Фторопласт: что это за материал и где он применяется

В последние десятилетия фторопласт приобрёл большую популярность и широкое распространение. В особенности – фторопласт-4, или тефлон. Повсюду в мире этот пластический материал стал известным благодаря его использованию при производстве сковородок и другой посуды с антипригарным покрытием. Однако этим сфера применения данного полимера отнюдь не ограничивается. Далее – все подробности о происхождении и непосредственном применении этого материала.

Фторопласт был впервые синтезирован в 1938 году в Соединённых Штатах Америки, химиком Роем Планкеттом, работавшим в американской корпорации Kinetic Chemicals.

Учёный совершенно случайно обнаружил, что газообразный тетрафторэтилен, закачанный в баллоны под давлением, полимеризовался в порошок, который стал обладать поистине уникальными свойствами.

Патент на его производство, под маркой «тефлон», был оформлен в 1941 году. А 8 лет спустя Kinetic Chemicals стала подразделением мирового химического гиганта DuPont.

В Советском Союзе о перспективном инновационном материале узнали во время войны, обнаружив детали из фторопласта в американской военной технике. Однако советским ученым пришлось разрабатывать собственную технологию производства, поскольку американцы держали свою в секрете и делиться ею не собирались.

Фторопласт обладает уникальными физико-химическими свойствами, позволяющими использовать его во множестве отраслей промышленности. Производством полимера занимаются как зарубежные, так и отечественные производители.

Этот материал поставляется в заготовках, из которых путем механической обработки в дальнейшем изготавливаются различные изделия.

Названия фторопласта: научное и торговые

В целом, под «фторопластом» подразумевается сразу много фторсодержащих пластмасс, получаемых при полимеризации тетрафторэтилена. Синтезируется фторопласт в виде светлого, легко образующего комки порошка, прессуемого и спекаемого при высоких температурах.

В своём составе он содержит от одного до четырёх атомов фтора, что и отражается обязательно в названиях разных его типов.

Рой Планкетт демонстрирует достоинства тефлоновых покрытий

Тефлон – это торговое название фторопласта-4, научное наименование которого – политетрафторэтилен. В США его именуют как «тефлон», так и «галон», в Германии – «гостафлон», в Великобритании – «флюон», во Франции – «гафлон» или «сорефлон».

Виды и технические характеристики фторопластов

В настоящее время производится несколько марок фторопластов, отличающихся по физическим и химическим свойствам. Востребованными в промышленности являются они все, поскольку обладают рядом уникальных технических характеристик.

А именно:

• Устойчивостью практически к любому химическому воздействию.
• Низким коэффициентом трения.
• Устойчивостью к сцеплению с другими поверхностями.
• Термостойкостью: гибкость и эластичность материала сохраняются при температурах в диапазоне от –70°С до +270°С.
• Минимальном поверхностным натяжением.
• Устойчивостью к воздействию электрического тока и высоких температур.
• Фторопласт практически не горит6 в пламени он только обугливается, а при извлечении его из открытого огня полностью прекращается и обугливание.
• Стабильностью в пищевой среде.
• Способность изделий из фторопласта не изменять свою длину даже под воздействием температуры.
• Фторопласт хорошо поддаётся обработке: его можно сверлить, шлифовать, фрезеровать и обтачивать.

Популярность фторопласта-4 обусловлена его техническими характеристиками. Он представляет собой вещество, которое по внешнему виду напоминает полиэтилен или парафин, и характеризуется мягкостью и текучестью. Его плотность составляет 2,18–2,21 г/см 3 (ГОСТ 10007–80).

Этот материал отличается термостойкостью — его гибкость и эластичность сохраняются при температуре от -70 до +270 ?C, а также адгезией, минимальным поверхностным натяжением, устойчивостью к воздействию ультрафиолетовых лучей, влаги, жиров и органических растворителей. Он является физиологически и биологически безопасным.

Химические свойства фторопласта — стойкость, даже более высокая, чем у благородных металлов и всех известных синтетических материалов, невосприимчивость к воздействию агрессивных кислот и щелочей. Разрушить данный полимер можно только трифторидом хлора или расплавами щелочных металлов.

Четыре основных марки фторопласта и их особенности

Существует четыре основных марки фторопласта в зависимости от размера молекул и их количества в составе цепи. Чем выше это показатель, тем больше удельный вес вещества.

4 основных разновидности фторопласта – это политетрафторэтилен (Ф4), политрифторхлорэтилен (Ф3), поливинилиденфторид (Ф2) и их сополимеры. Самое широкое распространение получил фторопласт-4, обладающий наибольшей плотностью среди перечисленных разновидностей.

Первые три вида материала являются гомополимерами, то есть в их цепях многократно повторяется один мономер (у Ф4 и Ф3 – этилен, у Ф2 – винил).

Сополимеры представляют собой комбинацию углеводородов из Ф2, Ф3 и Ф4 или включают в свой состав пропилен. Данные марки полимера различаются по степени растворимости в щелочах и кислотах, плотности, рекомендуемой температуре эксплуатации, электро- и теплопроводности.

• Ф-2 или поливиниленфторид (ТУ 6-05-646-77)

Может также выпускаться с добавлением модификатора — кобальта, стекловолокна, кокса. В этом случае к маркировке добавляется буква «М». Отличается высокой прочностью, упругостью, не содержит пластификаторов, стабилизаторов и катализаторов. За счет этого применяется в трубопроводных системах и производстве емкостей для агрессивных жидкостей. Ф-2 легко перерабатывается и способен растворяться в апротонных (нейтральных) растворителях.

• Ф-3 или политрифторхлоридэтилен (ГОСТ 13744-76)

Разновидностью является модифицированный вариант Ф-3М (ТУ 6-05-1812-77). Твердый и прочный материал, способный плавиться, размягчаться и изменять форму в процессе прессования и литься. Устойчив к низким температурам. Имеет хорошую адгезию к металлам и используется в антикоррозийных покрытиях.

• Ф-4 или политетрафторэтилен (ГОСТ 10007-80)

Трудногорючий материал с самой высокой плотностью среди всех фторопластов. Имеет малую пористость, высокую гидрофобность, устойчивость к воздействию температур. Способен выдержать нагревание до 260°С без изменения свойств.

Изделия из фторопласта

В настоящее время массово производится несколько разновидностей Ф-4:

• Ф-4ПН – применяется для изготовления изделий повышенной надёжности. В зависимости от среднего размера частиц может иметь дополнительную маркировку: Ф-4 (100–180 мкм), Ф-4ПН-90 (46–135 мкм), Ф-4ПН-40 (21–45 мкм), Ф-4ПН-20 (6–20 мкм).
• Ф-4О – используется для изготовления изделий общего назначения (втулок, прокладок, деталей трубопроводов и насосов).
• Ф-4Д – тонкодисперсная модификация с меньшим молекулярным весом. В отличие от Ф-4 его можно перерабатывать с помощью экструзии и готовить из него суспензии. Применяется для изготовления плёнок, покрытий, волокон.
• Ф-4А – свободносыпучий фторопласт. Он обладает всеми свойствами Ф-4, но при этом более технологичен. Используется для получения изделий точного размера методами автоматического, изостатического, компрессионного прессования и поршневой экструзии.
• Ф-4HTD – тонкодисперсный фторопласт с размером частиц 5–30 мкм. Он применяется в качестве сухой смазки в узлах трения различных механизмов, загустителя для масел и пластичных смазок.

В маркировке фторопласта Ф-4 также встречается буква «М», что означает его модификацию с помощью различных добавок. Фторопласты всех марок находят своё применение в промышленности.

Ф-4О — это сополимер тетрафторэтилена и этилена (ОСТ 6-05-402-47). Может выпускаться в двух видах:

• Ф-4ОП – для изготовления изделий под давлением путем прессования и литья;
• Ф-4ОШ – для изготовления изделий путем экструзии.

Химические свойства Ф-40 близки к фторопласту Ф-4. Он устойчив к воздействию концентрированных кислот и растворителей, не горит, не пропускает ультрафиолетовые лучи.

Сферы непосредственного применения фторопласта на производстве

Наиболее востребованным в промышленности является именно фторопласт-4 – тефлон, тот самый материал, который используется в производстве посуды с антипригарными покрытием. Однако этой сферой его применение не ограничивается. Фторопластовые материалы незаменимы в самых разных отраслях.

А именно:

• В машиностроении. Благодаря устойчивости к трению, из него и композиций на его основе изготавливают подшипники, сальники, пыльники, поршневые кольца и даже автомобильные шины. Детали из фторопласта обеспечивают стабильную эксплуатацию в условиях агрессивных сред, вакуума и при сверхнизких температурах. Кроме того, из-за уникальной термостойкости фторопласт вполне подходит для изготовления деталей для двигателей.
• В лёгкой промышленности. Обработка фторопластом позволяет повысить водостойкость изделий, например, обуви. Практически вся профессиональная одежда для спорта и активного отдыха имеет тончайшее тефлоновое покрытие.
• В медицине. Поскольку фторопласт не вызывает иммунологических реакций, биологически и физиологически безвреден, из него возможно изготовление протезов кровеносных сосудов, сердечных клапанов, емкостей для хранения крови и сыворотки, упаковки для лекарств. Применяется фторопласт и в стоматологии.
• В радиотехнике и электротехнике. Фторопласт используется как изолятор или проводник тока, а также для изготовления выключателей, элементов реле, кабелей, печатных плат.
• В химической промышленности. Благодаря исключительной инертности по отношению ко всем кислотам и щелочам, фторопласт применяется в изготовлении лабораторной посуды различного назначения, для транспортировки и хранения химически агрессивных сред в трубопроводах, в аппаратах колонного типа, в качестве прокладок, контактирующих с агрессивными средами и для футеровки реакторов.
• Пищевая промышленность. Применяется для изготовления антипригарного покрытия для сковородок, противней и кастрюль; форм для выпечки, раскатывающих механизмов для теста, контейнеров для хранения продуктов.

Сковорода с антиприарным тефлоновым покрытием

Фторопласт может выпускаться в нескольких формах – в листовой форме, либо же в виде стержней, трубок или втулок.

Типы заготовок из полимера

Существует два вида изделий из фторопласта – заготовки и готовые изделия.

✍ Первая группа

1-я группа – это практически полуфабрикаты, используемые в дальнейших технологических процессах.

Заготовки изготавливаются в соответствии с требованиями ТУ 6-05-810-88 по утвержденному техническому регламенту предприятия-изготовителя. Размеры заготовок должны соответствовать либо номенклатурному перечню предприятия-изготовителя, либо спецификациям, согласованным между изготовителем и заказчиком.

Предельные отклонения от номинальных размеров регламентируются требованиями ОСТ 6-05-322-74, исключая листы и стержни, прессуемые в горизонтальном виде.

В зависимости от показателей качества заготовки могут выпускаться двух сортов — Высшего или Первого.

• Листы и пластины. Они имеют прямоугольную или квадратную форму, размер от 100×100 мм или 1000×1000 мм. Толщина листов фторопласта от 1 до 60 мм. При изготовлении деталей листы подвергают механической обработке.
• Плёнки. Используются для изготовления конденсаторов, изолирования проводов, кабелей, производства уплотнителей для вкладышей, подшипников, фильтров, мембран. Толщина пленок может быть от 10 до 100 мкм, ширина – до 300 мм.
• Стержни и диски. Диаметр стержней из фторопласта – от 10 до 300 мм, высота – от 50 до 2000 мм. Заготовки с круглым сечением используются для изготовления уплотнительных, антифрикционных и электроизоляционных деталей для различного технологического оборудования. Существуют также стержни с прямоугольным и квадратным сечением.
• Бруски из фторопласта-4, имеющие длину 70–300 мм, ширину 40–200 мм и толщину 2–200 мм.
• Стружка или порошок.

✍ Вторая группа

2-я группа – это готовые изделия. К ним относятся диски, трубки, ленты, жгуты, шарики. Они полностью готовы к применению в качестве комплектующих различных механизмов, оборудования, узлов арматуры. Могут производится как по типовым размерам, так и по чертежам заказчика.

Заготовки и изделия изготавливают из вторичных фторопластов или композиций по ТУ 6-05-1947-83 или из фторопластовых порошков, обработанных термически по ТУ 301-05-25-89 методом прессования или экструзии с последующим спеканием в формах. Спекание может проводиться под давлением или в свободном состоянии. Гарантийный срок на все изделия и заготовки составляет пять лет со дня изготовления.

Стоимость данного материала

На формирование итоговой цены фторопласта оказывает влияние несколько общих факторов:

• производитель (отечественный или иностранный);
• объём партии (крупный опт, мелкий опт, розница);
• марка.

Цену листового фторопласта Ф-4 принято устанавливать за 1 килограмм, и в зависимости от толщины листа она может варьироваться в примерном диапазоне от 400 до 800 рублей.

Стоимость плёнки также указывается за 1 килограмм, и составляет в среднем приблизительно 1700 рублей. Цена на стержни, диски и прутки из фторопласта зависит от диаметра и способа производства (прессованный или вторичный), купить их можно примерно за 400–700 рублей за один кг.

Порошковый фторопласт редко производится для свободной продажи, при этом цена на него составляет около 1000–1100 рублей за 1 килограмм.

Заготовки из фторопластов других типов стоят несколько дешевле, чем из Ф-4. Например, один килограмм Ф-3 можно приобрести по цене около 500–700 рублей, а Ф-2 – около 500–550 рублей.

Стоимость готовых изделий зависит не только от массы, но ещё и от сложности в производстве самой детали. К примеру, цена защитного кольца из фторопласта для карьерного грузового автомобиля БелАЗ составляет около 16,5 рублей за одну штуку. Типовые изделия имеют более низкую стоимость, чем изготовленные по специально разработанным чертежам. В этом случае, цена может быть назначена и индивидуально для каждого конкретного случая.

Покупая дешёвый импортный фторопласт, ввезённый к нам преимущественно из Китая, надо быть готовым к тому, что на 30–70 процентов он будет изготовленным из вторичного сырья.

Практика показывает, что материалы, состоящие на 100 процентов и на 35 процентов из первичного фторопласта, имеют одинаковые коэффициенты трения. Однако вот их износостойкость отличается очень значительно – примерно двукратно.

Такая большая разница является некритичной только в статичных условиях применения. А вот для динамично меняющихся сред экономическая целесообразность покупки дешёвого китайского вторичного фторопласта может оказаться в итоге нецелесообразной.

Кроме того, есть ещё и такой момент.

При выборе продукции следует учитывать, что не все фторопласты являются аналогом политетрафторэтилена (тефлона), как и наоборот – фторопласт-4 тоже не может заменить собою остальные разновидности фторопласта.

Несмотря на близкие технические характеристики, полимеры имеют разные плотность, разрушающее напряжение, удельное сопротивление, температуру плавления, стеклования, разложения, а это значит – имеют в значительной степени отличающиеся эксплуатационные параметры.

Производство фторопласта в Российской Федерации

Производство фторопласта в России осуществляется в три этапа. На первом из них по реакции Свартса получается хлордифторметан. Затем из него пиролизом получают тетрафторэтилен. На третьей стадии в результате полимеризации тетрафторэтилена образуется фторопластовый порошок.

Существует несколько марок данного порошка. В маркировке каждого из них указывается средний размер частиц, например: Ф4ПН-20 или Ф4ПН-90. Размер может быть 100–180, 46–135, 21–45 или 6–20 мкм. Если при производстве Ф4 используются дополнительные вещества, то к маркировке товара добавляется буква «М», то есть модификатор (например, стекловолокно, кокс, кобальт). Вслед за буквой указывается число, которое обозначает количественное отношение добавки к основному соединению.

При выходе полученная масса запекается. Подобным методом можно производить изделия длиной до 5 метров. Обе технологии предусматривают производство заготовок простейших форм (пластины, трубки, втулки, стержни). Производство готовой продукции из заготовок осуществляется путем механической обработки на металлорежущих станках.

Пластины из фторопласта выпускаются квадратной формы с типоразмерами 250х250, 300х300 и 500х500 мм. Стержни из фторопласта изготавливаются методами вертикального и горизонтального прессования. В первом случае продукция отличается более высокими физико-механическими свойствами, но ее длина не превышает 110 мм (во втором случае она может достигать 500 мм). Кольца и втулки с внешним диаметром от 50 до 360 мм используются для производства манжет, прокладок, оболочек, уплотнительных колец.