Политетрафторэтилен: Что это такое и где он применяется?

В мире, полном технических терминов и торговых названий, часто бывает сложно разобраться. В этой статье мы подробно рассмотрим политетрафторэтилен (ПТФЭ), широко известный как тефлон, и разберемся, что это за материал, какими свойствами он обладает и где применяется.

История открытия и производства

Политетрафторэтилен был открыт ученым-химиком Роем Планкеттом в далеком 1938 году совершенно случайно. В апреле 1938 года 27-летний учёный-химик Рой Планкетт из компании Kinetic Chemicals обнаружил, что закачанный им в баллоны под давлением газообразный тетрафторэтилен спонтанно полимеризовался в белый парафиноподобный порошок.

Закаченный в баллоны газ (тетрафторэтилен) под давлением полимеризовался в белый порошок, при изучении свойств которого, ученым с удивлением были обнаружены уникальные свойства полученного вещества. Спустя несколько лет компании Kinetic Chemicals, где работал ученый, был выдан патент на Тефлон, а в 1949 году данная фирма стала подразделением знаменитой американской компании DuPont.

Сцена открытия тефлона в лаборатории DuPont. Рой Планкетт справа.

Что такое политетрафторэтилен?

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) - это синтетический полимерный материал, который обладает уникальными свойствами. PTFE - это полимеризованный тетрафторэтилен, ПолиТетраФторЭтилен, сокращенно ПТФЭ. На российском рынке пластик называется фторопласт-4. Еще одно его название - тефлон.

Политетрафторэтилен или сокращенно ПТФЭ - это химическое название антипригарного покрытия, получаемого химическим путем, сфера применения которого очень широка (в автомобильной, в химической, в пищевой промышленности, в гидравлике, в медицине). Политетрафторэтилен - синтетический полимер, состоящий из двух простых элементов; углерод и фтор. Полимер, состоящий из цепочки атомов углерода и оболочки из атомов фтора.

Связь C-F очень прочна - это обстоятельство делает материал химически стойким и инертным. Тефлон - белое, в тонком слое прозрачное вещество, по виду напоминающее парафин или полиэтилен. Плотность по ГОСТ 10007-80 от 2,18 до 2,21 г/см3. Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остаётся гибким и эластичным при температурах от −70 до +270 °C, прекрасный изоляционный материал.

Фторопласт (Тефлон), сам по себе, выпускается заводами в виде белого порошка различной фракции. PTFE, или политетрафторэтилен - изоляционный и утеплительный материал для производства РТИ, который отличается выгодными техническими свойствами. При отсутствии добавок представляет собой белый прочный материал.

Торговые марки ПТФЭ

Политетрафторэтилен был первым полимером, выпущенным корпорацией DuPont под торговой маркой Тефлон (Teflon). Сейчас эта торговая марка принадлежит компании «Chemours» (дочерней компании корпорации «DuPont»). В быту слово тефлон часто используется как синоним слова политетрафторэтилен, хотя под торговой маркой Teflon выпускается не только ПТФЭ, а и широкая линейка разнообразных фторполимеров.

Также известными торговыми марками ПТФЭ (и других фторполимеров) являются Fluon (японская Asahi Glass, ранее торговая марка принадлежала британской Imperial Chemical Industries), Dyneon (американская корпорация 3M, ранее «Dyneon» было названием немецкой компании, производящей фторполимеры под торговой маркой Hostaflon). Тем не менее, основные объёмы ПТФЭ на 2024 год производятся в Китае. В СССР традиционным техническим названием этого материала было фторопласт-4 (Ф-4).

Уникальные свойства политетрафторэтилена

Политетрафторэтилен обладает рядом уникальных свойств, которые делают его идеальным материалом для многих промышленных применений.

• Химическая стойкость: материал устойчив к большинству химических реагентов, включая кислоты, щелочи и растворители. По своей химической стойкости превосходит все известные синтетические материалы и благородные металлы. Не разрушается под влиянием щелочей, кислот и даже смеси азотной и соляной кислот. На PTFE (ПТФЭ, фторопласт 4) оказывают воздействие только расплавы щелочных металлов, растворы их в аммиаке, трехфтористый хлор и элементарный фтор при высоких температурах.
• Термостойкость: ПТФЭ способен выдерживать температуры до 260°C без изменения своих свойств. Изделия из PTFE (ПТФЭ, Ф4) могут применяться при температуре от минус 269 до плюс 260°С и кратковременно при температурах до плюс 300°С. При нагревании выше плюс 327°С происходит плавление кристаллитов, но полимер не переходит в вязкотекучее состояние вплоть до температуры начала разложения (плюс 415° С).
• Низкий коэффициент трения: Фторопласт-4 (тефлон) - великолепный антифрикционный материал с коэффициентом трения скольжения, наименьшим из известных доступных конструкционных материалов (даже меньше, чем у тающего льда).
• Диэлектрические свойства: Благодаря отличным диэлектрическим свойствам в широком диапазоне частот и температур PTFE (ПТФЭ, Ф4) уникальный диэлектрик. Тефлон широко используется в высокочастотной технике, так как, в отличие от близких по свойствам полиэтилена или полипропилена, имеет очень слабо меняющийся с температурой коэффициент диэлектрической проницаемости, высокое напряжение пробоя, а также крайне низкие диэлектрические потери.
• Устойчивость к ультрафиолетовому излучению и коррозии: ПТФЭ обладает хорошей устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и коррозии.
• Инертность: Из-за своего состава материал не взаимодействует с другими веществами и пригоден для использования в пищевой продукции.

Основные характеристики PTFE:

• отличная ударная вязкость, также при низких температурах
• очень хорошие антифрикционные способности
• очень высокая механическая прочность и жесткость
• самые высокие и стабильные диэлектрические свойства
• устойчив к химикатам
• стабильные свойства во влажной среде
• высокая температура эксплуатации
• устойчив к УФ-лучам
• отличная размерная стабильность
• стойкость к воздействию атмосферных факторов

Технические характеристики:

Характеристика	Значение
Плотность, г/см куб.	2,2
Предел текучести, МПа	11,8
Прочность при разрыве, МПа	14-34
Относительное удлиннение, %	250-500
Модуль упругости (при сжатии/растяжении), МПа	410/686
Твердость по Бриннелю, МПа	29-39
Теплоемкость, Дж/(кг С)	1,04
Теплопроводность, Вт/(м С)	0,25

Применение политетрафторэтилена

В связи с тем, что фторопласт обладает уникальными физическими и химическими свойствами, его использование становится незаменимым во многих областях. Материал очень активно и успешно используют в пищевой промышленности, фармацевтике, медицине, строительстве, авиастроении, радиоэлектронике, энергетике и других важных отраслях промышленности, осваивая все новые и новые способы и методы работы фторопласта.

Применение тефлона в различных отраслях

Основные области применения:

• Пищевая промышленность: Абсолютная инертность ко всем пищевым и биологическим средам позволяет использовать изделия из фторопласта или его частей в любом оборудовании, как вспомогательный материал при различных температурных воздействиях от глубокой заморозки до экстремальной термообработки продуктов.
• Медицина: В медицине успешно применяется для изготовления протезов, изготавливают искусственные сердечные клапаны и сосуды кровеносной системы благодаря совместимости с человеческим организмом. Благодаря биологической совместимости с организмом человека политетрафторэтилен с успехом применяется для изготовления имплантатов для сердечно-сосудистой и общей хирургии, стоматологии, офтальмологии. В 2011 году впервые применён для пластики повреждённых носовой перегородки и стенок околоносовых пазух вместо титановых сеток.
• Машиностроение, транспортное производство и авиастроение: В машиностроении, транспортном производстве и авиастроении хорошо себя зарекомендовали конструкционные свойства фторопласта. Благодаря композиционным фторопластам широко используется в узлах, подвергающихся высокой нагрузке в качестве подшипников и элементов скольжения, покрытия металлических оснований конструкций. Фторопласт вводят в состав смазочных материалов, где он образует защитную пленку и предотвращает некоторое время износ деталей. Фторопласт не заменим в качестве уплотнителей и сальников трубопроводов и гидросистем высокого давления.
• Строительство: Широкое применение фторопласт нашел в строительстве сложных конструкций и сооружений таких как мосты, путепроводы, эстакады. Особенно в районах с сейсмической активностью. В этой отрасли материал уплотнения PTFE применяется из-за способности к теплоизоляции, устойчивости к осадкам и воздействию УФ-лучей, гибкости и пластичности.
• Электротехника, электроника, кабельная промышленность и приборостроение: Благодаря уникальным диэлектрическим свойствам, фторопласт с успехом применяется в электротехнике, электронике, кабельной промышленности и приборостроении. Изоляционные материалы используются в различного рода конденсаторах, плат и катушек. В электронной технике специального назначения широко используется проводка с изоляцией из фторопласта, стойкая к агрессивным средам и высокой температуре - провода марки МГТФ, МС и ряд других. Провод в тефлоновой изоляции невозможно проплавить паяльником.
• Легкая промышленность: Современная легкая промышленность, особенно в производстве пошива спортивной одежды и одежды для активного отдыха, в последнее время, так же активно использует тончайшие фторопластовые пористые пленки.
• Нефтяная промышленность: В добыче нефти и газа используются трубки, втулки, пластины из PTFE. Его применение возможно благодаря устойчивости к воздействию маслянистых веществ и инертности.

Другие применения:

• Из фторопласта марки Ф-4 можно изготовить: аппараты, ректификационные колонны, насосы, трубы, клапаны, сильфоны, облицовочные плитки, сальниковые набивки.
• В качестве конструкционного материала политетрафторэтилен применяется при изготовлении различных деталей машин и аппаратов.
• Из-за мягкости и текучести цельные подшипники скольжения из фторопласта используют редко. В высоконагруженных узлах применяют металлофторопластовые подшипники-вкладыши и металлофторопластовые опорные ленты.
• Известны смазочные материалы с введённым в их состав мелисперсным фторопластом.
• Из-за низкого трения и несмачиваемости насекомые не способны ползти по тефлоновой стене.
• Тефлон также используется в производстве других бытовых приборов.

Влияние на здоровье и безопасность

Возможное негативное влияние политетрафторэтилена на здоровье человека уже много лет является предметом слухов. В действительности полимер очень устойчив и инертен, не вступает в реакцию с пищей, водой, бытовыми химическими средствами, при попадании в организм не приносит никакого вреда здоровью, наоборот, используется при переедании в качестве инертного наполнителя для достижения чувства насыщения без переедания. При попадании в организм политетрафторэтилен безвреден.

Всемирная организация здравоохранения обратилась в Международную организацию борьбы с раком с просьбой провести опыт на крысах. Опыт показал, что при употреблении с пищей до 25 % политетрафторэтилена он не оказывает никакого воздействия. Исследования французских экспертов, опубликовавших в журнале «60 Millions de Consomateurs» результаты лабораторного исследования 13 образцов сковородок, подтверждают безопасность противопригарного покрытия. Французский журнал сообщает, что в результате испытаний была доказана полная безопасность сковород.

Перфтороктановая кислота (ПФОК)

Опасность для здоровья представлет перфтороктановая кислота (ПФОК), ранее использовавшаяся в производстве политетрафторэтилена. В частности, ПФОК влияет на работу внутренних органов. Основным источником биологических рисков при производстве фторполимеров считается перфтороктановая кислота (ПФОК, PFOA). Это соединение применялось в США с 1950-х годов.

В 2006 году фирма DuPont, к тому моменту единственный производитель PFOA в США, согласилась удалить остатки реагента со своих предприятий к 2015 году. Известно, что перфтороктановая кислота распадается при температуре 190 °C, тогда как технологический процесс спекания основы сковороды с антипригарным покрытием происходит при температуре 420 °C. Таким образом, предполагается, что согласно технологическому процессу, наличие PFOA в готовой сковороде маловероятно.

Безопасность при высоких температурах

Стандарт ГОСТ 10007-80 нормирует рабочий диапазон температур фторопласта до +260 °С и прямо указывает на опасность выделения ядовитых газов выше этой температуры. Пиролиз политетрафторэтилена начинается при температуре выше 200 °C, процесс медленно протекает вплоть до температуры 420 °C. При температурах от 500 до 550 °C потеря веса деградирующего материала достигает 5-10 % в час в зависимости от условий среды. Продукты термического разложения вызывают картину отравления, напоминающую литейную лихорадку.

При обследовании 130 человек и наличии в воздухе аэрозоля политетрафторэтилена в концентрации 0,2-5,5 мг/м3 выявлено, что у большинства работавших повторялись приступы лихорадки. У этих же лиц в моче обнаружен фтор (0,098-2,19 мг/л).