Фторопласт: свойства и применение¶
Фторопласт — общее название группы фторсодержащих полимеров, получаемых полимеризацией фторированных олефинов. Наиболее распространённым и известным представителем является фторопласт-4 (политетрафторэтилен, ПТФЭ, международное обозначение PTFE), синтезированный в 1938 году в лаборатории компании DuPont. Фторопласты относятся к классу термопластов и обладают уникальным набором свойств: химической инертностью, широким диапазоном рабочих температур, крайне низким коэффициентом трения и диэлектрическими характеристиками.
¶Состав и строение
Фторопласт-4 представляет собой линейный полимер с повторяющейся звеньевой единицей −(CF₂−CF₂)−. Высокая прочность связи углерод-фтор (около 485 кДж/моль) обеспечивает стабильность макромолекулы и химическую инертность материала. Молекулярная масса технических марок фторопласта-4 составляет 10⁵–10⁷ г/моль.
Помимо ПТФЭ, к семейству фторопластов относятся:
| Марка | Структура | Особенности |
|---|---|---|
| Фторопласт-3 | −(CF₂−CFCl)− | Полихлортрифторэтилен, применяется в качестве пластичной смазки |
| Фторопласт-4Д | сополимер ТФЭ с гексафторпропиленом | Обладает пониженной вязкостью при переработке |
| Фторопласт-40 | сополимер ТФЭ с перфторвиниловым эфиром | Улучшенные диэлектрические свойства |
| Фторопласт-4МБ | ПТФЭ с добавкой бензола | Марка для изготовления фторопластовых лент |
| Фторопласт-4Н | ПТФЭ с повышенной чистотой | Для электротехнических и полупроводниковых применений |
¶Основные свойства
Фторопласт-4 сочетает свойства, редко встречающиеся у других материалов:
- Химическая инертность — не подвергается действию практически ни одного растворителя при комнатной температуре. Реагирует только с расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидом хлора.
- Температурный диапазон — рабочие температуры от −200 °C до +260 °C. При 327 °C происходит плавление с образованием прозрачного геля, при дальнейшем нагреве (выше 400 °C) начинается разложение с выделением тетрафторэтилена и других фторуглеводородов.
- Низкое трение — коэффициент трения по стали составляет 0,04–0,10, что сопоставимо со скольжением льда по льду.
- Диэлектрические свойства — удельное электрическое сопротивление порядка 10¹⁸ Ом·см, тангенс угла диэлектрических потерь 0,0002 при частоте 10⁶ Гц.
- Водоотталкивание — поверхность фторопласта смачивается водой под углом около 105°.
- Низкий модуль упругости — материал обладает заметной ползучестью под нагрузкой.
¶Получение
Промышленный синтез фторопласта-4 основан на полимеризации тетрафторэтилена в водной среде в присутствии инициаторов (персульфатов) и эмульгаторов. Процесс ведут при давлении 1,5–3 МПа и температуре 40–80 °C. Получаемую суспензию коагулируют, промывают и сушат. Альтернативный способ — полимеризация в газовой фазе, дающий продукт с более высокой чистотой.
¶Переработка
Фторопласт-4 не может быть переработан обычным литьём или экструзией из-за высокой вязкости расплава (10¹⁰–10¹¹ Па·с при 380 °C). Основные способы формования:
- Порошковая прессовка с последующим спеканием при 360–380 °C — изготавливаются плиты, стержни, втулки.
- Каландрирование — производство плёнки и ленты.
- Экструзия паст — паста на основе фторопласта-4МБ и летучих растворителей используется для изготовления фторопластовых лент (ФУМ-ленты), применяемых для герметизации резьбовых соединений.
- Электролитическое осаждение из водных суспензий — нанесение антипригарных покрытий.
¶Применение
Фторопласт находит применение в широком спектре отраслей:
- Химическая промышленность — прокладки, мембраны, арматура, футеровка реакторов и трубопроводов.
- Машиностроение — самосмазывающиеся подшипники скольжения, направляющие, уплотнения.
- Электротехника и электроника — изоляция проводов и кабелей, диэлектрические подложки, изоляторы в высокочастотной аппаратуре.
- Пищевая промышленность — антипригарные покрытия форм и противней, детали оборудования.
- Медицина — сосудистые протезы, швы, имплантаты (материал биологически инертен).
- Строительство — герметизация швов, антипригарные составы.
¶Фторопласт в России
В СССР промышленное производство фторопласта-4 было развёрнуто в 1950-х годах. Крупнейшими производителями в России являются «Химпром» (Новочебоксарск), «Полимир» (Новомосковск) и «ГалоПолимер» (Киршин). Отечественные марки фторопласта стандартизированы — ГОСТ 10007-80 регламентует технические условия на политетрафторэтилен.
¶Экологические и медицинские аспекты
При нагреве фторопласта выше 400 °C выделяются токсичные продукты разложения, в том числе перфторизобутилен, поэтому переработка и использование материала требует соблюдения температурных режимов. Вопрос о безопасности антипригарных покрытий на основе фторопласта (в том числе содержащих перфтороктановую кислоту, ПФОК) остаётся предметом научных дискуссий; ряд стран ограничил использование ПФОК-содержащих покрытий. Современные производители переходят на покрытия без ПФОК.
¶Историческая справка
Фторопласт-4 был открыт случайно: 6 апреля 1938 года Рой Планкетт, исследовавший газовые фреоны для компании DuPont, обнаружил белое твёрдое вещество в баллоне с тетрафторэтиленом, который хранился при минусовой температуре. В 1954 году в СССР были начаты первые промышленные испытания материала, а в 1960-е годы налажено массовое производство.
Источники:
- ГОСТ 10007-80. Политетрафторэтилен. Технические условия.
- Булавин Л. А. Фторсодержащие полимеры. — Минск: БГТУ, 2008.
- Соколов В. И., Крылов В. И. Фторопласты в технике. — Л.: Химия, 1985.
- Plunkett R. J. Tetrafluoroethylene polymers. — US Patent 2 230 984, 1941.