Фторопласты

Фторопласты — это группа синтетических полимеров, в молекулах которых атомы водорода полностью или частично замещены атомами фтора. Наиболее известным и широко применяемым представителем является политетрафторэтилен (ПТФЭ, торговое название «тефлон»). Фторопласты относятся к классу фторполимеров и отличаются уникальным сочетанием химической стойкости, термостойкости, низкого коэффициента трения и антиадгезионных свойств.

История

Первое получение фторопласта датируется 1938 годом, когда американский химик Рой Планкетт, работавший в компании DuPont, случайно обнаружил полимеризацию тетрафторэтилена (ТФЭ) в баллоне под давлением. Полученное вещество оказалось белым воскообразным порошком, который не растворялся ни в одном из известных растворителей, не вступал в реакцию с кислотами и щелочами и выдерживал нагрев до высоких температур. В 1941 году DuPont запатентовала этот материал под названием «тефлон». Промышленное производство началось в 1946 году.

В СССР разработка собственных фторопластов велась с конца 1940-х годов. В 1950-х годах на Кирово-Чепецком химическом комбинате (ныне — филиал АО «Группа Оргсинтез») было освоено производство аналога ПТФЭ, получившего название «фторопласт-4». Позднее, в 1960–1970-х годах, были синтезированы и другие марки: фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен), фторопласт-2 (поливинилиденфторид), фторопласт-40 (сополимер тетрафторэтилена с этиленом) и другие.

Классификация

Фторопласты классифицируют по химическому составу и структуре макромолекул. Основные группы:

• Гомополимеры: политетрафторэтилен (ПТФЭ, Ф-4), политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ, Ф-3), поливинилиденфторид (ПВДФ, Ф-2), полифторэтиленпропилен (ФЭП, Ф-4МБ).
• Сополимеры: сополимер тетрафторэтилена с этиленом (Ф-40), сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (Ф-4МБ, FEP), сополимер тетрафторэтилена с перфторалкилвиниловыми эфирами (PFA, MFA).
• Модифицированные фторопласты: с добавками (стекловолокно, углеродное волокно, бронза, графит, дисульфид молибдена) для улучшения механических свойств, износостойкости или теплопроводности.

По способу переработки различают:

• Неплавкие (ПТФЭ, Ф-4): не переходят в вязкотекучее состояние при нагреве, перерабатываются методами порошковой металлургии (холодное прессование с последующим спеканием).
• Термопластичные (Ф-2, Ф-3, Ф-40, FEP, PFA): перерабатываются литьём под давлением, экструзией, каландрованием.

Характеристики и свойства

Химическая стойкость

Фторопласты, особенно ПТФЭ, обладают исключительной химической инертностью. Они устойчивы к действию концентрированных кислот (серной, азотной, соляной, плавиковой), щелочей, окислителей, органических растворителей и агрессивных газов. Разрушаются только под воздействием расплавленных щелочных металлов, элементарного фтора при высоких температурах и некоторых фторирующих агентов.

Термостойкость

Рабочий диапазон температур для различных марок фторопластов:

• ПТФЭ (Ф-4): от -269 °C до +260 °C (кратковременно до +300 °C).
• ФЭП (FEP): от -200 °C до +200 °C.
• ПВДФ (Ф-2): от -40 °C до +150 °C.
• Ф-40 (ETFE): от -60 °C до +150 °C.

Антифрикционные свойства

Коэффициент трения фторопластов по стали без смазки составляет 0,04–0,08, что ниже, чем у большинства известных полимеров. Это свойство обусловлено низкой поверхностной энергией и слабыми межмолекулярными взаимодействиями.

Антиадгезионные свойства

Фторопласты не смачиваются водой, маслами и большинством жидких сред. К ним не прилипают пищевые продукты, клеи, смолы, битумы. Это свойство широко используется в производстве посуды с антипригарным покрытием.

Электроизоляционные свойства

Фторопласты являются отличными диэлектриками. Они обладают высоким удельным электрическим сопротивлением (до 10¹⁸ Ом·м), низкой диэлектрической проницаемостью (2,0–2,5) и малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Эти свойства сохраняются в широком диапазоне частот и температур.

Механические свойства

Механические характеристики фторопластов относительно невысоки по сравнению с конструкционными пластиками. ПТФЭ имеет предел прочности на разрыв 20–30 МПа, относительное удлинение при разрыве 200–400%, модуль упругости 400–600 МПа. Материал склонен к ползучести (холодной текучести) под нагрузкой. Для повышения прочности и жёсткости применяют наполнители.

Применение

Уникальные свойства фторопластов обусловили их широкое применение в различных отраслях промышленности.

Химическая промышленность

• Уплотнительные элементы (прокладки, манжеты, сальники) для работы в агрессивных средах.
• Футеровка (облицовка) внутренних поверхностей аппаратов, трубопроводов, ёмкостей.
• Детали насосов, клапанов, арматуры (диафрагмы, седла, золотники).
• Трубы и фитинги для транспортировки кислот, щелочей и растворителей.

Машиностроение

• Подшипники скольжения (втулки, вкладыши), работающие без смазки или в условиях ограниченной смазки.
• Направляющие, упоры, скользящие поверхности в станках, конвейерах, робототехнике.
• Поршневые кольца компрессоров, работающих на сухом газе.

Электротехника и электроника

• Изоляция проводов и кабелей (особенно высокочастотных и работающих в условиях повышенных температур).
• Изоляционные втулки, платы, детали конденсаторов.
• Диэлектрические элементы в высоковольтных установках.

Пищевая промышленность

• Антипригарные покрытия для сковород, кастрюль, противней, форм для выпечки.
• Детали технологического оборудования (транспортёры, дозаторы, смесители), контактирующие с пищевыми продуктами.

Медицина

• Имплантаты (сосудистые протезы, сердечные клапаны, суставные вкладыши) — благодаря биологической инертности.
• Хирургические инструменты, катетеры, шприцы, ёмкости для хранения лекарств.

Прочие области

• Производство уплотнительных лент (ФУМ — фторопластовый уплотнительный материал) для резьбовых соединений.
• Изготовление поршневых колец и цилиндров в пневматических системах.
• Производство мембран для фильтрации агрессивных жидкостей и газов.
• Смазочные материалы (фторопластовые порошки и дисперсии).

Технология переработки

Переработка фторопластов зависит от их типа.

• ПТФЭ (неплавкий):

1. Прессование: порошок ПТФЭ засыпают в пресс-форму и при комнатной температуре прессуют под давлением 30–50 МПа.
2. Спекание: полученную заготовку (таблетку) нагревают до температуры 360–380 °C, выдерживают при этой температуре для сплавления частиц, а затем медленно охлаждают.
3. Механическая обработка: спечённые заготовки обрабатывают на токарных, фрезерных и других станках для получения деталей требуемой формы.

• Термопластичные фторопласты (FEP, PFA, PVDF, ETFE):
• Литьё под давлением: гранулят расплавляют и впрыскивают в форму.
• Экструзия: расплав продавливают через фильеру для получения труб, профилей, плёнки.
• Каландрование: получение листов и плёнки пропусканием через валки.

Экологические и санитарные аспекты

Фторопласты химически инертны и нетоксичны в твёрдом состоянии. Однако при нагреве выше 300–350 °C (для ПТФЭ) начинается термическая деструкция с выделением токсичных продуктов, включая фтористый водород, перфторизобутилен и другие фторорганические соединения. Вдыхание аэрозолей продуктов разложения может вызвать «тефлоновую лихорадку» — временное заболевание, сопровождающееся симптомами, сходными с гриппом.

При производстве ПТФЭ используется перфтороктановая кислота (ПФОК, PFOA), которая является стойким органическим загрязнителем и может накапливаться в окружающей среде. С 2015 года под эгидой Стокгольмской конвенции начата глобальная поэтапная ликвидация производства и использования ПФОК. Современные технологии позволяют производить фторопласты без применения ПФОК или с её минимальным содержанием.

Интересные факты

• ПТФЭ является самым скользким из известных твёрдых веществ — коэффициент трения тефлона по тефлону близок к коэффициенту трения мокрого льда по мокрому льду.
• Из-за низкой адгезии к ПТФЭ практически невозможно приклеить что-либо без специальной химической обработки поверхности (например, натрий-аммиачным раствором).
• В 2016 году компания «Холдинговая компания «Композит» (Россия) разработала технологию получения фторопластовых плёнок толщиной до 0,005 мм.
• Фторопласт-4 используется в качестве материала для изготовления поршней в некоторых моделях огнестрельного оружия (для уменьшения трения и предотвращения коррозии).

Источники

• Паншин Ю. А., Малкевич С. Г., Дунаевская Ц. С. Фторопласты. — Л.: Химия, 1978.
• Логинов Б. А. Удивительный мир фторопластов. — М.: Издательство «Знание», 1988.
• Крыжановский В. К., Бурлов В. В., Паниматченко А. Д. Технические свойства полимерных материалов. — СПб.: Профессия, 2007.
• Материалы сайта АО «Группа Оргсинтез» (Кирово-Чепецк) — описание марок фторопластов.
• ГОСТ 10007-80 «Фторопласт-4. Технические условия».
• Доклад Национального токсикологического центра США (NTP) о токсичности PFOA, 2016.