Политетрафторэтилен

Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт-4, тефлон) — это синтетический полимер, продукт полной полимеризации тетрафторэтилена, относящийся к классу фторполимеров. Обладает уникальным комплексом физико-химических свойств: исключительно высокой химической стойкостью, низким коэффициентом трения, широким диапазоном рабочих температур (от −200 до +260 °C) и высокими диэлектрическими характеристиками. В быту и промышленности наиболее известен под торговой маркой «Тефлон» (Teflon), зарегистрированной компанией DuPont (США).

История

Открытие и первые синтезы

Политетрафторэтилен был открыт случайно 6 апреля 1938 года американским химиком Роем Планкеттом, работавшим в лаборатории компании Kinetic Chemicals (совместное предприятие DuPont и General Motors). Планкетт исследовал свойства тетрафторэтилена (ТФЭ) — газа, который планировалось использовать в качестве хладагента. В одном из экспериментов при попытке получить большее количество газа из баллона под давлением, Планкетт обнаружил, что газ не выходит, а внутри баллона образовалось белое воскообразное вещество. Анализ показал, что тетрафторэтилен самопроизвольно полимеризовался в твёрдый полимер.

Коммерциализация и разработка

В 1941 году DuPont получила патент на ПТФЭ, а в 1945 году зарегистрировала торговую марку Teflon. Первоначально материал использовался исключительно в военных целях, в частности, в Манхэттенском проекте (создание атомной бомбы) для уплотнений и прокладок, устойчивых к агрессивному гексафториду урана. В СССР разработка аналогичного материала велась под руководством академика И. Л. Кнунянца в Институте элементоорганических соединений АН СССР. В 1947 году был получен первый советский образец, названный фторопласт-4. Промышленное производство в СССР началось в 1950-х годах.

Массовое применение

В 1950-х годах ПТФЭ начал применяться в быту: в 1954 году французский инженер Марк Грегуар предложил покрывать им алюминиевые сковороды для предотвращения пригорания пищи. В 1956 году DuPont запустила производство кухонной посуды с антипригарным покрытием под брендом Tefal. В последующие десятилетия сферы применения ПТФЭ постоянно расширялись: от аэрокосмической и электронной промышленности до медицины и текстиля.

Химическое строение и получение

Молекулярная структура

Политетрафторэтилен представляет собой линейный полимер, в котором все атомы водорода в полиэтилене замещены на атомы фтора. Общая формула: (C₂F₄)ₙ. Молекула состоит из длинной углеродной цепи, к каждому атому углерода которой присоединены два атома фтора. Высокая прочность связи C–F (около 485 кДж/моль) и плотная «защитная оболочка» из атомов фтора вокруг углеродного скелета обеспечивают исключительную химическую инертность полимера.

Синтез

ПТФЭ получают методом радикальной полимеризации тетрафторэтилена в водной среде под давлением (до 50 МПа) в присутствии инициаторов (персульфаты, перекиси). Реакция сильно экзотермична. Различают суспензионную и эмульсионную полимеризацию, которые дают порошки разной дисперсности и морфологии.

Физико-химические свойства

Химическая стойкость

ПТФЭ не растворяется ни в одном из известных органических растворителей. Он устойчив к действию концентрированных кислот (серной, азотной, соляной, плавиковой), щелочей, окислителей и большинства агрессивных сред. Разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов, фтора и некоторых фторирующих агентов при высоких температурах.

Термические свойства

• Температура плавления кристаллической фазы: около 327 °C.
• Температура стеклования: около −120 °C.
• Рабочий диапазон температур: от −200 до +260 °C (кратковременно до +300 °C).
• При нагреве выше 400 °C начинается термическая деструкция с выделением токсичных продуктов (фтористый водород, перфторизобутилен).

Антифрикционные свойства

ПТФЭ обладает самым низким коэффициентом трения среди всех твёрдых материалов (0,04–0,1 по стали). Это объясняется низкой поверхностной энергией и слабым межмолекулярным взаимодействием.

Электроизоляционные свойства

Материал является отличным диэлектриком: диэлектрическая проницаемость — 2,0–2,1, тангенс угла диэлектрических потерь — менее 0,0002, электрическая прочность — 20–40 кВ/мм.

Прочие свойства

• Плотность: 2,2 г/см³.
• Водопоглощение: практически нулевое (менее 0,01%).
• Негорюч (не поддерживает горение).
• Биологически инертен.

Классификация и виды

По способу переработки и структуре различают несколько основных типов ПТФЭ:

• Суспензионный ПТФЭ (гранулированный) — используется для прессования и последующего спекания заготовок (втулки, кольца, пластины).
• Эмульсионный ПТФЭ (тонкодисперсный порошок) — применяется для получения паст, покрытий и волокон.
• Спечённый ПТФЭ — готовое изделие, полученное после прессования и термообработки.
• Наполненный ПТФЭ — композиты, содержащие наполнители (стекловолокно, углерод, бронза, графит, дисульфид молибдена) для улучшения износостойкости, твёрдости или теплопроводности.
• Модифицированный ПТФЭ — с добавками, повышающими проницаемость или адгезию (например, Teflon PFA, FEP — сополимеры, перерабатываемые литьём под давлением).

Применение

Промышленность

• Химическая промышленность: футеровка реакторов, трубопроводов, арматуры; прокладки, мембраны, клапаны, работающие в агрессивных средах.
• Машиностроение: подшипники скольжения, уплотнительные кольца, поршневые кольца компрессоров, направляющие втулки. Применяется в узлах трения, где недопустимо применение смазки (пищевая, медицинская, вакуумная техника).
• Электротехника и электроника: изоляция высокочастотных кабелей, печатных плат, разъёмов, конденсаторов. Используется в качестве диэлектрика в СВЧ-устройствах.
• Аэрокосмическая отрасль: уплотнения, шланги, покрытия для защиты от радиации и агрессивных сред.

Быт

• Антипригарная посуда: сковороды, кастрюли, формы для выпечки с тефлоновым покрытием.
• Текстиль: мембранные ткани (например, Gore-Tex) на основе пористого ПТФЭ, обеспечивающие водонепроницаемость и паропроницаемость.
• Сантехника: уплотнительная лента (фум-лента) для резьбовых соединений.

Медицина

Благодаря биологической инертности ПТФЭ используется для изготовления сосудистых протезов, катетеров, хирургических нитей, имплантатов (в частности, в челюстно-лицевой хирургии).

Военное дело и спецтехника

ПТФЭ применяется в производстве деталей для ядерных реакторов, ракетной техники, подводных лодок, а также в качестве смазочного материала в условиях вакуума и экстремальных температур.

Критика и экологические аспекты

Производственные риски

В процессе синтеза ПТФЭ используется перфтороктановая кислота (ПФОК, PFOA) — эмульгатор, который, по данным ряда исследований, является стойким органическим загрязнителем, способным накапливаться в организме человека и животных. В 2006 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) инициировало программу добровольного отказа от ПФОК. К 2015 году основные производители (DuPont, 3M) прекратили использование ПФОК, заменив его на более безопасные аналоги.

Утилизация

ПТФЭ крайне устойчив к разложению в природных условиях. При сжигании выделяет токсичные соединения, включая фтористый водород и перфторизобутилен (в 10 раз токсичнее фосгена). Переработка затруднена из-за высокой химической стойкости и невозможности плавления без разложения. Основные методы утилизации: захоронение на полигонах, пиролиз, рециклинг (измельчение и использование в качестве наполнителя).

Безопасность в быту

При нормальной эксплуатации антипригарной посуды (нагрев до 200–260 °C) ПТФЭ безопасен. При перегреве (выше 350 °C) начинается деструкция покрытия с выделением вредных газов. Производители рекомендуют не использовать посуду с повреждённым покрытием и не нагревать её на сильном огне без масла или воды.

Интересные факты

• ПТФЭ является одним из самых скользких материалов, известных человеку. К нему не прилипает практически ни одно вещество, включая насекомых и клеи.
• В 1980-х годах ПТФЭ использовался для изготовления искусственных суставов, однако из-за износа и образования частиц, вызывающих воспаление, от этой практики в основном отказались.
• Из-за высокой газопроницаемости ПТФЭ применяется в мембранных тканях: поры материала в 20 000 раз меньше капли воды, но в 700 раз больше молекулы водяного пара.
• В России ПТФЭ производится под названием «фторопласт-4» (Ф-4) на предприятиях в Кирово-Чепецке и Перми.

Источники

• Полимерная энциклопедия / под ред. В. А. Кабанова. — М.: Большая российская энциклопедия, 1998.
• Химическая энциклопедия / под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Кнунянц И. Л. и др. Фторопласты. — М.: Химия, 1975.
• Plunkett R. J. Tetrafluoroethylene polymers. US Patent 2,230,654, 1941.
• EPA (US Environmental Protection Agency). PFOA Stewardship Program, 2006.
• ГОСТ 10007-80 «Фторопласт-4. Технические условия».