температурах от -70 до +270 °C, прекрасный изоляционный материал, он не смачивается ни водой, ни жирами, ни большинством органических растворителей. У фторопласта практически отсутствует водопоглащение. Также он удерживает ультрафиолет.
  • Свойства при точении: фторопрост легко поддается обработке, несмотря на стойкость. Так как происходит это на специальных станках, оборудованных зажимными механизмами и системой для улавливания и отсоса стружки и пыли. При отделке фторопластов режущая кромка должна быть острозаточенной.

Фторопласт 4: свойства, применение

Физические свойства

  • высокая плотность;
  • упругость;
  • устойчивость к перепадам температур;
  • неспособность проводить ток;
  • водонепроницаемость.

Даже сильные агрессивные химические вещества (кислоты, щёлочи, окислители, растворители) при высокой температуре не оказывают на Ф-4 ни малейшего влияния. У материала наиболее маленький коэффициент трения, а благодаря единству статического и динамического коэффициентов трения фторопласта-4 и структур на его базе, активно его применение в автомобилестроении. А точнее, в виде подшипников и опор скольжения в узлах трения механизмов машин, подвижных уплотнителей поршневых колец, манжет, эксплуатирующихся без смазки, с ограниченной смазкой и при коррозии среды.

В зависимости от свойства и назначения, фторопласт-4 выпускают пяти марок. Активно применение фторопласта-4 в машиностроении, медицине, легкой и химической отраслях, радиотехнике и электронике, и в пищевой промышленности.

Технология изготовления

Основой для получения фторопласта выступают фторолефины (органические непредельные фторсодержащие соединения, в которых водородные атомы замещены на фтор): винилфторид, винилиденфторид, трифторхлорэтилен и тетерафторэтилен.

Эти вещества – газы. Процедура полимеризации синтезов осуществляется при вспомогательных компонентах в виде дистиллированной и освобожденной от кислорода воды, персульфата калия, эмульгаторов, инициаторов и др.

Установкой для изготовления являются автоклавы из высокопрочной стали, которая выдерживает высокое давление (до 100 атм).

Фторопласт 3 – свойства

Материал имеет отличные диэлектрические свойства: объемное электрическое сопротивление, электрическая прочность и эластичность очень высоки (особенно при низких частотах), и стабильны в условиях повышенной влажности.  По отношению к низким температурам – стойкий. Имеет хорошую адгезию к металлам и применяется в производстве антикоррозийных покрытий.

Фторопласт f46 – свойства

Фторопласт f46 (Ф-26) – высокомолекулярный низкокристаллический растворимый полимер с высокой гибкостью, степень кристалличности не превышает 25-30% и практически не зависит от условий термообработки. Материал отличается высокой прочностью, термостойкостью, очень крепок к действию концентрированных кислот (96%-ной серной, 37%-ной соляной), щелочей (40%-ного едкого натра) и окислителей (30%-ной перекиси водорода). Полимер стоек к действию бензина, этилового спирта, четыреххлористого углерода, незначительно набухает в ароматических углеводородах.

Фторопласта ф4с15 – свойства

Удобен для производства уплотнений. Стоек к перепадам температур, отлично ведет себя в условиях сухих агрессивных газов. Однако, при наличии конденсата наблюдается высокая степень износа. Фторопласт Ф4С15 может употребляться вместе с алюминиевыми сплавами (типа АКИ-1), титановыми сплавами (типа ОТ-4) и нержавеющими сталями при температурах от -60° до +250°С.

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.