28.01.2021
Свойства и характеристики фторопласта
Фторопласт создан в 1938 году. Он очень быстро стал популярным и востребованным материалом, который используется в самых разных отраслях – от медицины до военной промышленности. А все благодаря уникальным для полимеров свойствам. Чем же так хорош этот пластик? Предлагаем подробное описание свойств и физико-химических характеристик фторопласта, его преимуществ и недостатков.
Общие данные
Под названием «фторопласт» чаще всего имеется в виду Ф-4 (это самый распространенный и недорогой из всех фторопластов). Его химическая формула – (-C2F4-)n. В мире полимер известен по аббревиатуре PTFE (политетрафторэтилен, у нас ПТФЭ) и по многим фирменным названиям, которые прижились и стали общими (тефлон, галон, флубон, алгофлон, хостафлон, полифлон, гафлон, сорефлон).
Чистый фторопласт – это белый непрозрачный пластик, гладкий и скользкий на ощупь. Основные свойства, которые отличают его от других пластмасс:
- высочайшая химическая инертность – устойчивость к кислотам, щелочам, нефтепродуктам, растворителям (выдерживает даже кипячение в «царской водке»);
- устойчивость к воздействию водяного пара, полная неспособность к водопоглощению;
- стойкость к воздействию высоких и низких температур (начинает плавиться при 327 °С, но не переходит в текучее состояние).
Если дополнить эти характеристики еще и высокими диэлектрическими и антифрикционными показателями фторопласта, можно увидеть, что такое сочетание полезных свойств не встречается ни в одном другом материале. Но даже его можно улучшить. Поэтому сейчас, кроме чистого полимера, производят фторопласт с наполнителями (добавляют в композиции графит, стекловолокно, порошки металлов).
Популярные марки фторопласта Ф-4 (и область их применения):
- ПН (электротехника, изделия повышенной надежности);
- О (изделия общего назначения);
- Т (толстостенные изделия);
- А (изостатическое и компрессионное прессование при производстве изделий точного размера);
- С (специальные изделия высокой надежности).
Выпускают материал в виде готовых изделий, но чаще в форме заготовок – листов, пленок, втулок, стержней. Подробнее о разных марках полимера и особенностях его производства смотрите в нашей статье здесь.
Преимущества ПТФЭ:
- малая пористость;
- практически нулевое водопоглощение;
- низкая адгезия;
- низкий коэффициент трения;
- химическая инертность;
- биологическая инертность;
- огнестойкость;
- высокая электрическая прочность;
- сохранение свойств даже при критических изменениях температуры;
- низкая электропроводность (материал – диэлектрик, отличный электроизолятор);
- простота механической обработки.
Фторопласт-4
Чаще всего при упоминании фторопластов имеют ввиду именно фторопласт-4. Это наиболее распространенный и дешевый в производстве вариант пластмассы, известный в Европе под несколькими названиями. В США его называют «Тефлон» или «Галон», в Великобритании – «Флубон», в Германии – «Гостафлон ТФ», в Японии – «Полифлон», в Италии – «Алгофлон», во Франции – «Сорефлон» или «Гафлон».
Его изготавливают и продают как в «чистом» виде, так и с наполнителями: графитом, металлическими порошками и стекловолокном. Добавки позволяют усилить определенные свойства, приспосабливая полимер к определенным нуждам. В продажу обычно выпускают заготовки в форме дисков, стержней, пластин и штулок.
Фторопласт-4 обладает отличными термостойкими и антифрикционными свойствами, является прекрасными изоляторами тока и легко выдерживает даже агрессивную химическую среду. Это позволяет использовать материал при создании первичной обмотки высоковольтных проводов, токопроводящей и нагревательной жилы, нагревательного кабеля, при изготовлении прокладок, шайб, шлангов для гидросистем и для оборудования теплого пола.
Физико-химические свойства
| Характеристика | Значение |
| Плотность, г/см3 | 2,14–2,26 |
| Теплоемкость, кал/г·°С | 0,25 |
| Коэффициент теплового линейного расширения 1·10-5 °С | 8–25 |
| Теплопроводность, ккал/м, ч·°С | 0,2 |
| Температура стеклования, °С | -120 |
| Температура плавления, °С | 327 |
| Минимальная рабочая температура, °С | -269 |
| Максимальная рабочая температура, °С | 260 |
| Водопоглощение за 24 часа | 0 |
| Теплостойкость по Вика, °С | 110 |
| Термостабильность при 415 °С, ч, не менее | 110 |
| Температура разложения, °С | Более 415 |
| Потеря массы при 420 °С за 5 часов, % за 3 часа | 0,2 |
| Атмосферостойкость | превосходная |
| Химическая стойкость | Все минеральные и органические кислоты, щелочи, органические растворители, окислители, газы |
Пластик не смачивается водой и не поддается ее воздействию даже при длительных испытаниях. Он также устойчив к поглощению других веществ, на нем не образуются отложения.- Отлично переносит эксплуатацию в тропических условиях, не повреждается грибками и бактериями.
- Химическая и биологическая инертность дают возможность использовать ПТФЭ в медицине и пищевой промышленности. Он совершенно не опасен, в обычных условиях не взаимодействует с физиологическими жидкостями и не выделяет вредных соединений.
- Температурная устойчивость позволяет фторопласту сохранять стабильность и работоспособность в диапазоне -269…+260 °С.
- Химически разрушить материал можно, только используя расплавы щелочных металлов, элементарный фтор, трехфтористый хлор (при высокой температуре).
- Необычайно высокая химическая стойкость фторопластов – это результат высокого экранирующего эффекта, которым обладают электроотрицательные атомы фтора.
- Полимер способен пропускать ультрафиолетовые лучи, он устойчив к окислению и гидролизу.
- Высокая устойчивость к старению позволяет предоставлять длительный гарантийный срок хранения фторопласта без снижения качества – 20 лет и более.
Газопроницаемость ПТФЭ
| Характеристика | Значение |
| Воздух | 1,1·10-9 |
| Водород | 6,3·10-9 |
| Кислород | 2,3·10-9 |
| Азот | 0,7·10-9 |
| Двуокись углерода | 4,8·10-9 |
Плавление и горение
- При температуре плавления (327 °С) материал теряет кристаллическую структуру, становится аморфным и прозрачным. Но вплоть до начала термического разложения (415 °С) он остается в высокоэластичном состоянии, не переходя в вязкотекучее.
- Материал горит только при доступе кислорода и наличии открытого огня (как только вытащить его из пламени, он потухнет). Фторопласт при горении не расплавляется, а обугливается и выделяет очень мало тепла – в 10 раз меньше, чем горящий полиэтилен. Во время горения в обычных условиях выделяются соединения фтора, который вреден для живых организмов (но в вакууме их выделения не происходит).
- Полимер начинает разлагаться при температуре выше 415 °С.
Модификации Ф4
Наряду с Ф4 широко используются и его многочисленные модификации. В качестве примера можно взять некоторые из них:
- Содержащий 20% кокса коксофторопласт Ф4К20 при меньшей плотности обладает большей твердостью, износостойкостью и механической прочностью на сжатие, что позволяет изготавливать из него поршневые кольца для компрессоров.
- Коксофторопласт Ф4К15М5 с 5% добавкой дисульфида молибдена и повышенной износостойкостью пригоден для работы в узлах и опорах подшипников скольжения.
- До 15% стекловолокна содержат модификации стеклофторопластов Ф4С15 и Ф4С15М5. Благодаря эластичности и износостойкости материалы используются в качестве уплотнений, а композиция Ф4С15М5 с добавкой 5% дисульфида молибдена и во влажной среде.
- Самосмазывающаяся антифрикционная композиция Ф4КС2 с легирующей добавкой кобальта синего пригодна для работы в парах трения с бронзой, резиной и многими сплавами и в агрессивных средах.
Фторопласт обладает уникальными физико-химическими свойствами, позволяющими использовать его во множестве отраслей промышленности, а также в медицине и бытовом хозяйстве.
Механические свойства
| Характеристика | Значение |
| Предел прочности при растяжении, кгс/см2 | 200–300 |
| Удлинение при разрыве, %: | 300–350 |
| относительное | 350–500 |
| остаточное | 250–350 |
| Предел прочности при сжатии, кгс/см2 | 120 |
| Модуль упругости при сжатии, кгс/см2 | 7000 |
| Предел прочности при статическом изгибе, кгс/см2 | 110–140 |
| Модуль упругости при изгибе (при 200 °С), кгс/см2 | 4700 |
| Удельная ударная вязкость, кгс·см/см2 | более 100 |
| Твердость по Бриннелю, кгс/мм2 | 3–4 |
| Твердость по Шору при 20 °С: | – |
| шкала С | 85–87 |
| шкала D | 55–59 |
| Твердость по Роквеллу (шкала I) | 80–95 |
| Коэффициент Пуассона | 0,45 |
| Коэффициент трения по стали | 0,2 |
- Низкая поверхностная адгезия материала – это следствие его исключительно низкой поверхностной энергии.
- При определенных условиях и без того низкий коэффициент трения может снижаться до 0,02.
- Одно из важных эксплуатационных преимуществ фторопласта – возможность легко обрабатывать его механически. Он режется, сверлится, шлифуется.
Физико-механические свойства фторопласта зависят от температуры. Вот так, например, меняются показатели нагрузки, необходимой, чтобы вызвать деформацию сжатия (в таблице приведены величины нагрузок в зависимости от температуры, кгс/см2):
| Деформация, % | -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 |
А вот так изменяется предел текучести при растяжении:
| 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 |
Производство
Производство состоит из трех этапов:
- Получение хлордифторметана. Для этого атомы галогена меняют на фтор, при этом должна присутствовать реакция Свартса;
- Получение тетрафторэтилена при помощи пиролиза хлордифторметана;
- На последнем этапе проводится полимеризация тетрафторэтилена, в результате чего появляется фторопластовый порошок.
На сегодняшний день производится несколько видов фторопластового порошка. Их маркируют по среднему размеру частиц.
Поливинилхлорид — ПВХ
Сам по себе ПВХ жёсткий пластик, но введением в состав пластификатора можно сделать его гибким. Часто в обиходе используется название «Винил». Винипласт — название материала из ПВХ без пластификатора (жёсткий). Выпускается в том числе в виде листов, пленок.
Тройник, уголок, крепежные скобы для гофроканала, герметичный кабельный ввод — изготовлены из не пластифицированного ПВХ.
Примеры применения
Изоляция проводов
— достаточно трудно в быту найти провод с изоляцией не из ПВХ.
Изолента
— всем известная синяя изолента это ПВХ Серая гофра для укладки проводов в строительстве — ПВХ. (чёрная гофра — полиэтиленовая) Различные надувные игрушки — ПВХ.
Плюшки
Добавкой антипиретиков горючесть снижается до «не поддерживает горение, самозатухает»
. (Сам по себе ПВХ без пластификатора не горит, горючесть появляется из-за пластификатора, которую и снижают антипиретиками.) Практически все провода общего назначения имеют изоляцию из ПВХ.
Неплохо склеивается
, как специальными клеями для ПВХ, так и цианоакрилатными, полиуретановыми. (Свищ в надувной игрушке из ПВХ неплохо заклеивается полиуретановым клеем).
Минусы
Не морозостойкий.
При -15°С провода наушников из ПВХ позволяют держать их горизонтально к земле. При -30°С вполне реально могут поломаться. По этой причине кабельные заводы требуют перед размоткой катушек с проводами дать им отлежаться в тепле.
Не светостойкий.
ПВХ на солнце разрушается, становится хрупким. Поэтому на улице используются полиэтиленовые (чёрные) гофроканалы, а не ПВХ (серые)
Оболочка коаксиального кабеля с изоляцией из ПВХ. Кабель для внутренней проводки провисел на улице несколько лет. Изоляция полностью разрушилась.
При нагревании выделяет едкий ядовитый дым
, содержащий в том числе HCl. Этот дым раъедает оптику, поэтому ПВХ практически не режут на станках лазерного раскроя. Использование ПВХ панелей в отделке катастрофически увеличивает токсичность дыма при пожаре.
Миграция пластификатора.
У пластифицированного (мягкого) ПВХ пластификатор не вступает в прочную химическую связь с полимером, поэтому со временем пластификатор может мигрировать, испаряться из изделия, особенно из приповерхностных слоев. Нагрев, контакт с некоторыми горюче-смазочными веществами и растворителями может ускорять этот процесс. Итогом такой метаморфозы является «дубение» изделия, появление трещин. Если планируется длительная работа изделия, и требуется эластичность, то стоит посмотреть в сторону эластомеров. (Относительно недавно был скандал как раз связанный с выделением пластификатора из кабеля. Спустя некоторое время кабель начинал плакать маслом, но это не чудо, а выделение пластификатора из заполнителя кабеля. Гуглить по ключевым словам «кабель NYM потёк».)
