Покрытие ptfe. Фторопласт (тефлон) — уникальный химически стойкий материал
Фторопласты - это класс полимеров и сополимеров на основе фтора. Открытие материала произошло случайно в 1938-м году, когда американец Рой Дж. Планкетт изучал свойства нового хладагента хлорфторуглерода. Однажды он обнаружил на стенках канистр с закачанным под большим давлением газом неизвестный белый порошок. Рассудив, что это продукт полимеризации, он решил исследовать свойства нового вещества. Эти свойства оказались столь неординарны, что компания DuPont в 1941-м году его запатентовала под названием «тефлон» и начала искать ему практическое применение.
В 1947-м году были начаты работы над производством отечественного аналога - фторопласта.
Свойства
Белый материал, скользкий и гладкий на ощупь, внешне похож на парафин или полиэтилен. Тугоплавок, не горюч, тепло- и морозостоек, сохраняет эластичность в температурном диапазоне от -70 до +270 °С. Выпускается также прозрачный фторопласт , но он менее термостоек, обычно выдерживает нагрев до 120 °С.
- Обладает высоким электрическим сопротивлением, великолепный диэлектрик и изоляционный материал.
- Отличается революционно низкой сцепляемостью (адгезией) - настолько, что пришлось разрабатывать специальные технологии, чтобы обеспечить надежное скрепление тефлонового покрытия с другими поверхностями.
- Крайне низок коэффициент трения и скольжения, что делает его популярным смазочным материалом.
- Не боится света и не пропускает УФ-излучение, не разбухает в воде, не смачивается жидкостями, в том числе маслами.
- Фторопласты хорошо обрабатываются, их отливают, прокатывают, сверлят, шлифуют, прессуют давлением.
- Инертен по отношению к человеческим тканям, поэтому подходит для изготовления имплантатов, например, сердечных клапанов, протезов, искусственных сосудов.
Фторопласты устойчивы к самым концентрированным кислотам и щелочам, не реагируют с ацетоном, спиртом, эфиром, не поддаются разрушающему воздействию ферментов, плесени и грибков. По химической стойкости превосходят все известные полимеры и даже такие металлы, как золото и платина. Разрушаются только фтором, трпифторидом фтора и расплавами щелочных металлов.
При температурах свыше 270 °С начинают разлагаться, выделяя, в числе прочих веществ, очень ядовитый газ перфторизобутилен. Тефлоновая посуда и посуда с тефлоновым покрытием безопасна, если ее не перегревать и не сжигать. Частички покрытия, попавшие в пищу, не перевариваются и выводятся через кишечник в неизмененном виде.
Недостатком фторопласта является его текучесть, из-за которой его нельзя в чистом виде использовать под нагрузкой и для больших конструкционных форм.
Применение
Фторопласты нашли широкое применение в различных областях. Они выпускаются в виде порошка, водного раствора (смеси фторопластовой пыли с водой), тонкой пленки, прессованных заготовок, которые методом механической обработки превращаются в детали приборов и машин.
Применяется фторопласт в военной, авиационной, космической технике, в электротехнике и радиоэлектронике, в машиностроении. В электротехнике и радиоэлектронике из них изготавливают изоляционные материалы, в машинах и станках - подшипники, прокладки, шайбы и другие узлы трения, а также детали сложной конструкции. Мелкодисперсионный фторопласт добавляют в смазки. Многие детали и поверхности покрываются тонким слоем вещества для защиты от коррозии.
В химической индустрии он используется для производства контейнеров, покрытий трубопроводов, шлангов, деталей, стойких к агрессивным средам, низким и высоким температурам, высокому давлению.
Фторопласты применяются в текстильном производстве для выпуска тканей с грязе- и водоотталкивающими свойствами, термостойких, износостойких, не впитывающих запахи.
В медицине из этого полимера делают протезы и имплантаты.
Применяется на конвейерных лентах по производству пенопласта в строительной индустрии.
В пищевой индустрии очень популярны противни, формы, печи, вафельницы, грили, кофеварки, посуда с покрытием из тефлона.
Тефлон можно встретить в быту на посуде с антипригарным и антиприлипающим покрытием, на бритвенных лезвиях (для увеличения их срока службы), на пластинах для утюгов и на гладильных досках, в хлебопечках, кофейниках, в обогревательных приборах.
Применяется в энтомологии при содержании нелетающих насекомых - они не могут подняться по гладким фторопластовым стенкам домика, то есть не могут убежать.
Через интернет-магазин «ПраймКемикалсГрупп» вы можете заказать фторопластовую химическую посуду , воронки и емкости для реакторов, выполненные из качественного фторопласта.
Политетрафторэтиле́н , тефло́н или фторопла́ст -4 (-C 2 F 4 -) n - полимер тетрафторэтилена (ПТФЭ), пластмасса , обладающая редкими физическими и химическими свойствами и широко применяемая в технике и в быту .
Слово «Тефлон» является зарегистрированным товарным знаком корпорации DuPont . Непатентованное название вещества - «политетрафторэтилен» или «фторополимер». В СССР и России традиционное техническое название этого материала - фторопласт .
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 1941 году компании Kinetic Chemicals был выдан патент на тефлон, а в 1949 году она стала подразделением американской компании DuPont .
Свойства
Физические
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/см 3 . Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остаётся гибким и эластичным при температурах от -70 до +270 °C, прекрасный изоляционный материал. Тефлон обладает очень низкими поверхностным натяжением и адгезией и не смачивается ни водой , ни жирами , ни большинством органических растворителей .
Фторопласт - мягкий и текучий материал, поэтому имеет ограниченное применение в нагруженных конструкциях. Обладает очень низкой адгезией (липучестью).
DuPont указывает температуру начала плавления согласно стандарту ASTM D3418 для разных типов тефлона от 260 °С до 327 °С.
Химические
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 . Разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидом хлора .
Производство
Производство политетрафторэтилена включает в себя три стадии: на первой стадии получают хлордифторметан заменой атомов хлора на фтор в присутствии соединений сурьмы (реакция Свартса) между трихлорметаном (хлороформом) и безводным фтористым водородом ; на второй стадии получают тетрафторэтилен пиролизом хлордифторметана; на третьей стадии осуществляют полимеризацию тетрафторэтилена.
Изделия из ф-4 производятся способом холодного прессования с последующим запеканием при температуре 365±5 °C. Процесс прессования идет из водной эмульсии ПТФЭ в присутствии ПАВ (например, перфтороктановой или перфтороктансульфоновой кислот), которое стабилизирует эмульсию и делает возможным производство воднодисперсного политетрафторэтилена.
Основной производитель фторопласта в России Кирово-Чепецкий химкомбинат имени Константинова, г. Кирово-Чепецк Кировской области.
Применение
Промышленность и техника
Благодаря химической инертности, гидрофобности и текучести материал получил широкое распространение для уплотнения резьбовых и фланцевых соединений (лента ФУМ).
Смазка
Фторопласт (тефлон) - великолепный антифрикционный материал с коэффициентом трения скольжения, наименьшим из известных доступных конструкционных материалов (даже меньше, чем у тающего льда). Из-за мягкости и текучести цельные подшипники скольжения из фторопласта используют редко. В высоконагруженных узлах применяют металлофторопластовые подшипники-вкладыши и металлофторопластовые опорные ленты. Такой элемент скольжения выдерживает десятки килограммов на квадратный миллиметр и состоит из металлической основы, на которую нанесено фторопластовое покрытие.
Электроника
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 . Эти свойства, наряду с теплостойкостью, обусловливают его широкое применение в качестве изоляции проводов, особенно высоковольтных, всевозможных электротехнических деталей, при изготовлении высококачественных конденсаторов, печатных плат .
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 . Недостатком фторопласта является высокая холодная текучесть : если держать провод во фторопластовой изоляции под механической нагрузкой (например, поставить на него ножку мебели), провод через некоторое время может оголиться.
Медицина
Благодаря биологической совместимости с организмом человека политетрафторэтилен с успехом применяется для изготовления имплантатов для сердечнососудистой и общей хирургии, стоматологии, офтальмологии . Тефлон считается наиболее пригодным материалом для производства искусственных кровеносных сосудов и сердечных стимуляторов . В 2011 году впервые применён для пластики поврежденных носовой перегородки и стенок околоносовых пазух вместо титановых сеток. Через 12–15 месяцев имплантат полностью растворяется и замещается собственной тканью пациента.
Тефлон также используется в производстве других бытовых приборов. Тефлоновое покрытие в виде тончайшей плёнки наносят на лезвия бритв, что значительно продлевает срок их службы и облегчает бритьё.
Уход за посудой с тефлоновым покрытием
Тефлоновое покрытие не обладает большой прочностью , поэтому при приготовлении пищи в такой посуде следует использовать только мягкие - деревянные, пластиковые или покрытые слоем пластика - принадлежности (лопатки , половники и т.п). Посуду с тефлоновым покрытием нужно мыть в тёплой воде мягкой губкой, с добавлением жидкого моющего средства , без использования абразивных губок или чистящих паст. Избегать перегрева и жарки на большом огне.
Одежда
В производстве современной высокотехнологичной одежды применяются мембранные материалы на основе экспандированного политетрафторэтилена.
Путём физической деформации тефлона получается тонкая пористая плёнка, которая наносится на ткани и используется при пошиве одежды. Мембранные материалы, в зависимости от особенностей изготовления, могут обладать как ветрозащитными, так и водоизоляционными свойствами, при этом нормированный размер пор мембраны из политетрафторэтилена позволяет материалу эффективно пропускать испарения тела человека.
Существует мембранный материал из политетрафторэтилена на тканевой основе, который пропускает воздух, но не пропускает ветер.
- Гор-Тэкс - водонепроницаемая дышащая мембранная ткань.
Другие изделия
Изделия, в производстве которых используется тефлон:
|
|
Опасность политетрафторэтилена
Возможное негативное влияние политетрафторэтилена на здоровье человека уже много лет является предметом неоднозначных мнений. Сам по себе полимер очень устойчив и инертен в обычных условиях. Политетрафторэтилен не вступает в реакцию с пищей, водой и бытовыми химическими средствами.
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. Данное исследование было проведено в 1960-х годах и повторно в 1980-х годах на распространённой популяции крыс, которые каждый день потребляли ПТФЭ в количестве, соответствующем 25 % общего приёма пищи .
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. Все образцы успешно прошли испытание после тысячекратного натирания поверхностей абразивным материалом в течение двух циклов .
Фторопласт потенциально биологически опасен в двух случаях: при производстве и при перегреве готового полимера. Производство полимера использует токсичные и канцерогенные вещества, которые могут попадать в окружающую среду как при утечках, так и в виде производственного загрязнения готового продукта. При перегреве фторопласта происходит термическое разложение с выделением ядовитых веществ .
Производственные загрязнения
Основным источником биологических рисков при производстве фторполимеров считается перфтороктановая кислота (ПФОК, PFOA). Это соединение применялось в США с 50-х годов XX века. Первые сведения о влиянии на здоровье были получены на заводах 3M и DuPont в 60-х годах. В 80-х годах к изучению биологических эффектов подключились научные группы. В конце 1990-х 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. Были запущены широкомасштабные кампании по контролю концентраций PFOA и уточнению его влияния на здоровье человека.
DuPont получил судебные претензии 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 до 2015 года . По официальной информации компании, с января 2012 года DuPont не использует PFOA в производстве посуды и форм для выпечки .
Известно, что перфтороктановая кислота распадается при температуре 190 ºС, тогда как технологический процесс спекания основы сковороды с антипригарным покрытием происходит при температуре 420 ºС . Таким образом предполагается, что, согласно технологическому процессу, наличие PFOA в готовой сковороде маловероятно . Тем не менее исследование, проведённое в 2005 году, выявило содержание PFOA в PTFE-покрытии новой посуды от 4 до 75 мкг/кг (при содержании в пищевой плёнке около 1800 мкг/кг и в материале упаковок для попкорна до 290 мкг/кг) .
Независимые европейские исследования показали, что антипригарные покрытия не содержат PFOA в количествах, превышающих допустимые безопасные пределы. Китайская академия контроля качества, инспекции и карантина (GAQSIQ), датский технологический институт подтверждают, что воздействие PFOA, используемой при производстве посуды, не обнаружено. .
В России нет нормативных документов, ограничивающих производственные загрязнения фторопластов, что может негативно сказываться на качестве продукции с содержанием фторопластов.
Термическое разложение политетрафторэтилена
Скорость пиролиза тефлона зависит от степени полимеризации. Признаки разложения обнаруживаются при температуре 200 °C. Процесс протекает относительно медленно до 420 °C. При температурах от 500 °C до 550 °C потеря веса достигает 5-10 % в час в инертных средах, резко ускоряясь в присутствии кислорода воздуха. При температурах от 300 до 360 °C продукты разложения преимущественно гексафторэтан и октафторциклобутан . Свыше 380 °С появляется перфторизобутилен и другие продукты пиролиза.
Среди продуктов теплового разложения политетрафторэтилена самым опасным считается перфторизобутилен - крайне ядовитый газ, который примерно в 10 раз ядовитее фосгена .
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 ч у всех рабочих наблюдались симптомы, получившие название «тефлоновой лихорадки». Типичную тефлоновую лихорадку наблюдали при работе с политетрафторэтиленом, нагретом > 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). Выделение фтора оказалось существенно выше при бóльшем стаже и повторных приступах.
Поскольку массовое выделение ядовитых веществ тефлоном начинается при температурах свыше 450 °C, то посуда с противопригарными покрытиями считается безопасной, так как при нормальной эксплуатации таких температур достичь невозможно. Следует учитывать, что производители считают нормой только нагрев с водой или маслом в сковороде. Вода препятствует перегреву тефлона, а её полное испарение сигнализирует о существенном нагреве посуды, которое теперь никак не визуализируется и может стать критическим. Пищевые масла разлагаются при температурах до 200 °C с выделением дыма, что облегчает идентификацию перегрева. Нагрев на плите сухой посуды считается нештатным и в этом случае температуры пиролиза тефлона легко достижимы. Для упрощения эксплуатации некоторые модели тефлоновой посуды снабжаются встроенными визуальными индикаторами температуры.
Пайка проводов с фторопластовой изоляцией требует обязательного наличия вытяжной вентиляции.
Опасность продуктов разложения тефлона для птиц
Особое строение дыхательной системы птиц делает их сверхчувствительными к токсичным веществам, содержащимся в окружающей среде. Установлено, что даже минимальное количество перфтороктановой кислоты, попадая с вдыхаемым воздухом в организм птицы, поражает её дыхательную систему, приводя к смерти через некоторое время (от нескольких минут до десятков часов) . Мелкие птицы более чувствительны к токсичным веществам, им достаточно нескольких секунд вдыхания испарений тефлона и в течение последующих 24 часов наступает смерть.
Вначале, когда новость о смертоносном вреде тефлона для птиц только появилась, было принято считать, что смертельные пары выделяются лишь при очень высоких температурах. К настоящему времени достоверно зафиксирован случай смерти 52 % птиц, в течение 3 суток дышавших испарениями тефлоновых поверхностей осветительных ламп, нагретых до 202 °C . По другим сведениям, для негативного эффекта достаточно всего лишь около 163 °C (325 °F) или даже 140-149 °C (285-300 °F) , но эти данные требуют дополнительной проверки.
Существует очень много сведений о гибели домашних птиц (например, попугаев) от испарений тефлоновых сковородок, оставленных без присмотра и перегретых выше безопасной температуры.
См.также
Примечания
- Скользкий тип: Тефлон - журнал «Популярная механика»
- Roy J. Plunkett - Chemical Heritage Foundation
- Accidental Invention of Teflon
- What lab accident created Teflon
- Fluoropolymer Comparison - Typical Properties
- Уткин В. В. Завод у двуречья. Кирово-Чепецкий химический комбинат . - с цв. вкладками. - Киров: ОАО "Дом печати - Вятка", 2006. - Т. 3. - 240 с. - 1000 экз. - ISBN 5-85271-250-7 .
- Уткин В. В. 1 // Завод у двуречья. Кирово-Чепецкий химический комбинат имени
Благодаря прочному фторо - углеродному соединению и надежной защите атомов углерода атомами фтора, тефлон обладает почти универсальной химической устойчивостью.
Из вышесказанного ясно, что при использовании тефлона отпадает необходимость в многочисленных таблицах совместимости материалов.
Устойчивость к свету и погодным условиям
Отличается необыкновенной устойчивостью к свету и погодным условиям. Поэтому он без ограничений подходит для наружного применения при самых неблагоприятных погодных условиях, при этом все механические и электрические свойства остаются без изменений.
Гигроскопичность
Гигроскопичность тефлона практически равна нулю. Даже после длительного хранения в воде водопоглащения обнаружено не было (согласно DIN 53472/8.2).
Физиологические свойства тефлона
Тефлон без наполнителей является физиологически нейтральным материалом. Несколько опытов по имплантации материала в живые ткани не показали какой-либо несовместимости. Имеются допуски организаций FDA (Комитет пищевой и лекарственной промышленности США) и BGA (Федеральный Союз оптовой и внешней торговли Германии), согласно которым материал может применяться в медицине и пищевой промышленности. В этом отношении незаменимым качеством материала является устойчивость к горячему водному пару, благодаря чему могут подвергаться стерилизации при их применении в медицинских целях, а также в фармацевтической и пищевой промышленности.
Антифрикционные свойства тефлона
Очень слабые межмолекулярные силы являются причиной того, что имеет самый низкий коэффициент трения среди всех твердых материалов. При чем величины статического и динамического коэффициентов трения почти одинаковы. Движения рывками при этом не наблюдается. Антифрикционная способность сохраняется также при температуре ниже 0 °C При температуре выше 20 °C коэффициент трения незначительно возрастает. При добавлении к тефлону различных наполнителей может наблюдаться несущественное изменение коэффициента трения.
Физические свойства тефлона в сравнении с другими фтортермопластами
| материал |
PTFE | FEP | PFA | PCTFE | PVDF | |||
| свойства | Метод испытания | Ед. | ||||||
| Плотность | 23 °C | DIN 53479 | g/cm 3 | 2,15-2,19 | 2,12-2,17 | 2,12-2,17 | 2,10-2,20 | 1,76-1,78 |
| Прочность в момент разрыва | 23 °C | DIN 53455 | N/mm 2 | 22-40 | 18-25 | 27-29 | 30-38 | 38-50 |
| Удлинение при разрыве | 23 °C | DIN 53455 | % | 250-500 | 250-350 | 300 | 80-200 | 30-40 |
| Твердость при вдавливании шарика | 23 °C | DIN 53456 | N/mm 2 | 23-32 | 23-28 | 25-30 | 30 | 65 |
| Предел вдавливания | 23 °C | DIN 53455 | N/mm 2 | 10 | 12 | 14 | 40 | 46 |
| Модуль упругости при движении | 23 °C | DIN 53457 | N/mm 2 | 400-800 | 350-700 | 650 | 1000 - 2000 | 800 - 1800 |
| Модуль упругости при изгибе | 23 °C | DIN 53457 | N/mm 2 | 600-800 | 660-680 | 650-700 | 1200 - 1500 | 1200 - 1400 |
| Предельное напряжение изгиба | 23 °C | DIN 53452 | N/mm 2 | 18-20 | 15 | 52-63 | 55 | |
| Твердость по Шору D | 23 °C | DIN 53505 | 55-72 | 55-60 | 60-65 | 70-80 | 73-85 | |
| Температура плавления | . | ASTM 2116 | °C | 327 | 253-282 | 300-310 | 185-210 | 165-178 |
| Температура эксплуатации без нагрузки | . | . | °C | 260 | 205 | 260 | 150 | 150 |
| Коэффициент теплового расширения 10 -5 | . | DIN 52328 | K -1 | 10-16 | 8-14 | 10-16 | 4-8 | 8-12 |
| Теплопроводность | 23 °C | DIN 52612 | W/K · m | 0,25 | 0,2 | 0,22 | 0,19 | 0,17 |
| Удельная теплоемкость | 23 °C | KJ/kg · K | 1,01 | 1,17 | 1,09 | 0,92 | 1,38 | |
| Содержание кислорода | . | . | % | >95 | >95 | >95 | >95 | >43 |
| Гигроскопичность | . | DIN 53495 | % | <0,01 | <0,01 | <0,03 | <0,01 | <0,03 |
Коэффициенты трения тефлон / перлитный чугун при сухом ходе (p = 0,2 N/mm 2 , T = 30°C, R t ß <1,5 µm)
Политетрафторэтилен (PTFE, ТЕФЛОН) — материал с уникальными антифрикционными свойствами и очень высоким диапазоном рабочих температур. Изделия из PTFE могут применяться при температуре от −269 С до +260 С и кратковременно при температурах до +300 С. Материал обладает уникальной химической стойкостью, тефлон устойчив почти ко всем агрессивным средам, включая кислоты и щёлочи очень высокой концентрации.
Стойкость к реагентам сохраняется даже при их нагревании до +100С и выше. А благодаря химической инертности, PTFE широко применяется в медицинской и пищевой промышленности. Всем известна посуда с тефлоновым покрытием, к которой ничего не прилипает и которое не разрушается даже при самых высоких температурах.
Из-за отличных диэлектрических свойств в широком диапазоне частот и температур, политетрафторэтилен — уникальный диэлектрик. Сопротивление изоляции изготовленной из него очень велико — превышает 1016 Ом х См.
При отрицательной температуре ПТФЭ обнаруживает высокую прочность, вязкость и великолепные антифрикционные характеристики. Даже при сверх низких температурных режимах, вплоть до −260 С, PTFE сохраняет пластичность, не ломается и не трескается. При нагревании выше +327°С происходит плавление кристаллитов, но полимер не переходит в вязкотекучее состояние вплоть до температуры начала разложения (плюс 415° С).
Непревзойденные характеристики PTFE и уникальная химическая устойчивость позволяют его применять в ядерной, химической, нефтедобывающей промышленности, в том числе, в условиях крайнего севера.