Политетрафторэтилен (ПТФЭ): Свойства, Применение и Безопасность

Политетрафторэтилен (ПТФЭ), широко известный как тефлон, представляет собой синтетический фторполимер тетрафторэтилена с уникальными свойствами. В СССР традиционным техническим названием этого материала было фторопласт-4 (Ф-4). Четвёрка в названии изначально символизировала то, что исходный мономер для синтеза Ф-4, тетрафторэтилен, представляет собой этилен, где все четыре атома водорода замещены атомами фтора.

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.

Политетрафторэтилен (PTFE), который чаще всего называют «тефлон», - это полимер с уникальными рабочими характеристиками. Это один из наиболее химически инертных материалов, который хорошо переносит воздействие многих агрессивных сред, включая концентрированные кислоты и щелочи, агрессивные газы и различные растворители. Тефлон способен работать в широком диапазоне температур.

Благодаря наличию фтора, полимеры наделены важными техническими характеристиками (химическая устойчивость, устойчивость к воздействиям температуры, антифрикционные свойства, высокие диэлектрические свойства). Следует отметить, что связь фтор-углерод во фторуглеродах является одной из самых прочных связей, которые могут быть известны для органических соединений. Политетрафторэтилен не подвергается действию ни одного известного растворителя. Растворение может произойти только при сильном взаимодействии, возникающем между полимерной молекулой и молекулой растворителя. Из-за плохой растворимости невозможно определить молекулярный вес политетрафторэтилена, поэтому его определяют по конечным группам с применением радиоактивных индикаторов.

Основные свойства политетрафторэтилена

• Химическая инертность: Обладает высокой устойчивостью к агрессивным средам, включая кислоты, щелочи и органические растворители.
• Термостойкость: Выдерживает температуры до +260°C.
• Низкий коэффициент трения: У него самый низкий коэффициент трения среди всех известных полимерных материалов - 0,04-0,06 по стали.
• Диэлектрические характеристики: Отличные изоляционные свойства.

Среди всех известных пластмасс и других материалов (например, стекла, золота, платины, сплавов) политетрафторэтилен является наиболее стойким материалом. Он устойчив к воздействию щелочей, органических и минеральных кислот, различных растворителей, окислителей и прочих агрессивных сред.

В состав политетрафторэтилена входит примерно 80 - 85% кристаллической фазы. Как правило, при обычных температурах полимер содержит аморфные участки совместно с кристаллической фазой. Аморфные участки обладают высокоэластичным состоянием, что обуславливает относительную мягкость материала.

Применение политетрафторэтилена

Высокие антиадгезионные свойства и низкий коэффициент трения делают политетрафторэтилен популярным как в производстве, так и в быту. Политетрафторэтилен широко применяется как для смазки, так и в качестве конструкционного материала. Благодаря отличным антифрикционным свойствам распространено применение политетрафторэтилена в узлах трения скольжения.

Микронизированный порошок ПТФЭ (PTFE) широко применяется в покрытиях, чернилах, пластмассах, эластомерах, маслах и смазках. Он изготовлен из политетрафторэтилена (CAS № 9002-84-0), который был доведен до размера частиц 1-20 мкм. В соответствии с СТО, наш продукт имеет фирменное название - Фторопласт-4MPX (F-4MPX).

Основные области применения:

• Антипригарные покрытия для посуды. Например, покрытия на основе политетрафторэтилена наносятся на запаивающие элементы упаковочных машин. Слой ПТФЭ-покрытия служит для предотвращения прямого контакта металлического инструмента и расплавленного полимера. По аналогичному принципу используют покрытия на оборудовании для производства полимерных изделий.
• Уплотнительные материалы.
• Изоляция.
• Медицинские имплантаты.
• Колонны ректификации, трубы, сильфоны, клапаны, сальниковые набивки.
• Кабели, конденсаторы-изоляторы, пазы электромашин (в виде прокатной пленки).
• Смазочный материал в изготовлении металло фторопластовых опорных лент.

Структура политетрафторэтилена

Применение микропорошков ПТФЭ:

• В PC, POM, PA, PPS, ABS, PS, HIPS, PP, термореактивных пластмассах и эластомерах (EPR, SBR, силиконовый каучук.) микропорошки значительно уменьшают истирание, износ и коэффициент трения базового полимера.
• В различных видах чернил для печати уменьшает липкость, шероховатость слоя, повышает стойкость к выцветанию, придает водо- и масло- стойкие свойства. Незаменима в технологии высокоскоростной печати.
• В технологии изготовления как бытовых, так и промышленных красок придает антикоррозионные, грязе- водоотталкивающие свойства. Уменьшает липкость поверхности, повышает гибкость слоя, его теплопроводность.
• В спреях на основе метана и бутана для приготовления мелкодисперсных СОЖ для обработки резин и пластмассы, позволяет избежать «залипания» режущего механизма (рекомендуемая концентрация - 0,25 масс.%).
• Как смазка для узлов в условиях, требующих отсутствия жидкостей, таких как высокоскоростные двигатели и редукторы.

Политетрафторэтилен в качестве смазки

Сегодня пользуются популярности тефлоновые смазки в виде спреев. Особенно интересно использование сухих смазок, которые незаменимы в открытых узлах техники, подверженных влиянию окружающей среды. Сухие спреи без связующих веществ идеально подходят для смазывания узлов, доступ к которым затруднен. Примером применения может стать реечная передача сверлильного станка. Сухие смазочные покрытия со связующим так же просты в применении, однако за счет наличия пленкообразователя не мигрируют по поверхностям. PTFE-смазка - универсальное смазочное средство, позволяющее увеличить интервалы между обслуживаниями оборудования, по сравнению с применением обычных смазок.

Для удобства применения и повышения проникающей способности высокодисперсный порошок политетрафторэтилена смешивают с растворителем и функциональными добавками, фасуют в аэрозольные баллончики.

Применение в медицине

В медицине благодаря совместимости политетрафторэтилена с организмом человека успешно применяются имплантаты для ССС (сердечно-сосудистой системы), общей хирургии, офтальмологии, стоматологии и т.д.

Усовершенствование экспандированного политетрафторэтилена для биоматериалов: рассматривает применение экспандированного ПТФЭ (ePTFE) в медицине, включая имплантаты и медицинские устройства, благодаря его биосовместимости и химической стабильности.

Производство политетрафторэтилена

В реактор-полимеризатор 3 поступает сырье в виде тетрафторэтилена из мерника-испарителя 1. Реактор-полимеризатор предварительно заполняется водой, поступившей из мерника 2. Предварительно перед подачей ТФЭ в реакторе растворяют инициатор, в качестве которого выступает персульфат аммония. Реактор охлаждают до температуры около 4 °С и при давлении 1,47 - 1,96 МПа реакция начинается. Допустимо введение 1%-ой соляной кислоты в реактор при условии, что после загрузки тетрафторэтилена реакция не начинается. Соляная кислота в данном случае используется как активатор процесса. Как только температура в реакторе начинает повышаться, введение соляной кислоты прекращается.

Когда реакционная смесь нагревается до 70 °С, а давление снижается до атмосферного, реакцию полимеризации прекращают. Маточный раствор удаляется в приемнике суспензии 5, куда реакционная масса поступает самотеком. Перемешиваемая насосом суспензия политетрафторэтилена с частью маточника направляется в приемник пульпы 6. В системе репульпатор 7 - коллоидная мельница 8 осуществляется многократная отмывка и размол частиц полимера в суспензии. Твердая и жидкая фаза в репульпаторе соотносятся как 1:5. В пневматическую сушилку 9 поступает влажный продукт при температуре 120 °С. Далее сухой политетрафторэтилен разделяется на различные фракции в зависимости от степени дисперсности и отправляется в последующем на упаковочную ленту.

Дисперсный ПТФЭ получают путем проведения полимеризации в водной среде с добавлением солей перфторкарбоновых или моногидроперфторкабоновых кислот, исполняющих роль эмульгаторов. Инициатором процесса выступает пероксид янтарной. Условиями проведения процесса являются температура 55 - 70 °С и давление 0,34 - 2,45 МПа. В результате проведения процесса полимеризации получается продукт шарообразной формы. Из получившейся водной дисперсии концентрируют или выделяют порошкообразный продукт.

Порошкообразный фторопласт-4 засыпается в форму для прессования, распределяется по ней равномерно и уплотняется «на холоду» при удельном давлении, не превышающем 400 кгс/см2. Такой параметр давления обусловлен тем, что при более высоких давлениях ПТФЭ может растрескиваться, а при низких - материал дает усадку и получается довольно рыхлым. Спекание рекомендовано проводить при температуре, приближенной к 370 °С от 2 до 50 часов. Если производить нагрев дольше рекомендуемого времени или при более высоких температурах, возможна частичная деструкция полимера: пористость, выделение газовых продуктов, ухудшение механических свойств изделий. Процесс проводят в специальной печи с электрообогревом и точной регулировкой температуры. Охлаждение полученных изделий рекомендуется проводить медленно вместе с охлаждением печи. После охлаждения изделия извлекаются из печи и охлаждаются на открытом воздухе. Если процесс охлаждения проводить в воде, то с большой вероятностью изделие закалится. Закалка приведет к появлению трещин и к усадке внутри и снаружи.

С помощью механической обработки на станках из заготовок получают готовые изделия. Обработку производят на станках для холодной обработки. Также применяется горячее штампование для придания точных размеров и изменения формы полимера.

Безопасность политетрафторэтилена

Возможное негативное влияние политетрафторэтилена на здоровье человека уже много лет является предметом слухов. Некоторые люди считают, что поцарапанная покрытая тефлоном посуда непригодна к использованию, что якобы из трещин в покрытии выделяются вредные вещества, способные вызвать рак. СМИ публикуют статьи с кричащими заголовками о вреде тефлоновой посуды. 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.

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. Первые сведения о влиянии на здоровье были получены на заводах 3M и DuPont в 1960-х годах. В 1980-х годах к изучению биологических эффектов подключились научные группы. В конце 1990-х годов на проблему обратили внимание надзорные органы США, результатом чего стало признание опасности вещества и нормирование предельных концентраций. Технологические процессы на территории США были изменены с целью полного отказа от PFOA. DuPont получил судебные претензии (о чём был снят фильм «Тёмные воды», 2019) на сотни миллионов долларов от работников компании и окрестных жителей в связи с вредом здоровью и замалчиванием опасности производства.

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.

Независимые европейские исследования показали, что антипригарные покрытия не содержат PFOA в количествах, превышающих допустимые безопасные пределы. 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.

Вероятно, ядовит и обладает пирогенным эффектом также аэрозоль политетрафторэтилена, особенно свежеполученный, на котором сорбированы продукты деструкции. При вдыхании пыли холодного политетрафторэтилена через 2-5 часов у всех рабочих наблюдались симптомы, получившие название «тефлоновой лихорадки». Типичную тефлоновую лихорадку наблюдали при работе с политетрафторэтиленом, нагретым > 350 °C. 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).

Environmental Working Group в 2013 году опубликовала сведения о смертельных для птиц парах Тефлона, которые выделяются при высоких температурах, в частности, о случае смерти 52 % птиц, в течение трёх суток дышавших испарениями тефлоновых поверхностей осветительных ламп, нагретых до 202 °C. В ранней их публикации 2009 года говорилось, что для негативного эффекта достаточно нагреть политетрафторэтилен до приблизительно 163 °C (325 °F). Несмотря на давние слухи о вреде политетрафторэтилена, с 1975 года из результатов научных исследований известно, что основной вред птицам приносят испарения перегретого масла в процессе нормального приготовления пищи при температурах, при которых не происходит термическое разложение тефлона.

Тефлоновая сковорода

В заключение, политетрафторэтилен представляет собой уникальный материал с широким спектром применения, обусловленным его исключительными свойствами. При соблюдении мер предосторожности и температурных режимов, использование ПТФЭ является безопасным и эффективным в различных отраслях промышленности и в быту.

Таблица. Свойства политетрафторэтилена

Свойство	Значение
Химическая стойкость	Устойчив к большинству агрессивных сред
Термостойкость	до +260 °C
Коэффициент трения по стали	0,04-0,06
Диэлектрические свойства	Высокие
Безопасность	Безопасен при соблюдении температурных режимов

Производство и применение тефлона: от сырья до готовой сковороды