Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт-4)

Сокращения и другие названия: ПТФЭ, фторопласт-4, PTFE, тефлон.

Политетрафторэтилен - полимер тетрафторэтилена (ПТФЭ, все атомы водорода замещены фтором). Представляет собой пластичную массу, которая обладает редкими физическими и химическими свойствами.

Следует отметить, что «тефлон» - зарегистрированный товарный знак компании Chemours. «Фторполимер» и «политетрафторэтилен» являются незапатентованными названиями полимера, поэтому широко используются в России.

Формула политетрафторэтилена

(C₂F₄)n

Наиболее важные свойства фторопласта-4 сформулированы в следующей таблице:

Наименование показателя	Фторопласт-4
Физические свойства
Плотность, кг/м³	2120-2200
Температура плавления кристаллитов,°С	327
Температура стеклования,°С	-120
Теплостойкость по Вика, °С	110
Удельная теплоемкость, кДж/(кг*К)	1,04
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)	0,25
Температурный коэффициент линейного расширения*10^-5,°С^-1	8 - 25
Рабочая температура, °С минимальная максимальная	-269 260
Температура разложения, °С	более 415
Термостабильность, %	0,2 (420 °С, 3 ч)
Горючесть по кислородному индексу, %	95
Стойкость к облучению, Гр	(0,5-2)*10⁴
Механические свойства
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	14,7-34,5 15,7-30,9 (закаленные образцы)
Удлинение при разрыве, % относительное остаточное	250-500 250-350
Модуль упругости, МПа при растяжении при сжатии при статическом изгибе при 20°С при -60°С	410 686,5 460,9-833,6 1294,5-2726,5
Разрушающее напряжение, МПа при сжатии при статическом изгибе	11,8 10,7-13,7
Ударная вязкость, кДж/м²	125
Твердость по Бринеллю, МПа	29,4-39,2
Коэффициент трения по стали	0,04
Способность к механической обработке	Превосходная
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом*м	10¹⁵-10¹⁸
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом	Более 1*10¹⁷
Тангенс угла диэлектрических потерь при 1 кГц при 1 МГц	(2-2,5)10^-4 (2-2,5)10^-4
Диэлектрическая проницаемость при 1 кГц при 1 МГц	1,9-2,1 1,9-2,1
Электрическая прочность (толщина образца 4 мм), МВ/м	25-27
Дугостойкость, с	250-700 (сплошной токопроводящий слой не образуется)

Благодаря наличию фтора, полимеры наделены важными техническими характеристиками (химическая устойчивость, устойчивость к воздействиям температуры, антифрикционные свойства, высокие диэлектрические свойства). Следует отметить, что связь фтор-углерод во фторуглеродах является одной из самых прочных связей, которые могут быть известны для органических соединений. Также небольшой размер атомов фтора и прочная связь углерод-углерод вносят свой вклад в уникальность тех свойств, которыми обладает политетрафторэтилен.

Растворимость

Политетрафторэтилен не подвергается действию ни одного известного растворителя. Растворение может произойти только при сильном взаимодействии, возникающем между полимерной молекулой и молекулой растворителя. Нерастворимость фторопласта-4 обусловлена тем, что атомы фтора достаточно сильно закрывают углеродную цепочку и молекулы растворителя не имеют возможности приблизиться к ней на то расстояние, на котором допустима химическая реакция.

Из-за плохой растворимости невозможно определить молекулярный вес политетрафторэтилена, поэтому его определяют по конечным группам с применением радиоактивных индикаторов. Полученные значения равны 142 000 - 534 000.

Химическая устойчивость

Среди всех известных пластмасс и других материалов (например, стекла, золота, платины, сплавов) политетрафторэтилен является наиболее стойким материалом. Он устойчив к воздействию щелочей, органических и минеральных кислот, различных растворителей, окислителей и прочих агрессивных сред. Воздействие на тефлон могут оказывать только расплавленные щелочные металлы, трехфтористый хлор при повышенных температурах.

Кристалличность

В состав политетрафторэтилена входит примерно 80 - 85% кристаллической фазы. Как правило, при обычных температурах полимер содержит аморфные участки совместно с кристаллической фазой. Аморфные участки обладают высокоэластичным состоянием, что обуславливает относительную мягкость материала. Следует отметить, что кристаллическая фаза ПТФЭ плавится при температуре 327 °C.

Термические свойства

Политетрафторэтилен допустимо эксплуатировать при температурах, достигающих примерно 250 °С. Важно то, что при нагревании ПТФЭ до 200 °С из полимера выделяется минимальное количество токсичных и опасных газов, что положительно сказывается на возможностях его применения. Если фторопласт-4 нагревается в вакууме при температуре 490 °С и выше, становится заметным его разложение. Немаловажное отличие рассматриваемого материала от других термопластичных пластиков состоит в том, что он не течет при своей температуре плавления. Так, при температуре плавления кристаллическая фаза сменяется аморфной.

Политетрафторэтилен не наделен хрупкостью при динамической нагрузке и низкой температуре, что обусловлено немалым молекулярным весом.

Отметим, что с увеличением давления повышается температура разложения политетрафторэтилена, что является весьма интересным свойством полимера.

Устойчивость к облучению

Рассматриваемый полимер плохо устойчив к облучению. При воздействии гамма- и бетта-излучения его механические свойства значительно ухудшаются. При воздействии на полимер излучения связь С - С подвергается деструкции без последующего сшивания.

Допустим вариант разрыва цепи также под воздействием атомов или молекул фтора.

Антифрикционные свойства

Политетрафторэтилен имеет низкий коэффициент трения, который не зависит от температуры до достижения температуры плавления кристаллической фазы. Коэффициент трения имеет низкое значение из-за небольшого значения межмолекулярных сил, которые не приводят к притяжения других веществ.

Коэффициент трения можно повысить за счет замещения атома фтора на другой атом.

Путем введения в политетрафторэтилен неорганических соединений можно повысить устойчивость к деформации, износу, теплопроводность и прочее.

Как правило, политетрафторэтилен лучше применять в виде пленок, нанесенных на металл. Они должны содержать не более 60% полимера, чтобы не допустить сморщенности пленки.

Получение политетрафторэтилена

Фторопласт-4 в производстве получают в виде белого рыхловатого порошка или в виде водной суспензии желтоватого цвета, непрозрачной.

Волокнистый политетрафторэтилен получают в водной среде и без применения эмульгаторов путем полимеризации тетрафторэтилена в автоклаве с якорной мешалкой.

Перед проведением процесса автоклав продувается азотом, после чего в него загружают воду и инициатор.

Технологическая схема процесса производства политетрафторэтилена:

1 - мерник-испаритель;

2 - мерник дистиллированной деаэрированной воды;

3 - реактор-полимеризатор;

4 - капельница;

5 - приемник суспензии;

6 - приемник пульпы;

7 - репульпатор;

8 - коллоидная мельница;

9 - пневматическая сушилка;

10 - вымораживатель;

11 - калорифер.

В реактор-полимеризатор 3 поступает сырье в виде тетрафторэтилена из мерника-испарителя 1. Реактор-полимеризатор предварительно заполняется водой, поступившей из мерника 2. Предварительно перед подачей ТФЭ в реакторе растворяют инициатор, в качестве которого выступает персульфат аммония. Реактор охлаждают до температуры около 4 °С и при давлении 1,47 - 1,96 МПа реакция начинается. Допустимо введение 1%-ой соляной кислоты в реактор при условии, что после загрузки тетрафторэтилена реакция не начинается. Соляная кислота в данном случае используется как активатор процесса. Как только температура в реакторе начинает повышаться, введение соляной кислоты прекращается.

Когда реакционная смесь нагревается до 70 °С, а давление снижается до атмосферного, реакцию полимеризации прекращают. Маточный раствор удаляется в приемнике суспензии 5, куда реакционная масса поступает самотеком. Перемешиваемая насосом суспензия политетрафторэтилена с частью маточника направляется в приемник пульпы 6. В системе репульпатор 7 - коллоидная мельница 8 осуществляется многократная отмывка и размол частиц полимера в суспензии. Твердая и жидкая фаза в репульпаторе соотносятся как 1:5. В пневматическую сушилку 9 поступает влажный продукт при температуре 120 °С. Далее сухой политетрафторэтилен разделяется на различные фракции в зависимости от степени дисперсности и отправляется в последующем на упаковочную ленту.

Дисперсный ПТФЭ получают путем проведения полимеризации в водной среде с добавлением солей перфторкарбоновых или моногидроперфторкабоновых кислот, исполняющих роль эмульгаторов. Инициатором процесса выступает пероксид янтарной. Условиями проведения процесса являются температура 55 - 70 °С и давление 0,34 - 2,45 МПа. В результате проведения процесса полимеризации получается продукт шарообразной формы. Из получившейся водной дисперсии концентрируют или выделяют порошкообразный продукт. Следует отметить, что в целях предотвращения процесса коагуляции полимера в суспензию вводят около 9 - 12% ПАВ (поверхностно-активных веществ) при условии содержания в суспензии 50 - 60% полимера.

Дисперсный фторопласт именуется как фторопласт-4Д или фтролон-4Д.

Политетрафторэтилен в виде частиц с волокнистой структурой не переходит при нагревании в вязкотекучее состояние, что указывает на невозможность его переработки обычной методикой.

Переработка в изделия

Порошкообразный фторопласт-4 засыпается в форму для прессования, распределяется по ней равномерно и уплотняется «на холоду» при удельном давлении, не превышающем 400 кгс/см2. Такой параметр давления обусловлен тем, что при более высоких давлениях ПТФЭ может растрескиваться, а при низких - материал дает усадку и получается довольно рыхлым. Выдерживают заготовку в зависимости от высоты и заданного диаметра.

Для предотвращения появления трещин и равномерного уплотнения порошка давление в форме рекомендуется поднимать медленно и равномерно.

Спекание рекомендовано проводить при температуре, приближенной к 370 °С от 2 до 50 часов. Если производить нагрев дольше рекомендуемого времени или при более высоких температурах, возможна частичная деструкция полимера: пористость, выделение газовых продуктов, ухудшение механических свойств изделий. Процесс проводят в специальной печи с электрообогревом и точной регулировкой температуры. Охлаждение полученных изделий рекомендуется проводить медленно вместе с охлаждением печи. После охлаждения изделия извлекаются из печи и охлаждаются на открытом воздухе. Если процесс охлаждения проводить в воде, то с большой вероятностью изделие закалится. Закалка приведет к появлению трещин и к усадке внутри и снаружи.

С помощью механической обработки на станках из заготовок получают готовые изделия. Обработку производят на станках для холодной обработки. Также применяется горячее штампование для придания точных размеров и изменения формы полимера. Также допустимо штампование ударом с целью получения изделий, предназначенных для работы при 150 - 175 °С.

Маркировка

Нетрудно догадаться, что фторопласты-4 делятся не только в зависимости от методики их получения, но и от назначения и свойств. Так, выпускается ряд рекомендуемых марок:

С - для изготовления специальных изделий;

П - для изготовления конденсаторной пленки и для изготовления электроизоляционной пленки;

ПН - для изготовления электротехнических изделий или прочих изделий повышенной надежности, электроизоляционных, изоляционных и пористых, прокладочной ленты и вальцованных пленок.

О - для изготовления изделий общего назначения и композиций;

Т - для изготовления толстостенных изделий и трубопроводов.

В приведенной ниже таблице представлены марки фторопласта-4 гостированные для них нормы.

Наименование показателя	Норма для марки
	С	П	ПН	О		Т
Внешний вид	Порошок белого цвета, легко комкующийся и без видимых включений				Легко комкующийся порошок белого цвета
Внешний вид пластины: цвет чистота	Белый однородный Не определяют				Белый однородный. Допустим серый или кремовый оттенок В соответствии с образцом, утвержденным в установленном порядке
Массовая доля влаги, %, не более	0,02	0,02	0,02	0,02		0,02
Плотность, г/см², не более	2,18	2,18	2,19	2,20		2,21
Относительное удлинение при разрыве незакаленного образца, %, не менее	350	350	350	350		280
Термостабильность, ч, не менее	100	100	100	100		15
Электрическая прочность (толщина образца 0,100±0,005 мм при постоянном напряжении), кВ/мм, не менее	50	60	50	Не определяют
Внешний вид строганой пленки	Без металлических включений, отверстий и трещин, чистота и однородность окраски должны соответствовать образцу, утвержденному в установленном порядке		Не определяют
Относительное удлинение при разрыве строганой пленки в поперечном направлении, %, не менее	Не определяют	175	Не определяют

Применение

Благодаря своим уникальным свойствам фторопласт-4 достаточно широко применяется в различных сферах деятельности человека. Так, например, в промышленности и технике волокна ПТФЭ нашли свое применение в качестве высокотемпературных фильтров, различных прокладок, устойчивых к температурному воздействию, нитей для текстильных тканей, в промышленных клапанах регулирования, запорных клапанах, всевозможных мешалок, насосов и оборудования для фильтрации.

Из политетрафторэтилена изготавливают колонны ректификации, трубы, сильфоны, клапаны, сальниковые набивки. Прокатная пленка используется в качестве кабелей, конденсаторов-изоляторов, пазов электромашин. Нередки случая использования Ф-4 в качестве всевозможных деталей машин, подшипников.

Фторопласт-4 применим как смазочный материал в изготовлении металло фторопластовых опорных лент. Есть вариант введения в смазочные материалы фторопласта-4.

Не обошел стороной ПТФЭ и электротехническую сферу. Он применим как изолятор проводов, деталей, печатных плат.

В медицине благодаря совместимости политетрафторэтилена с организмом человека успешно применяются имплантаты для ССС (сердечно-сосудистой системы), общей хирургии, офтальмологии, стоматологии и т.д. Фторопласт-4 признан самым подходящим материалом для изготовления искусственных сосудов сердца и сердечных стимуляторов.

Всем известно, что тефлон применяется в качестве антипригарного покрытия сковородок, форм для выпечки, кастрюль.