Политетрафторэтилен: свойства, применение и производство

Антипригарное покрытие, в быту называемое тефлон, по-научному называется политетрафторэтилен. 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). Следует отметить, что «тефлон» - зарегистрированный товарный знак компании Chemours. На российском рынке пластик называется фторопласт-4. Еще одно его название - тефлон.

PTFE - это полимеризованный тетрафторэтилен, ПолиТетраФторЭтилен, сокращенно ПТФЭ. Фторопласт, также известный как политетрафторэтилен (ПТФЭ), является уникальным материалом, который нашел широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря своим выдающимся химическим и физическим характеристикам.

Политетрафторэтилен открыт в 1938 г. ученым-химиком Роем Планкеттом, работавшим в одной из лабораторий всемирно известного химического концерна DuPont. Причем открыт он был ученым совершенно случайно. В тот год в своей лаборатории он проводил эксперименты с хладагентами. В ходе исследований произошла полимеризация - объединение отдельных молекул газа в длинные полимерные цепи.

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. Исследовав свойства образовавшегося полимера, Планкетт обнаружил, что вещество, очень похожее на «воск», устойчиво к воздействию тепла, химически неактивно и очень скользкое. Этому веществу дали красивое название «Тефлон».

Свойства политетрафторэтилена

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) - это синтетический полимерный материал, который обладает уникальными свойствами. Тип полимера: ФторопластыПолитетрафторэтилен - 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).

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.

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. Политетрафторэтилен допустимо эксплуатировать при температурах, достигающих примерно 250 °С.

Важно то, что при нагревании ПТФЭ до 200 °С из полимера выделяется минимальное количество токсичных и опасных газов, что положительно сказывается на возможностях его применения. Если фторопласт-4 нагревается в вакууме при температуре 490 °С и выше, становится заметным его разложение. 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. ПТФЭ обладает хорошей устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и коррозии. ПТФЭ экспандированный, в дополнение к обычному, приобретает стойкость к высоким давлениям - до 500 Атм.

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

• Термостойкость: ПТФЭ способен выдерживать температуры до 260°C без изменения своих свойств.
• Химическая стойкость: материал устойчив к большинству химических реагентов, включая кислоты, щелочи и растворители.
• Низкий коэффициент трения: Фторопласт обладает одним из самых низких коэффициентов трения среди всех твердых материалов.

У политетрафторэтилена необычайно широкий температурный диапазон устойчивости: от -260°С до +260°С. Таких предельных температурных нагрузок не выдерживает ни один из полимеров, применяемых промышленностью на сегодняшний день. Что же означает выражение «диапазон устойчивости»? Это значит, что, если механические нагрузки на фторполимерное покрытие будут умеренными, то оно с успехом может использоваться при температурах от -260°С до +260°С. Но это вовсе не означает, что данный полимер всегда будет в идеальном состоянии - антипригарные свойства покрытия могут ухудшаться, и сковорода с антипригарным покрытием может пострадать.

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. 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.

Свойства и применение тефлона в промышленности

Применение политетрафторэтилена

В настоящее время сковородки с антипригарным покрытием изготавливают в основном из алюминия, это связано с особой природной мягкостью металла. Антипригарное покрытие имеет высокую степень адгезии с алюминием (сцепление покрытия с металлической основой). При нанесении антипригарное покрытие, можно сказать, «вживляется» в металл. Для современного человека посуда с антипригарным покрытием - вещь очень удобная и практичная. Большинство из нас стараются следить за состоянием своего здоровья, ограничивать употребление в пищу жиров, которые при сильном нагреве выделяют канцерогены.

Благодаря своим уникальным свойствам фторопласт-4 достаточно широко применяется в различных сферах деятельности человека. 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. Не обошел стороной ПТФЭ и электротехническую сферу. В медицине благодаря совместимости политетрафторэтилена с организмом человека успешно применяются имплантаты для ССС (сердечно-сосудистой системы), общей хирургии, офтальмологии, стоматологии и т.д.

В производстве важен прочный материал, который не будет вступать в реакцию с другими веществами, проводить ток и промокать. PTFE, или политетрафторэтилен - изоляционный и утеплительный материал для производства РТИ, который отличается выгодными техническими свойствами. При отсутствии добавок представляет собой белый прочный материал.

Химический состав фторопласта-4 позволяет использовать его универсальные свойства в легкой и тяжелой промышленности, строительстве, медицине.

• Нефтяная промышленность. В добыче нефти и газа используются трубки, втулки, пластины из PTFE. Его применение возможно благодаря устойчивости к воздействию маслянистых веществ и инертности.
• Электроэнергетика.
• Пищевая промышленность.
• Машиностроение.
• Строительство. В этой отрасли материал уплотнения PTFE применяется из-за способности к теплоизоляции, устойчивости к осадкам и воздействию УФ-лучей, гибкости и пластичности.

PTFE - материал, который отличается уникальным химическим составом, делающим его прочным и безопасным.

ПТФЭ широко используется в различных промышленных отраслях благодаря своим уникальным свойствам и характеристикам.

Химическая промышленность: Благодаря своей исключительной химической стойкости, фторопласт используется для изготовления трубопроводов, клапанов, насосов и резервуаров, контактирующих с агрессивными химическими веществами.

Медицина: Биосовместимость и инертность ПТФЭ позволяют использовать его для изготовления медицинских устройств, включая катетеры, имплантаты и хирургические инструменты.

Тефлон применяется во многих отраслях промышленности и в быту. фильтры и многое другое. 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.

Компания Праймлаб активно использует уникальные свойства фторопласта-4 в разработках. Наша компания разрабатывает высокотехнологичные современные приборы для химических лабораторий. Несмотря на демократичную цену, они не только не уступают зарубежным аналогам, а часто их превосходят по функциональности и эффективности.

Производство сальниковых набивок из политетрафторэтилена

Производство сальниковых набивок из ПТФЭ (политетрафторэтилена) - это высокотехнологичный процесс, направленный на создание материалов с уникальными эксплуатационными характеристиками. ПТФЭ, известный также как тефлон, обладает исключительной химической стойкостью, низким коэффициентом трения и способностью сохранять свои свойства в широком диапазоне температур от -200°C до +260°C.

Технология производства начинается с подготовки сырья. ПТФЭ в виде порошка или волокна подвергается специальной обработке, включающей прессование и спекание при высоких температурах. Это позволяет получить плотный, но гибкий материал, способный эффективно уплотнять зазоры в сальниковых устройствах.

Готовые сальниковые набивки из ПТФЭ отличаются долговечностью, устойчивостью к агрессивным средам и способностью работать под высоким давлением. Набивки из фторопласта обладают рядом преимуществ перед другими материалами, такими как устойчивость к агрессивным средам, высокая термостойкость, низкий коэффициент трения и высокая химическая стойкость.

Набивки из фторопласта могут использоваться в качестве уплотнительных материалов в насосах, клапанах, фильтрах и других устройствах. Производство сальниковых набивок из политетрафторэтилена включает в себя несколько этапов. Сначала ПТФЭ необходимо очистить от примесей и обработать для повышения его прочности и устойчивости к химическим воздействиям. Затем ПТФЭ прессуют в форму нужного размера и конфигурации. Готовые сальниковые набивки проходят испытания на прочность и устойчивость к давлению и температуре.

Технология производства 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. 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.

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.

Нетрудно догадаться, что фторопласты-4 делятся не только в зависимости от методики их получения, но и от назначения и свойств. Белый однородный.

Особенности обработки и ограничения PTFE

Несмотря на то, что PTFE относится к термопластичным полимерам, данный материал невозможно перевести в состояние расплава. PTFE обладает уникальным набором характеристик, которые делают его универсальным материалом для самых различных сфер применения - от кабельной изоляции до специальных видов тканей.

Есть также специфические особенности данного материала, которые ограничивают его применение, в частности сравнительно низкие механические характеристики и невозможность склеивания, а также сварки. 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.

Изделия из PTFE, как правило, производят посредством плунжерной экструзии (т.н. ram-extrusion), либо литья под давлением (которое часто называют прессованием). Другой метод экструзии, т.н. экструзия пасты, применяют для изготовления тонкостенных труб малого диаметра. С помощью данного метода можно производить трубочки с диаметром сравнимым с человеческим волосом.

Физические, и в особенности механические свойства PTFE могут в значительной степени меняться в зависимости от способа производства изделия, а также способа его механической обработки. При механической обработке большое значение имеет правильный выбор инструмента, а также рабочих скоростей.

• Компоненты кранов и насосов