ФТОРОПЛАСТ

Политетрафторэтилен, тефлон или фторопласт-4 (-C2F4-)n - полимер тетрафторэтилена (ПТФЭ - PTFE), пластик, обладающий редкими физическими и химическими свойствами, кроме того широко применятся в разных областях техники и в быту.

Фторопласт

    Слово «Тефлон» - зарегистрированная торговая марка компании DuPont. Есть еще непатентованные названия вещества - «политетрафторэтилен» и «фторополимер». В СССР было распространено техническое название материала - фторопласт. В настоящее время оно по прежнему актуально.

    Фторопласт 4 - фторуглеродный полимер, продукт полимеризации тетрафтрэтилена. Высокая прочность связи атомов фтора и углерода и специфичная структура молекул обуславливают хорошее сочетание химических, физических, электрических, антифрикационных и других свойст, которое невозможно найти ни в каком другом материале.

    Фторопласт-4 - полукристалический перфторированный полимер этиленового ряда с температурой плавления около 327оС, выше которой исчезает кристалическая структура и он превращается в аморфный прозрачный материал, не переходящий из высокоэластичного в вазкотекучее состояние даже при температуре разложения (свыше 415оС).

    В связи с этим фторопласт -4 перерабатывается в изделия методом предварительного формования заготовок на холоде с последующим спеканием.

Фторопласт -4 обладает:

  • исключительно высокими диалектрическими показателями;
  • низкими заначениями тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости, почти не зависищими от частоты и температуры;
  • исключительно высокой стойкостью к вольтовой дуге;
  • электрической прочностью (при изменении на тонких пленках толщиной 5-20 мкм электрическая прочность достигает 300 МВ/м и более);
  • чрезвычайно высокой химической стойкостью, которая объясняется высоким экранирующим эффектом электроотрицательных атомов фтора;
  • стойкостью ко всем минеральным и органическим кислотам, щелочам, органическим растворителям, газам и другим агрессивным средам. Разрушение материала наблюдается лишь при действии расплавленных щелочных металлов.
  • способностью не смачиваться водой;
  • высокими антифрикационными свойствами, исключительно низким коэффициентом трения.
  •     Благодаря высокой тепло-, морозо-, и химической стойкости, антифрикационным, антиадгезионным и исключительным диэлектрическим свойствам фторопласт считают высокотехнологичным пластиком, который широко применяется:

    • как антикоррозионный материал - фторопласт применяется в химической промышленности для изготовления аппаратов, теплообменников, насосов, труб, клапанов, облицовочной плитки, сальниковых набивок и др. Использование фторопласта-4 в химических аппаратах в качестве труб, уплотнений, прокладок способствует получению продуктов высокой степени чистоты;
    • как диэлектрик - фторопласт применяется в электротехнике, электронике;
    • как материал для изготовления уплотнителей и подшипников скольжения - в машиностроении в чистом и наполненном виде фторопласт применяется для изготовления деталей машин и аппаратов, подшипников, работающих без смазки в коррозионных средах, в виде уплотнений в компрессорах, кранах и др. оборудовании;
    • в производстве клейких и красящих веществ - для защиты оборудования от загрязнений;
    • фторопласт также применяется в пищевой промышленности (облицовка валов, покрытие форм, уплотнение оборудования);
    • фторопласт также применяется в медицине * протезы и трансплантанты, емкости , держатели протезов и т.д.).

       Описание свойств и показателей

        Фторопласт -4 - кристаллический полимер, температурой плавления кристаллитов 327°С и температурой стеклования аморфных участков от -100 до -120°С. Даже при температуре выше температуры разложения (415°С) фторопласт-4 не переходит в вязкотекучее состояние (при 370°С вязкость его расплава равна ≈1011П, т.е. в 1000000 раз больше вязкости, (необходимой для литья под давлением), поэтому переработка его возможна только методом спекания отпрессованных таблеток.
       В зависимости от скорости охлаждения (до температуры ниже 250°С) после спекания можно получить закаленные изделия со степенью кристалличности ≈50% и плотностью ≈2,15 г/см3 или незакаленные со степенью кристалличности более 65% плотностью выше 2,20 г/см3.

        При температуре эксплуатации и от -269°С до +260°С степень кристалличности, достигнутая при данном режиме охлаждения, не меняется, при температуре выше 260°С степень кристалличности постепенно увеличивается, особенно быстро она вырастает при 310 - 315°С.

    Степень кристалличности, %

    Плотность при
    23°С, г/см3

    Степень кристалличности, %

    Плотность при
    23°С, г/см3

    40.0

    2.12

    69.4

    2.21

    43.2

    2.13

    72.8

    2.22

    46.5

    2.14

    75.2

    2.23

    49.7

    2.15

    78.0

    2.24

    53.0

    2.16

    80.7

    2.25

    56.3

    2.17

    82.6

    2.26

    59.7

    2.18

    85.2

    2.27

    63.1

    2.19

    89.0

    2.28

    66.5

    2.20

    -

    -

       Об отсутствии же пористости свидетельствует полная прозрачность образца во время спекания при 370-390°С. Даже незначительная пористость вызывает мутность образца. Пористость, равная примерно 0,1-0,2%, заметно влияет на точность определения плотности.
       Данные о зависимости удельного объема и плотности от температуры для образца со степенью кристалличности 68% (плотность медленно охлажденного изделия) приведены ниже:

    Температура, °С

    Удельный объем, см3/г

    Плотность, г/см3

    Температура, °С

    Удельный объем, cм3/г

    Плотность, г/см3

    -50

    0.440

    2.27

    175

    0.4769

    2.10

    -25

    0.443

    2.26

    200

    0.482

    2.08

    0

    0.447

    2.24

    225

    0.488

    2.05

    +25

    0.453*

    2.21

    250

    0.495

    2.02

    +50

    0.456

    2.19

    275

    0.503

    1.99

    +75

    0.459

    2.18

    300

    0.514

    1.95

    +100

    0.463

    2.16

    325

    0.534

    1.88

    +125

    0.467

    2.14

    327

    0.640**

    1.57

    +150

    0.471

    2.12

    350

    0.655

    1.53

    ·         При нагревании от 19,6 до 22°C удлиненный объём увеличивается на 0,74%
    ** При 327°С удлиненный объём увеличивается на 20%.

    ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

    Разрушающее напряжение, кгс/см2

    Значения

    при растяжении:

    -

    - незакаленный образец (кристалличность 05-08%)

    140-350*

    - закаленный образец (кристалличность 50%)

    160-315*

    при сжатии:

    -

    - при 1%-ной деформации

    100

    - 10%-ной деформации

    185

    Сопротивлению изгибу (стрела прогиба 6 мм) 

    185

    Относительное удлинение при разрыт, % 

    250-500

    Остаточное удлинение, %

    250-350

    Напряжение при 10%-ном удлинении, кгс/см2

    110-120

    Модуль упругости, кгс/см2

    -

    - при изгибе при 20°С

    4700-8500

    - сдвиге 2700

    2700

    Ударная вязкость, кгс·см/см2 

    100 (не ломается)

    Ударное растяжение, кгс·см/см2 (DIN 53448)

    -

    - при 20°С

    650

    - 23°С

    680

    (удлинение при 20°С - 20%, при 23°С - 30%)

    -

    Твердость:

    -

    по Бринеллю, кгс/мм2

    3-4

    по Шору при 20°С

    -

    - шкала С

    85-87

    - шкала D

    55-59

    Твердость по Роквеллу

    -

    - шкала I

    80-95

    · В зависимости от того, как вырезан образец: поперек направления прессования – высокие значения, вдоль направления прессования - малые.

    Показатели

    Температура, °С

    -

    -60

    -40

    -20

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    Разрушающее напряжение при растяжении, кгс/см2

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    - незакаленный образец

    -

    350

    325

    300

    200

    180

    -

    135

    115

    -

    - закаленный образец

    -

    500

    440

    330

    250

    240

    -

    200

    190

    -

    Относительное удлинение при разрыве, %

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    - незакаленный образец

    -

    70

    100

    150

    470

    650

    -

    600

    540

    -

    - закаленный образец

    -

    100

    160

    190

    400

    500

    -

    500

    480

    -

    Модуль упругости, кгс/см2

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    при сжатии

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    - незакаленный образец

    18000

    17000

    15000

    11000

    7000

    4500

    3300

    2400

    1700

    -

    при сжатии

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    - незакаленный образец

    27800

    23900

    23300

    18100

    8500

    5100

    4800

    3800

    -

    2450

    - закаленный образец

    13200

    11300

    9800

    7400

    4700

    4000

    2900

    2180

    -

    1100

       Данные о зависимости физико-механических свойств фторопласта-4 от температуры приведены ниже

    Физико-механические свойства фторопласта-4 при низких температурах

    Показатели

    Температура, °С

     

    -93

    -123

    -153

    -193

    -223

    -269

    Разрушающее напряжение при сжатии *, кгс/см2

    350

    -

    980

    1260

    1554

    1750-1960

    Модуль упругости при сжатии, кгс/см2

    -

    52500

    -

    -

    -

    70000

    * Разрушающее напряжение при сжатии равно напряжению, при котором деформация составляет 0,2%.

    Зависимость деформации фторопласта-4 при сжатии от температуры:

    Деформация, %

    Нагрузка, вызывающая деформацию, кгс/см2

    -

    -50°С

     0°С

     25°С

    50°С

    100°С

    150°С

    200°С

    1

    203

    157

    62

    49

    31

    17,5

    11

    2

    304

    210

    92

    66

    39

    27

    20

    3

    350

    236

    105

    77

    48

    33

    27

    4

    374

    251

    120

    85

    59

    39

    31

    5

    390

    262

    127

    92

    62

    44

    35

        Одним из важнейших прочностных показателей является предел текучести при растяжении, т.е. то напряжение, при котором возникают остаточные деформации. Он зависит от степени кристалличности, скорости растяжения и температуры. При степени кристалличности 65% и скорости растяжения 100 мм/мин зависимость предела текучести от абсолютной температуры Т   (в К) описывается эмпирической формулой (справедливой от 20 до 300°С):
                                                                  lgσT= 0,53166+483,64/Т


       Ниже приведены значения пределов текучести для некоторых температур, рассчитанные по этой формуле:
    Температура, °С ........................ 25.........50.........75......100.......150......200......250
    Предел текучести, кгс/см2 ....... 42,4.....106,9.....83,5.....67,2.....46,6.....35,5.....28,6

       При длительном воздействии нагрузок остаточные деформации возникают при меньших напряжениях (40-50% от рассчитанных по формуле).
       При конструировании изделий из фторопласта-4 следует учитывать ползучесть. Ползучесть (деформация при длительном действии нагрузки) рассчитывается по формуле:
                                                                         lgγt=lgγ1+a·lgt
    где γt - деформация за t сут; γ1 - деформация за 1 сут; а - коэффициент, зависящий в основном от температуры и в меньшей степени от нагрузки, если она не превышает 40-50% предела текучести.
       Значения коэффициента a и некоторые данные о ползучести для образцов со степенью кристалличности 50% приведены в таблице. Деформация за 1 сут (γ1) при других нагрузках и температурах определяется опытным путем. При степени кристалличности 65-68% ползучесть меньше.

       Ползучесть фторопласта-4

    Температура, °С

    Нагрузка, кгс/см2

    Деформация, %

    Коэффициент а

    Сжатие

    1 сут (γ1)

    4 сут (γ4)

    -

    20

    33

    6,00

    6,25

    0,030

    20

    21

    3,05

    3,19

    0,032

    Растяжение

    1 сут (γ1)

    4 сут (γ4)

    -

    40

    28

    2,72

    2,87

    0,038

    100

    28

    5,58

    5,90

    0,040

    140

    21

    4,67

    4,94

    0,042

    200

    14

    4,08

    4,50

    0,048

    250

    14

    5,17

    5,58

    0,055

      

     АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4 

      Данные о зависимости коэффициента трения от нагрузки [статической и динамической (при малых скоростях) коэффициенты трения фторопласта-4 по стали без смазки одинаковы] приведены ниже:

    Нагрузка, кгс/см2

    1

    3

    10

    20

    Коэффициент трения

    0,4

    0,1

    0,06

    0,05

       При наличии смазки он примерно в 2 раза меньше.
       Динамический коэффициент трения фторопласта-4 по стали без смазки при нагрузке ~ 20 кгс/см2 зависит от скорости скольжения:

    Скорость скольжения, см/c

    4

    8

    20

    40

    80

    160

    Динамический коэффициент трения

    0,05

    0,1

    0,15

    0,23

    0,24

    0,27

       В присутствии наполнителя при малых скоростях скольжения коэффициент трения несколько выше, а при больших скоростях - ниже, чем коэффициент трения чистого фторопласта-4 по стали.
       При 327°С (на поверхности трения) коэффициент трения фторопласта-4 по стали резко возрастает (в несколько раз), что приводит к катастрофически быстрому износу и разрушению подшипника.

    ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

    Неспеченный фторопласт-4 (в виде порошка) имеет степень кристалличности 95 - 98%, после спекания - от 50% (закаленный) до 68 - 70% (незакаленный). Ниже 19,6°С элементарная ячейка кристалла фторопласта-4 состоит из 13 групп CF2, выше 19,6°С - из 15 групп CF2. При 19,6°С триклиническая упаковка переходит в менее упорядоченную, гексагональную, что сопровождается увеличение объема кристаллитов на 0,0058 см3/г (1,2 объемн. %), или увеличением объема образца при степени кристалличности 68% на 0,74%. При наличии внешнего давления точка перехода понижается на 0,013°С на каждую атмосферу. При 30°С имеет место второй переход кристаллической структуры, но изменение объема составляет едва 1/10 часть изменения объема при 19,6°С. Под высоким давлением (4500 кгс/см2 при 70°С) возникает третий переход.

    Фторопласт

    Температура стеклования аморфных участков, определенная по температуре хрупкости, колеблется от -97 до -100°С, а по точке перегиба кривой зависимости модуля упругости составляет -120°С. Температура перехода аморфного твердого тела в переохлажденную жидкость равна 127°С.
    При 327°С кристаллиты фторопласта-4 плавятся, и он становится полностью аморфным, совершенно прозрачным (при отсутствии пористости), высокоэластичным, но не течет (вязкость выше 1011 П). Объем возрастает на 20%.

    Точка плавления зависит от внешнего давления - на каждую атмосферу повышается на 0,154 °С. При остывании расплава ниже 327 °С образец мутнеет и становится непрозрачным - молочно-белым. Скорость кристаллизации зависит от температуры (максимальная скорость при 310-315 °С), от продолжительности выдержки в расплавленном состоянии при 370-390 °С (чем больше время спекания, тем быстрее кристаллизуется образец) и от среднего молекулярного веса полимера (чем ниже молекулярный вес полимера, тем быстрее он кристаллизуется). На этом основан метод косвенной оценки молекулярного веса фторопласта-4: образец в виде диска толщиной 2 мм спекают при 370 °С в течение 13 ч и охлаждают от 370 до 250 °С в течение 5 ч. По плотности полученного образца при 23 °С можно оценить молекулярный вес: 2,16-2,19 г/см3-для высокомолекулярного полимера, 2,20-2,22 г/см3-для низкомолекулярного.

    Ниже приведены некоторые теплофизические свойства фторопласта-4:

    Теплостойкость по Вика (при нагрузке 5 кгс), °С

    110

    Удельная теплоемкость, ккал/(кг·°С)

    -

    при 0°С

    0,23

    при 50°С

    0,25

    Коэффициент теплопроводности, ккал/(м·ч·°С)

    0,20

     

                 Термический коэффициент линейного расширения зависит от температуры:

    Температура, °С

    от -60 до -10

    19,6

    30

    40

    200

    300

    Термический коэффициент линейного расширения α·105, 1/°С

    8

    54

    28

    11

    25

    64

       На практике удобнее пользоваться средними значениями термического коэффициента линейного расширения для определенных интервалов температур. Следует также учитывать, что при нагревании изделий из фторопласта-4 в них часто возникают внутренние напряжения, вызывающие необратимое изменение размеров. Иногда вместо ожидаемого при нагревании удлинения образца он сокращается.
       Данные, приведенные ниже, относятся к образцам, в которых полностью отсутствуют внутренние напряжения:

    Температура, °C

    Термический коэффициент линейного расширения α·105, 1/°C

    Изменение размеров изделия*, %

    Температура, °C

    Термический коэффициент линейного расширения α·105, 1/°C

    Изменение размеров изделия*, %

    от -193 до +25

    8,6

    -1,85

    от +25 до +100

    12,4

    +0,93

    от -150 до +25

    9,6

    -1,68

    от +25 до +150

    13,5

    +1,59

    от -100 до +25

    11,2

    -1,40

    от +25 до +200

    15,1

    +2,64

    от -50 до +25

    13,5

    -1,01

    от +25 до +250

    17,4

    +3,92

     от 0 до +25

    20,0

    -0,50

    от +25 до +300

    21,8

    +5,99

    от +25 до +50

    12,4

    +0,31

    от +25 до +300

    21,8

    +5,99

         * От размера при 25°С.

    ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙТСВА ФТОРОПЛАСТА-4

        Показатели электрических свойств фторопласта-4 приведены ниже:

    Удельное электрическое сопротивление:

     

    -поверхностное, Ом

    >1017

    -на воздухе со 100%-ной относительной влажностью

    >1012

    -объемное (до 150оС), Ом·см

    1017 - 1020

    -после длительного пребывания в воде не меняется

    1,9-2,2

    Диэлектрическая проницаемость (при 60 - 1010 Гц)

     

    Тангенс угла диэлектрических потерь (при 60 - 1010 Гц)

    <1·1017

    Электрическая прочность, кВ/мм:

     

    -при толщине образца 4 мм

    25-27

    -при толщине образца 0,1 - 0,3 мм

    40-80

    -при толщине образца 0,005 - 0,02 мм

    200-300

    Дугостойкость, с (сплошного токопроводящего слоя не образуется)

    250-700

    Данные о зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты приведены ниже:

    Частота, Гц

    60

    103

    104

    105

    106

    107

    tgδ·104

    0,5

    0,3

    0,4

    0,7

    0,7

    0,7

     

    Диэлектрическая проницаемость фторопласта-4 вплоть до 1010 Гц не зависит от частоты, а зависит от плотности:

                                                                           є=1+0,238*d
                                                                             2-0,119*d 
    где d - плотность при данной степени кристалличности и температуре.
    Тангенс угла диэлектрических потерь остается постоянным при температуре от -60 до 250оС.
    Прогрев при 300оС в течение 6 месяцев не влияет на диэлектрические свойства фторопласта-4.

    ХИМИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

        Фторопласт-4 является самым стойким из всех известных металлов - пластмасс, металлов, стекол, эмалей, сплавов и т.п. На него совершенно не действуют кислоты, окислители, щелочи, растворители. На фторопласт-4 действуют только расплавленные щелочные металлы и их комплексные соединения с аммиаком, нафталином, пиридином, а также трехфтористых хлор и элементный фтор при повышенных температурах. При температурах выше 327оС фторопласт набухает в жидких фторуглеродах, например в перфторкеросине. При 20оС фторопласт-4 слегка набухает (3 - 9%) в фторхлорсодержащих газах (фреонах).
        Выше 350оС фторопласт-4 реагирует с щелочеземельными металлами и их соединениями (окислами и карбонатами), а также с окислами некоторых других металлов (свинца, кадмия, меди).
    Фторопласт-4 не смачивается водой при кратковременном погружении (угол смачивания 126оС), но смачивается при длительном пребывании в дистиллированной воде (15 - 20 суток). В соленой воде (например, морской) на поверхности фторопласта-4 через 15 - 20 суток отлагается пленка солей, смываемая дистиллированной водой.
        Водопоглощение за 24 часа (и более продолжительное время) - ниже ошибки взвешивания (0,00%).
        Фторопласт-4 абсолютно стоек в тропических условиях и не подвижен действию грибков (но и не подавляет их развитие).
        Влагопроницаемость при 20оС равна 3·10-9 - 6·10-9 г/(см·ч·мм рт. ст.); паропроницаемость при 20оС составляет 0,6·10-9 - 1,2·10-9 г/(см·ч·мм рт. ст.).
        Данные о газопроницаемости пленки из фтороплавта-4 (при отсутствии пор) толщиной 0,1 мм при 20оС [в см3/(см·с·мм рт. ст.)] приведены ниже:

    Воздух

    1,1*10-9

    Азот

    0,7*10-9

    Кислород

    2,3*10-9

    Водород

    6,3*10-9

    Двуокись углерода

    4,8*10-9

     

    При наличии пористости проницаемость может увеличиваться до 1000 раз.
    Фторопласт-4 предназначен для видимого света только при малой толщине пленки:

     

    Толщина пленки, мм        

    0,05

    0,10

    0,15

    1,00

    Пропускание, %

    88