Фторопласт Ф4: виды, свойства, технические характеристики

Фторопласт – это фторсодержащий синтетический полимер белого цвета, который обладает уникальными свойствами и применяется во многих отраслях промышленности. Другие названия фторопласта – тефлон, политетрафторэтилен, PTFE, фторопласт-4, фторополимер. Самое первое название материала, «тефлон», зарегистрировано в качестве торговой марки крупнейшего американского концерна Дюпон (Du Pont). В странах бывшего Советского Союза этот материал традиционно именуется фторопластом, а иногда – фторопластом-4.

Немного истории

Первооткрывателем тефлона является американский ученый Рой Планкетт, который в 2019 году, будучи сотрудником фирмы Kinetic Chemicals, стал свидетелем полимеризации газообразного тетрафторэтилена и превращения его в твердое вещество, напоминающее парафин. Полученный материал проявил удивительные по тем временам свойства, поэтому сразу же был зарегистрирован в качестве разработки фирмы Kinetic Chemicals, которая в 2019 году вошла в состав корпорации Дюпон.

В Советский Союз тефлон впервые попал в годы второй мировой войны. Тефлоновое кольцо входило в конструкцию системы поворота башни у танков американского производства, которые поступали в СССР по ленд-лизу. Советских конструкторов впечатлило то, что для поворота башни у иностранного танка вместо смазки использовалась фторопластовая прокладка. После ознакомления с техническими характеристиками материала было принято решение о налаживании собственного производства. Долгое время применение фторопласта в промышленности, как и технология его производства в Советском Союзе были засекречены.

Технические характеристики фторопласта

Популярность фторопласта связана с тем, что он обладает рядом физических и химических свойств, а также технических показателей, которые превышают аналогичные показатели других материалов:

  • высокие диэлектрические характеристики и стойкость к электрической дуге;
  • высокая прочность электрическая;
  • стойкость к воздействию химических веществ;
  • низкие показатели водопоглощения;
  • небольшой коэффициент трения;
  • малый уровень адгезии;
  • биологическая инертность;
  • способность сохранять свои свойства в температурном диапазоне.

Области, в которых применяется фторопласт

Сегодня тефлон используется практически во всех сферах хозяйственной деятельности. Его активно используют в медицине, фармацевтике, энергетике и строительстве, конструкциях автомобилей и самолетов. Распространено применение фторопласта в пищевой промышленности. Из него изготавливают наполнители для высокотемпературных мембранных фильтров, термостойкие прокладки различных видов, ответственные элементы запорной и регулирующей арматуры, клапанов и насосного оборудования в химической отрасли.

Машины и механизмы

В производстве транспортных средств, машин, механизмов, в станкостроении и авиационной промышленности используются конструкционные свойства тефлона. В узлах, подвергающихся воздействию больших нагрузок, используются скользящие элементы и подшипники, состоящие из металлического основания, покрытого тефлоном.

Во время работы механизма фторопласт оставляет тонкую пленку на поверхности, с которой соприкасается, благодаря чему удается значительно снизить коэффициент трения.

По этой же причине мелкодисперсный фторопласт иногда вводят в состав смазочных материалов. Тонкий слой тефлонового покрытия, образующийся на трущихся поверхностях элементов в процессе эксплуатации, позволяет механизму некоторое время продолжать работать, если смазка по какой-то причине перестала поступать в систему. Кроме этого, тефлоновые сальники и уплотнительные элементы являются обязательной составляющей трубопроводов и гидравлических систем высокого давления в конструкциях большинства машин.

Медицина и фармацевтика

Фторопласт имеет хорошую совместимость с человеческим телом, поэтому его успешно применяют для изготовления протезов в хирургии, кардиологии и стоматологии. Из фторопласта изготавливают искусственные заменители сосудов кровеносной системы и сердечных клапанов. Сейчас тефлон заменил титан, использование которого для изготовления протезов ранее накладывало ряд ограничений на жизнедеятельность человека.

Пищевая отрасль

Заслуживает внимания также применение фторопласта в пищевой промышленности. Он используется в качестве внутреннего покрытия трубопроводов и сальникового уплотнения насосов, перекачивающих различные сырьевые жидкости, такие как подсолнечное масло, лецитин, жировые и молочные массы.

Антипригарные покрытия емкостей для термической обработки пищевых продуктов также изготавливают из тефлона.

Большую популярность получила посуда Тефаль с антипригарной поверхностью.

Химия

В химическом производстве широко распространено применение фторопласта для изготовления деталей запорно-регулирующей арматуры и уплотнительных элементов сосудов и трубопроводов, транспортирующих жидкие растворы с высокой степенью химической агрессии. Благодаря своей способности противостоять воздействию химически активных веществ, материал используется в реакторах колонного типа, экстракторах и различных емкостях в качестве футеровки поверхностей, контактирующих с агрессивной средой.

Электротехника и электроника

В электротехнике, приборостроении и электронике фторопласт применяют как диэлектрик. Тефлоновая пленка – важная составляющая современной высококачественной кабельной продукции. Изоляционные фторопластовые материалы используют для производства катушек, конденсаторов и плат. Фторопластовая изоляция способна противостоять воздействию высокотемпературных агрессивных сред.

Строительство

Фторопластовые пластины – важнейшие детали конструкций скользящих опор ответственных сооружений, таких как мосты, галереи, эстакады, путепроводы и другие пролетные строения. В регионах с высоким уровнем сейсмической активности тефлоновые прокладки используются в местах опирания балок перекрытия на колонны, а также в узлах установки колонн на фундаменты для того, чтобы обеспечить возможность свободного перемещения элементов строительных конструкций каркаса здания.

Производство одежды и специальных видов ткани

Тончайшая пленка, которая образуется в процессе деформации тефлонового сырья, служит покрытием для специальных видов ткани.

Такая ткань применяется для пошива высокотехнологичной одежды с водоотталкивающими и ветрозащитными свойствами.

При этом пористый материал не задерживает естественные испарения человеческого тела. Большая часть современной одежды для спорта и активного отдыха имеет тонкое тефлоновое покрытие.

Итог

Как видим, за относительно короткий промежуток времени тефлон смог заменить довольно широкий спектр материалов, которые традиционно применялись в различных сферах хозяйственной деятельности. Применение фторопласта в промышленности – это хороший пример того, что успешное внедрение в жизнь новых технологий позволяет существенно повысить качество принимаемых технических решений.

Предлагаем ознакомиться со статьей об еще одном полимере, который широко применяется в различных сферах жизнедеятельности человека.

Фторопласт — техническое название термопластичного полимера, т. е. продукта полимеризации фторпроизводных олефинов.

Наибольшее применение в различных отраслях промышленности получил полимер тетрафторэтилена — политетрафторэтилен (ПТФЭ), известный как Тефлон™ *.

Химическая формула ПТФЭ — [CF2 — CF2]n (ГОСТ 10007-80).

Торговые названия ПТФЭ: фторопласт-4 (Россия); тефлон, галон (США); гостафлон TF (Германия); флуон (Англия); гафлон, сорефлон (Франция); алгофлон (Италия).

Фторопласт-4 (Ф-4) — высокомолекулярный кристаллический полимер с температурой плавления около +327°С.

Фторопласт-4 обладает уникальным сочетанием свойств, которое невозможно найти ни в каком другом материале, а именно:

  • высокой химической стойкостью практически ко всем агрессивным средам — минеральным и органическим кислотам, щелочам, органическим растворителям, окислителям и газам. Разрушение полимера наблюдается лишь при действии расплавленных щелочных металлов, их растворов в аммиаке, элементарного фтора и трехфтористого хлора при повышенных температурах
  • широким интервалом рабочих температур от -269° до +260°С
  • исключительно высокими диэлектрическими показателями, такими как низким значением диэлектрической проницаемости, большой электрической прочностью и др.
  • высокими антифрикционными свойствами, исключительно низким коэффициентом трения
  • физиологической и биологической инертностью (разрешение РТМ 27-72-15-82 для контакта с пищевыми продуктами)
  • способностью не смачиваться водой

Уникальные свойства фторопласта обеспечивают его применение в автомобилестроении, машиностроении, арматуростроении, химической, фармацевтической, энергетической, и других отраслях промышленности.

Фторопласт-4 с его низкими прочностью и теплопроводностью редко используется в чистом виде в антифрикционных изделиях, работающих под нагрузкой. Для этого создаются наполненные композиции на основе фторопласта-4, содержащие кокс (Ф4К20); стекло (Ф4С15); углеродное волокно (Ф4УВ15), а также дисульфид молибдена, или так называемые металлофторопластовые композиции (Ф4К15М5).

Наполненные композиционные материалы на основе фторопласта-4 обладают повышенной твердостью, механической прочностью, жесткостью, износостойкостью, электрической проводимостью, т.е. теми отличительными свойствами, которые у ненаполненного фторопласта-4 значительно ниже.

  • Материал Ф4К20 (Ф4+20% коксовой муки) По сравнению с фторопластом-4 материал Ф4К20 имеет в 600 раз большую износостойкость и на 30% выше напряжение при 10%-ной деформации сжатия в диапазоне температур от -60 до +250°С.
  • Материал Ф4К15М5 (Ф4+15% коксовой муки+5% дисульфида молибдена) Материал Ф4К15М5 имеет повышенную износостойкость (износостойкость Ф4К15М5 в 2019 раз выше износостойкости ненаполненного фторопласта и в 1,6 раза выше, чем у материала Ф4К20) и более низкий коэффициент трения. Материал Ф4К15М5 среди наполненных марок фторопласта-4 имеет наиболее благоприятные характеристики трения и износа.
  • Материал Ф4С15 (Ф4+15% стекловолокна) При введение стекловолокна повышается износостойкость материала более чем в 250 раз, в 1,5 раза увеличивается сопротивление ползучести, при этом химические свойства не изменяются и мало изменяются электрические показатели. По сравнению с Ф4К20 материал Ф4С15 более эластичен. Как антифрикционный материал Ф4С15 применяется в тех случаях, когда другие наполненные материалы непригодны из-за химической нестойкости наполнителя. При наличии конденсата наблюдается повышенный износ.
  • Материал Ф4УВ15 (Ф4+15% углеродного волокна) Углеродное волокно обладает рядом неоспоримых преимуществ перед другими наполнителями: низким коэффициентом трения, высокой прочностью и теплостойкостью, химической инертностью, теплопроводностью и электрической проводимостью.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФТОРОПЛАСТА-4 И КОМПОЗИЦИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ

Наименование показателей Ф-4 Ф4К20 Ф4К15М5 Ф4УВ15 Ф4С15
Плотность, кг/м3 2019 — 2019 2019 — 2019 2019 — 2019 2019 — 2019 2170-2210
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 19,6 12,7 15,2 15 — 18 13,7
Относительное удлинение при разрыве,% 350 120 150 60 300
Модуль упругости, МПа  
при сжатии 686,5 805 800   520
при растяжении 410 2019   480
Твердость по Бринеллю, МПа 37,2 39,2 59,08   49,0
Деформация под нагрузкой 10 МПа через 24 часа при 22°С, % 6,6 2,9 — 3,0 3,6   3,5
Напряжение при 10% деформации, МПа 21,5 20   19,5-20,5
Коэффициент теплопроводности, Вт/(МК) 0,25 0,23 0,29   0,25
Удельная теплоемкость, Дж/(кг*К) 1,04 0,71   0,9
Коэффициент линейного расширения, 10-5 °С –1 , от -60 до +20°С 18 — 25 8 — 11   4,5-12,5
Теплостойкость по Вика,°С 110 145 — 160   130-140
Водопоглащение через 24 часа, % 0,00 0,03 0,01 0,04
Предельное PV, кПа*м/с:  
при V=0,05 м/с 44,2 490 588   343
при V=0,5 м/с 63,7 687 687   442
при V=5 м/с 88,0 2019 2019   540
Допустимое PV (износ 0,127 мм за 2019 ч), Па*м/с 0,75-1,00 325 500   130
Коэффициент износа, см3*сек/кгс:см*ч*108 1800-2500 4 2,5   10
Относительная износостойкость 1 625 2019 2019 250
Интенсивность износа * 106, кг/ч 62,5 2,0 0,8 1,5  
Коэффициент трения по стали 0,04 0,14 — 0,30 0,1 — 0,39 0,2 0,15-0,3
Интервал рабочих температур, °С от 269 до +260 от 60 до +260 от 60 до +260 от 60 до +260 от 60 до +260

* Тефлон™ (TEFLON™) является зарегистрированным товарным знаком фирмы Du Pont (США).

Заказать фторопласт-4 и композиции на его основе

Технические характеристики

Основные свойства, которыми обладает листовой фтороплатс (так же как и фторопласт-4):

  • низкие показатели коэффициента трения
  • высокие диэлектрические показатели
  • малая пористость. Материал не смачивается водой
  • инертность по отношению к химически агрессивным средам
  • стойкость к перепадам температур
  • стойкость к воздействию огня
  • продолжительный срок службы

Применение листового фторопласта

Сферы использования определеются характеристиками фторопласта. Изделия из полимера активно применяются в химической, электрохимической и пищевой промышленности, в приборостроении и машиностроении, в медицине:

  • Листовой фторопласт, благодаря высокой химической инертности, используется в производстве контейнеров для транспортировки и хранения агрессивных соединений
  • Высокая термостойкость и превосходные диэлектрические свойства этого полимера, используются при изготовлении деталей для высокочастотной техники
  • Невысокое значение коэффициента трения фторопласта способствует увеличению срока службы подшипников, уплотнителей в узлах трения механизмов, особенно в условиях глубокого вакуума, сверхнизких температур, воздействия агрессивных сред.
  • Данный полимер применяется в медицине, в виду отсутствие вредного воздействия на человеческий организм. Фторопласт служит материалом для протезирования кровеносных сосудов, изготовления сердечных клапанов, контейнеров для транспортировки и хранения крови и сыворотки. Используется в производстве упаковки лекартв
  • В пищевой промышленности активно использует для производства антипригарных покрытий

Основные марки листового тефлона

Марка Область применения
Ф-40 футеровка трубопроводов, насосов, изготовление втулок, прокладок
Ф-4ПН изделия повышенной надежности и электротехнические детали
Ф-4Д трубы тонкостенные, шланги, стержни, кабельная изоляция
Ф-4Т толстостенные изделия и трубопроводы
Ф-4А изготовление изделий точного размера, более технологичен по сравнению с Ф-4
Ф-4П электроизоляционные и конденсаторные плёнки

Химическая формула  (-C2F4-)n

Зарубежные аналоги: TEFLON 7, FLUON G 163,190, ALGOFLON F, HOSTAFLON TF 1702, POLYFLON M 12, 14.

ТУ/ГОСТ ГОСТ 10007-80

Фторопласт-4 или PTFE представляет собой разновидность пластмассы белого цвета. Этот материал обладает уникальными химико-физическими характеристиками, что позволяет широко использовать его во многих сферах человеческой деятельности благодаря следующим свойствам:

  • исключительная стойкость ко всем кислотам, растворителям, нефтепродуктам, щелочам;
  • инертность;
  • стойкость к водяному пару;
  • атмосферостойкость (водопоглощение – ноль);
  • стойкость к климатическим и бактериальным воздействиям.

Свойства Фторопласта-4 по ГОСТ 10007-80

В зависимости от области применения различают следующие типы фторопластов

  • С — для изготовления специзделий;
  • П — для изготовления электроизоляционной и конденсаторной пленок;
  • ПН — для изготовления электротехнических изделий и других изделий повышенной надежности, а также электроизоляционных, изоляционных и пористых, вальцованных пленок и прокладочной ленты.
    Допускается в отдельных случаях при отсутствии фторопласта-4 марки С применять фторопласт-4 марки ПН для изготовления изделий спецназначения.
  • О — для изготовления изделий общего назначения и композиций;
  • Т — для изготовления толстостенных изделий и трубопроводов.
Наименование показателя Норма для марки
  С П ПН О Т
Внешний вид Легко комкующийся порошок белого цвета без видимых включений Легко комкующийся порошок белого цвета
Внешний вид пластины:
цвет Белый однородный Белый однородный. Допускается серый или кремовый оттенок
чистота Не определяют В соответствии с образцом, утвержденным в установленном порядке
Массовая доля влаги, %, не более 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02
Плотность, г/см3, не более 2,18 2,18 2,19 2,2 2,21
Прочность при разрыве незакаленного образца, МПа (кгс/см), не менее 27
(270)
26
(260)
25
(250)
23
(230)
15
(150)
Относительное удлинение при разрыве незакаленного образца, %, не менее 350 350 350 350 280
Термостабильность, ч, не менее 100 100 100 100 15
Электрическая прочность [толщина образца (0,100±0,005) мм при постоянном напряжении], кВ/мм, не менее 50 60 50 Не определяют
Внешний вид строганой пленки Без металлических включений, отверстий и трещин, чистота и однородность окраски должны соответствовать образцу, утвержденному в установленном порядке Не определяют
Относительное удлинение при разрыве строганой пленки в поперечном направлении, %, не менее Не определяют 175 Не определяют

Фторопласт 4 технические характеристики

Наименование показателя Норма
Температура плавления кристаллов, °С 327
Температура стеклования аморфных участков, °С Минус 120
Максимальная рабочая температура при эксплуатации, °С 260
Минимальная рабочая температура при эксплуатации, °С Минус 269
Температура разложения, °С Св. 415
Температура наибольшей скорости кристаллизации, °С 310-315
Температурный коэффициент линейного расширения, °С, при температуре, °С:
от минус 60 до минус 10 8·10-5
св. минус 10 до плюс 20 (8-25)·10-5
св. 20 до 50 (25-11)·10-5
св. 50 до 110 11·10-5
св. 110 до 120 (11-15)·10-5
св. 120 до 200 15·10-5
св. 200 до 210 (15-21)·10-5
св. 210 до 280 21·10-5
Насыпная плотность, кг/м 350-600
Стойкость к действию химических реагентов при температуре 20-150 °С:
кислоты концентрированные Стоек
органические растворители То же
щелочи «
окислители (пероксид водорода) «
расплавленные щелочные металлы или растворы их в аммиаке Не стоек при повышенных температурах
элементарный фтор То же
трехфтористый хлор «
Кислородный индекс (ГОСТ 12.1.044), % 95
Атмосферостойкость Превосходная
Дугостойкость (ГОСТ 10345.1), с 300
Трекингостойкость (ГОСТ 27473) Сплошной токопроводящий слой не образует
Радиационная стойкость, Мрад 2
Стойкость к грибкам (ГОСТ 9.049, метод А), баллы 1
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К 0,25
Удельная теплоемкость, кДж/кг·К 1,04
Водопоглощение за 24 ч, % 0
Разрушающее напряжение, МПа:
при изгибе 10,7-13,7
при сжатии 11,8
Ударная вязкость кДж/м(образец проскакивает, не ломается) 125
Твердость по методу вдавливания шарика, МПа 29,4-39,2
Модуль упругости, МПа:
при статическом изгибе при +20 °С 460,9-833,6
 при -60°С 1294,5-2726,5
при растяжении 410
при сжатии 686,5
Усадка при выпечке (в зависимости от давления таблетирования, условий выпечки и молекулярной массы), % 3-7
Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом, не менее 1·1017
Удельное объемное электрическое сопротивление при постоянном напряжении, Ом·см, не менее 1,5·1017
Диэлектрическая проницаемость при частоте, Гц:
50 2,0±0,1
103 2,0±0,1
106 2,0±0,1
108 2,0±0,1
1010 2,0±0,1
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте, Гц:
50 Не более 0,0002
103 Не более 0,0002
106 Не более 0,0002
108  0,0002
1010  0,0002
Электрическая прочность при переменном напряжении (толщина образца 2 мм), В/м, не менее 25·106
Средний размер частиц порошка, мм 0,1-0,2
Термостабильность, % (при температуре 420 °С, 3 ч) 0,2
Коэффициент трения по стали 0,04
Способность к механической обработке Превосходная

Композиции на основе Ф4 – свойства, виды

Для изменения свойств чистого фторопласта, таких как твердость, теплопроводность, износоустойчивость в процессе производства в него добавляют определенные добавки. Наиболее часто в качестве этих добавок используют молотое стекловолокно, кокс, бронзу, дисульфид молибдена, медь, никель и другие. Эти добавки значительно увеличивают следующие показатели:

  • сопротивление износу в 250-600, в некоторых композициях до 2019 раз;
  • стойкость к текучести на холоде или ползучести в 2-3 раза;
  • коэффициент трения;
  • жесткость в 2-3 раза;
  • твердость на 10-15 %;
  • теплопроводность на 100-300%;
  • поверхностная прочность.

А также способствует уменьшение термического расширения в 2-2,5 раза.

Таблица сравнения свойств композиций

Свойства Ф4 Ф4К20 Ф4К15М5 Ф4С15 Ф4С15М5 Ф4К15УВ5 Ф4КС2
Физико-механические
Плотность, г/см3 2,12-2,2 2,05 2,17 2,18 2,19 2,08 2,17
Предел текучести, МПа 11,8 14 13,4 16,4 13
Прочность при разрыве, МПа 14-34 01.12.15 13-16 18-20 18-20 17-20 22-24
Относительное удлинение, % 250-500 60-120 80-150 180-220 150-200 80-150 230-320
Модуль упругости, МПа 550 1200 110 900 1760 650
Твердость по Бриннелю, МПа 29-39 49-53 49 39-49 39-49 48-49 37-39
Вязко-упругие
Деформация при растяжении 6 6,7 9 9,3 3,3 8,1
Деформация при сжатии 7,2 7,7 8,6 8,8 3,8 9,3
Тепло — физические
Теплоемкость, Дж/(кг С) 1,04 0,985 0,98 0,950 0,95 0,98 0,9
Теплопроводность, Вт/(м С) 0,25 0,34 0,32 0,28 0,27 0,385 0,33
Коэф. линейного расширения, а*10-5 8-25 10-12 10-12 13-15 13-15 7-9 12-14
Триботехнические
Коэффициент трения 0,04 0,27 0,23 0,25 0,2 0,26 0,16
Интенсивность износа 1 0,8 1,8 1,6 0,65 4
Интервал рабочих температур, оС от -250 до +260

Типы добавок для создания композиций на основе Ф-4

С одной стороны они разделяются на некоторые группы по характерным данным наполнителя.

  • Порошковые:
    • металлические добавки — медные, серебряные, свинцовые, никелевые, бронзовые, оловянные, алюминиевые;
    • минеральные добавки — кварцевые, стеклопорошковые, керамические, слюдяные и другие;
    • углеродные добавки — графитовые, угольные, коксовые и сажа.
  • Волокнистые армирующие:
    • тканевидные добавки — стеклоткани, углеткани, ткани из асбеста и базальта;
    • нетканевидные добавки — стекловолокнистые, углеволокнистые, асбест, кварц, графит, базальт и другие.
  • Каркасные армирующие добавки:
    • тонкая смятая сетка из металла;
    • мятая проволока.
Классификация добавок для создания композиций на основе ПТФЭ

Порошкообразные  Волокнистые (армирующие)  Армирующие, каркасного типа 
Металлические Минеральные  Органические  Нетканые  Тканные  Металлическая смятая сетка Смятая фольга
медь кварц графит стекловолокно стеклоткани
серебро стеклопорошок сажа асбестовое графитовые
свинец  ситал уголь графитовое асбестовые
бронза керамика кокс кварцевое базальтовые
олово слюда базальтовое волокно
алюминий каолин металлич. усы

С другой стороны композиционные материалы Ф4 делятся по их назначению:

  • антифрикционные;
  • армированные;
  • универсальные;
  • электроизносостойкие;
  • специальные;
  • индивидуальные.

Уникальность композиций на основе Ф4 заключается в повышенной устойчивости к физико-механическим воздействиям в сравнении с чистым фторопластом. Эти материалы инертны, имеют малую пористость, механически прочны, наделены отличными электрическими и механическими характеристиками, обладают низким показателем трения и гидрофобны. Получаемые из данных материалов изделия наделены большим количеством свойств и характеристик, которые позволили эффективно использовать их в химической, электротехнической, пищевой, медицинской, атомно-энергетической и легкой промышленности, а также в приборо- и машиностроении.