Политетрафторэтилен (PTFE): Состав, Свойства и Применение

В современном производстве востребованы материалы, сочетающие в себе прочность, химическую инертность, электроизоляционные свойства и устойчивость к воздействию влаги. Одним из таких материалов является политетрафторэтилен (PTFE), также известный как фторопласт-4 или тефлон.

Что такое политетрафторэтилен?

PTFE - это полимеризованный тетрафторэтилен, сокращенно ПТФЭ. На российском рынке пластик называется фторопласт-4. Слово «Тефлон» является зарегистрированным товарным знаком корпорации DuPont. Непатентованное название вещества - «политетрафторэтилен» или «фторополимер».

При отсутствии добавок представляет собой белый прочный материал. PTFE используется при очень низких и высоких температурах и проявляет устойчивость к влиянию жидкости и химических веществ. В его состав входит цепочка углеродов, которая защищена атомами фтора. Из-за этого материал не взаимодействует с другими веществами и пригоден для использования в пищевой продукции.

Схема полимеризации тетрафторэтилена в политетрафторэтилен

Открытие и свойства тефлона (политетрафторэтилена)

История открытия

Политетрафторэтилен был открыт в апреле 1938 года 27-летним учёным-химиком Роем Планкеттом из компании Kinetic Chemicals, который случайно обнаружил, что закачанный им в баллоны под давлением газообразный тетрафторэтилен спонтанно полимеризовался в белый парафиноподобный порошок. В 1938-м году американский химик Р. Планкетт, работавший в компании Kinetic Chemicals, изучал свойства газов, которые могли бы заменить аммиак и двуокись серы, использующиеся в то время в качестве хладагентов.

Очередным объектом исследований был тетрафторэтилен, соединение углерода и фтора. Газ синтезировали для последующих экспериментов и для хранения закачали в баллоны под давлением. Один из баллонов заморозили. Когда его открыли, чтобы откачать газ, то газа внутри не оказалось. Решив выяснить, что произошло с газом, исследователи разрезали баллон и обнаружили на стенках странное маслянистое вещество белого цвета, похожее по консистенции на парафин или полиэтилен.

Поняв, что перед ним результат реакции полимеризации, Планкетт решил заняться его исследованием. Свойства вещества оказались весьма неординарными. Соединение явно имело практическую ценность, поэтому его изучением занялась центральная лаборатория компании. Спустя 3 года вещество было запатентовано под названием «тефлон».

Состав и свойства PTFE

Политетрафторэтилен (PTFE) - полимер тетрафторэтилена (ПТФЭ, все атомы водорода замещены фтором). Представляет собой пластичную массу, которая обладает редкими физическими и химическими свойствами. Благодаря наличию фтора, полимеры наделены важными техническими характеристиками (химическая устойчивость, устойчивость к воздействиям температуры, антифрикционные свойства, высокие диэлектрические свойства).

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 - мягкий и текучий материал, поэтому имеет ограниченное применение в нагруженных конструкциях.

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. Политетрафторэтилен не подвергается действию ни одного известного растворителя. Растворение может произойти только при сильном взаимодействии, возникающем между полимерной молекулой и молекулой растворителя.

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.

Немаловажное отличие рассматриваемого материала от других термопластичных пластиков состоит в том, что он не течет при своей температуре плавления. Рассматриваемый полимер плохо устойчив к облучению. При воздействии гамма- и бетта-излучения его механические свойства значительно ухудшаются.

Политетрафторэтилен имеет низкий коэффициент трения, который не зависит от температуры до достижения температуры плавления кристаллической фазы. Как правило, политетрафторэтилен лучше применять в виде пленок, нанесенных на металл.

Для улучшения технических характеристик материал PTFE может использоваться с добавлением других веществ, например, угольного кокса, сажи, стекловолокна. Это уплотняет его структуру и увеличивает сопротивляемость нагрузкам и механическому воздействию. Несмотря на то, что PTFE относится к термопластичным полимерам, данный материал невозможно перевести в состояние расплава. Есть также специфические особенности данного материала, которые ограничивают его применение, в частности сравнительно низкие механические характеристики и невозможность склеивания, а также сварки.

Производство политетрафторэтилена

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.

Порошкообразный фторопласт-4 засыпается в форму для прессования, распределяется по ней равномерно и уплотняется «на холоду» при удельном давлении, не превышающем 400 кгс/см2. Спекание рекомендовано проводить при температуре, приближенной к 370 °С от 2 до 50 часов. Процесс проводят в специальной печи с электрообогревом и точной регулировкой температуры. Охлаждение полученных изделий рекомендуется проводить медленно вместе с охлаждением печи.

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.

Схема производства политетрафторэтилена

Применение политетрафторэтилена

Химический состав фторопласта-4 позволяет использовать его универсальные свойства в легкой и тяжелой промышленности, строительстве, медицине. Тефлон применяется во многих отраслях промышленности и в быту. Политетрафторэтилен находит широкое применения как в качестве смазки, так и в роли конструкционного материала.

Благодаря своим уникальным свойствам фторопласт-4 достаточно широко применяется в различных сферах деятельности человека. Нетрудно догадаться, что фторопласты-4 делятся не только в зависимости от методики их получения, но и от назначения и свойств. Белый однородный.

Основные области применения PTFE:

• Машиностроение: В качестве конструкционного материала политетрафторэтилен применяется при изготовлении различных деталей машин и аппаратов. Механические свойства данного материала могут быть значительно улучшены путем введения различных добавок (стекла, бронзы, нержавещющей стали и т.д.), а путем травления поверхности аммиаком натрия можно добиться склеиваемости.
• Электротехника: Как диэлектрик, политетрафторэтилен успешно применяется в технике высоких и ультравысоких частот. Прокатанная фторопластовая плёнка используется при изготовлении высококачественных кабелей, проводов, конденсаторов, для изоляции катушек, пазов электрических машин. 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.
• Химическая промышленность: Из фторопласта марки Ф-4 можно изготовить: аппараты, ректификационные колонны, насосы, трубы, клапаны, сильфоны, облицовочные плитки, сальниковые набивки.
• Пищевая промышленность: Тефлоновые элементы и аксессуары с тефлоновым покрытием легко моются, на них не накапливаются налеты и нерастворимые осадки, их можно автоклавировать или стерилизовать химическими веществами. Крышки и пробки не вступают в реакции с веществами, хранящимися в сосуде, не влияют на их состав.
• Медицина: 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.
• Нефтяная промышленность: В добыче нефти и газа используются трубки, втулки, пластины из PTFE. Его применение возможно благодаря устойчивости к воздействию маслянистых веществ и инертности.
• Строительство: В этой отрасли материал уплотнения PTFE применяется из-за способности к теплоизоляции, устойчивости к осадкам и воздействию УФ-лучей, гибкости и пластичности.
• Бытовое применение: «Тефлон» известен, прежде всего, как материал для антипригарных покрытий сковородок. Сковороды являются частным случаем применения политетрафторэтилена в качестве антипригарного покрытия. Слой ПТФЭ-покрытия служит для предотвращения прямого контакта металлического инструмента и расплавленного полимера.

Кроме того, PTFE используется в производстве мембранной одежды, в транспортных средствах, в военных целях, в основном в качестве покрытий. Из политетрафторэтилена изготавливают колонны ректификации, трубы, сильфоны, клапаны, сальниковые набивки. Прокатная пленка используется в качестве кабелей, конденсаторов-изоляторов, пазов электромашин. Фторопласт-4 применим как смазочный материал в изготовлении металло фторопластовых опорных лент.

Таблица основных свойств политетрафторэтилена

Свойство	Значение
Плотность	2,18 - 2,21 г/см3
Теплостойкость	от −70 до +270 °C
Химическая стойкость	Устойчив к большинству агрессивных сред
Коэффициент трения	0,04-0,06 (по стали)
Диэлектрические потери	Крайне низкие