Политрифторхлорэтилен

Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ, фторопласт-3, PCTFE) — это фторполимер, представляющий собой продукт полимеризации трифторхлорэтилена (CF₂=CFCl). Относится к классу термопластичных фторполимеров, обладающих высокой химической стойкостью, низкой газопроницаемостью и способностью сохранять механические свойства в широком диапазоне температур, в том числе при криогенных температурах. В отличие от более распространённого политетрафторэтилена (ПТФЭ, фторопласт-4), ПТФХЭ имеет более высокую твёрдость, жёсткость и прочность на сжатие, но несколько меньшую термическую стабильность.

История

Политрифторхлорэтилен был впервые синтезирован в 1930-х годах в ходе исследований, направленных на создание новых фторсодержащих полимеров. В 1934 году немецкий химик Фриц Клаус получил полимер трифторхлорэтилена, однако промышленное производство началось позже. В 1940-х годах в США компания Kellogg (позже — 3M) наладила выпуск ПТФХЭ под торговой маркой Kel-F. В СССР разработка и производство полимера велись в рамках создания фторопластов; материал получил обозначение фторопласт-3 (Ф-3) и выпускался на Кирово-Чепецком химическом комбинате и других предприятиях. В послевоенные годы ПТФХЭ нашёл применение в атомной, авиационной и химической промышленности благодаря своей стойкости к агрессивным средам и радиации.

Химическое строение и свойства

Молекулярная структура

Политрифторхлорэтилен представляет собой линейный полимер, в котором атомы фтора и хлора замещают атомы водорода в этиленовой цепи. Повторяющееся звено имеет формулу —[CF₂—CFCl]—. Наличие атома хлора (в отличие от ПТФЭ, где все атомы водорода замещены фтором) придаёт полимеру большую полярность, что влияет на его физико-механические характеристики.

Физические свойства

• Плотность: 2,1–2,2 г/см³ (выше, чем у ПТФЭ).
• Температура плавления: 210–215 °C (для кристаллической фазы). Аморфная фаза размягчается при более низких температурах.
• Температура стеклования: около 50–70 °C.
• Температура эксплуатации: от –196 °C (в криогенных условиях) до +125–150 °C (длительно), кратковременно до 200 °C.
• Коэффициент трения: низкий, но выше, чем у ПТФЭ (0,1–0,2).
• Водопоглощение: менее 0,01 %.
• Газопроницаемость: чрезвычайно низкая, особенно для водяного пара, кислорода и азота.

Химическая стойкость

ПТФХЭ устойчив к действию большинства кислот, щелочей, окислителей и органических растворителей. Исключение составляют некоторые галогены (фтор, хлор при высоких температурах) и расплавленные щелочные металлы. Полимер не растворяется в обычных растворителях, но может набухать в некоторых фторсодержащих жидкостях.

Механические свойства

• Прочность на разрыв: 30–40 МПа.
• Относительное удлинение при разрыве: 50–200 % (зависит от степени кристалличности).
• Твёрдость по Шору D: 70–80.
• Модуль упругости: 1000–1500 МПа (выше, чем у ПТФЭ).

Получение

Политрифторхлорэтилен получают методом радикальной полимеризации трифторхлорэтилена. Процесс проводят в эмульсии или суспензии при давлении 1–10 МПа и температуре 0–50 °C в присутствии инициаторов (пероксиды, персульфаты). Полимеризация может быть как гомогенной, так и гетерогенной. Для регулирования молекулярной массы и степени кристалличности используют модификаторы и термообработку. После полимеризации продукт очищают от остатков мономера и инициатора, сушат и гранулируют.

Виды и марки

В России ПТФХЭ выпускается в виде нескольких марок фторопласта-3 (Ф-3):

• Ф-3 — общего назначения, для литья и экструзии.
• Ф-3М — модифицированный, с улучшенной текучестью и пониженной усадкой.
• Ф-3Д — для изготовления деталей методом прямого прессования.
• Ф-3С — суспензионный, для нанесения покрытий и пропитки.

За рубежом известны марки Kel-F (США), Neoflon PCTFE (Япония), Aclon (Италия).

Применение

Благодаря уникальному сочетанию свойств — низкой газопроницаемости, химической стойкости и работоспособности при криогенных температурах — ПТФХЭ используется в следующих областях:

Криогенная техника

ПТФХЭ применяется для изготовления уплотнений, прокладок, клапанов и изоляционных элементов в оборудовании, работающем при температурах жидкого азота (–196 °C), кислорода и водорода. Материал не становится хрупким и сохраняет герметичность.

Химическая промышленность

Из полимера изготавливают детали насосов, арматуры, трубопроводов, вентилей и мембран, контактирующих с агрессивными средами. ПТФХЭ стоек к действию концентрированных кислот, щелочей и окислителей.

Электротехника и электроника

ПТФХЭ используется как изоляционный материал для проводов и кабелей, работающих при высоких напряжениях и в условиях повышенной влажности. Низкая диэлектрическая проницаемость (2,3–2,5) и высокая электрическая прочность делают его пригодным для высокочастотной техники.

Авиация и космонавтика

В ракетно-космической технике ПТФХЭ применяют для уплотнений топливных систем, работающих с жидким кислородом и гидразином, а также для защиты электроники от воздействия агрессивных сред и радиации.

Медицина

Из-за биологической инертности и стойкости к стерилизации ПТФХЭ используется для изготовления некоторых медицинских инструментов и имплантатов (например, элементов кардиостимуляторов).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая химическая стойкость.
• Чрезвычайно низкая газопроницаемость (одна из самых низких среди полимеров).
• Сохранение эластичности и прочности при криогенных температурах.
• Низкое водопоглощение.
• Хорошая обрабатываемость (литьё под давлением, экструзия, прессование).

Недостатки

• Ограниченная термостойкость по сравнению с ПТФЭ (максимальная рабочая температура около 150 °C).
• Высокая плотность (тяжелее большинства фторполимеров).
• Склонность к кристаллизации, что может приводить к усадке и изменению размеров деталей.
• Относительно высокая стоимость.
• При нагреве выше 200 °C может выделять токсичные продукты разложения (фтористый водород, хлористый водород).

Экологические аспекты

ПТФХЭ, как и другие фторполимеры, не подвержен биологическому разложению. При утилизации сжиганием образуются токсичные соединения, поэтому рекомендуется переработка или захоронение на специализированных полигонах. В отличие от некоторых перфторалкильных соединений (ПФАС), ПТФХЭ не является перфторированным веществом (содержит атом хлора), что снижает его потенциальную биоаккумуляцию, однако полные данные о долгосрочном воздействии на окружающую среду ограничены.

Источники

• «Фторполимеры: свойства и применение» / под ред. А. М. Кузнецова, М.: Химия, 1985.
• «Энциклопедия полимеров» / под ред. В. А. Кабанова, М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.
• «Справочник по фторопластам» / В. И. Грачёв, И. А. Крылов, Л.: Химия, 1973.
• Технические условия на фторопласт-3 (ТУ 6-05-810-76).
• «Polymers: A Property Database» / B. Ellis, R. Smith, CRC Press, 2009.
• «Fluoroplastics: Volume 2: Melt Processible Fluoroplastics» / S. Ebnesajjad, Elsevier, 2015.