16 
Что это? Любой фторполимер является искусственным продуктом, не имеющим природных аналогов. Его получают путем замещения атомов водорода на атомы фтора. Это придает материалу характеристики, незаменимые в тех сферах, где требуется целый комплекс свойств, реализуемых в одном изделии.
В чем причина востребованности? Фторполимеры сохраняют функциональность от очень низких до самых высоких температур, не вступают в реакцию с большинством химических веществ. Они имеют крайне низкий коэффициент трения, хорошие диэлектрические и водоотталкивающие свойства, а также стойкость к ультрафиолету.
История появления фторполимера
Фторполимеры (англ. fluoropolymers) — это группа высокомолекулярных материалов, получаемых путем полимеризации тетрафторэтилена, а также его сополимеризации с различными диеновыми мономерами. В отечественной технической литературе для обозначения таких полимеров, содержащих атомы фтора в своей структуре, широко используется термин «фторопласты», который является общепринятым непатентованным названием данного класса материалов.
Фторопласт был открыт случайно в 1938 году американским химиком Роем Планкеттом. Исследуя баллоны с тетрафторэтиленом, он обнаружил внутри белое твердое вещество, похожее на парафин. После изучения его свойств компания Kinetic Chemicals запатентовала новый материал, который позже получил широкое распространение в промышленности.
В Советском Союзе фторопласт появился во время Второй мировой войны вместе с американской военной техникой. Заинтересовавшись новым материалом, советские специалисты приступили к его изучению и разработке собственного аналога. Уже в 1949 году им удалось воспроизвести технологию, после чего производство и применение фторсодержащих полимеров стало активно развиваться по всей стране.
Уникальные свойства фторполимеров
Необычные свойства фторполимеров связаны с их строением: атомы водорода в их молекулах заменены атомами фтора. Именно это обеспечивает материалам высокую устойчивость к внешним воздействиям и долговечность:
- Химическая стойкость: фторполимеры устойчивы к воздействию большинства кислот, щелочей и растворителей.
- Термостойкость: сохраняют свои характеристики в широком диапазоне температур — от сильного холода до нагрева свыше +260 °C.
- Низкий коэффициент трения: отличаются очень низким коэффициентом трения по сравнению с большинством твердых материалов.
- Диэлектрические свойства: эффективно препятствуют прохождению электрического тока и устойчивы к электрическому пробою.
- Стойкость к ультрафиолету: не теряют своих свойств под длительным воздействием солнечного излучения.
- Водоотталкивающие свойства (гидрофобность): практически не смачиваются водой и способны отталкивать различные жидкости.
Фторопласты используют в тех случаях, когда требуется сочетание нескольких важных свойств в одном материале, таких как химическая стойкость, термостойкость, низкое трение и высокие электроизоляционные характеристики.
Благодаря сочетанию уникальных характеристик фторполимеры широко используются в условиях, где традиционные материалы быстро теряют свои свойства или выходят из строя.
Наиболее известные виды фторполимеров
В настоящее время выпускается большое количество марок фторопластов, однако наибольшее распространение получили четыре основные разновидности этого материала:
- фторопласт-4 (политетрафторэтилен (-C2F4-)n, известные торговые марки — Teflon, Hostaflon TF, Fluon G, Algoflon F, Polyflon M);
- фторопласт-3 (политрихлорфторэтилен (-CF2-CFCl)n, популярные торговые марки — Dyflon, KEL-F, Voltalef, Neoflon CTFE);
- фторопласт-2 (поливинилиденфторид (CH2CF2)n, востребованные торговые марки — Kynar, Solef, Neoflon VDF);
- фторопласт-40 (сополимер тетрафторэтилена (CF2CF2CH2CH2)n, пользующиеся спросом торговые марки — Tefzel, Hostaflon ET, Neoflon ETFE).
Эти виды фторполимеров имеют неплохие отзывы, благодаря низкому коэффициенту трения и набору других свойств фторопласты широко применяются в промышленности. При этом различные их марки отличаются по температурной стойкости, химической инертности к кислотам и щелочам, плотности, электрическим и теплопроводным характеристикам, поэтому используются в разных отраслях производства.
Основным потребителем фторопластов является политетрафторэтилен (ПТФЭ), на который приходится около 90 % всего объема. Помимо него широко применяются сополимеры тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, винилиденфторидом и этиленом, а также такие материалы, как ПВДФ, ПВФ и ПТФХЭ, отличающиеся своими свойствами и областями использования.
Технология получения фторполимеров
Получение первичного сырья
В нашей стране получение фторопласта осуществляется по трехэтапной технологии:
- На первом этапе из полигалогенорганических соединений синтезируют хлордифторметан с использованием реакции Свартса.
- Далее полученное соединение подвергают пиролизу, в результате чего образуется газообразный тетрафторэтилен.
- Завершающей стадией является полимеризация тетрафторэтилена в автоклавах при давлении 40–100 атм и температуре 70–80 °C с участием воды, эмульгаторов, персульфата калия и других вспомогательных компонентов.
После завершения реакции полученную массу подвергают очистке с помощью центрифугирования, фильтрации и промывки, затем тщательно высушивают. В результате получают первичный фторопластовый порошок. Его маркируют в зависимости от размера частиц, например Ф4ПН-20, Ф4ПН-80 и другие аналогичные марки
Производство изделий
Для получения готовых изделий или заготовок (пластин, втулок, стержней) из фторопластового порошка применяют следующие технологии
- прессование с последующим термическим спеканием при температуре около 360–380 °C;
- экструзионное формование, при котором материал выходит из экструдера и одновременно подвергается запеканию.
Экструзия позволяет получать длинные заготовки (до 5 м), тогда как размеры прессованных изделий ограничены габаритами пресс-форм.
Заготовки представляют собой продукцию первичной переработки, которая затем используется в различных отраслях промышленности для изготовления деталей и изделий. Их размеры определяются стандартной номенклатурой или индивидуальными требованиями заказчика. Существует несколько видов заготовок:
- Стержни и диски. Диаметр стержней обычно варьируется от 10 до 300 мм, а длина составляет 500 или 1000 мм. Они используются в атомной, химической промышленности и машиностроении для изготовления антифрикционных и уплотнительных деталей, а также элементов электроизоляции. Производство осуществляется методом прессования с последующим спеканием либо способом экструзии.
- Листы и пластины получают методом холодного прессования с последующим спеканием. Они имеют квадратную или прямоугольную форму, стандартные размеры составляют 500×500 мм и 1000×1000 мм, а толщина варьируется от 1 до 60 мм.
- Фторполимерная пленка. Как правило, такие изделия применяются при изготовлении кабельно-проводниковой продукции. Их ширина может достигать 300 мм, а толщина варьируется от 10 до 100 мм.
- Бруски представляют собой заготовки с длиной от 70 до 300 мм, шириной от 40 до 200 мм и толщиной от 2 до 200 мм.
- Стружка, порошок.
Фторопластовые заготовки в дальнейшем подвергают механической обработке на металлорежущем, фрезерном и шлифовальном оборудовании. В результате из них получают широкий спектр деталей и элементов машин и конструкций — от опорных и конструкционных компонентов до подшипников, уплотнительных прокладок, манжет, изолирующих вкладышей и других изделий.
Области применения фторполимеров
Благодаря совокупности своих характеристик материал широко используется в различных отраслях. Ниже приведены лишь некоторые из них:
Тяжелая промышленность и машиностроение
Фторопласт применяется для изготовления подшипников, поршневых колец, пыльников, сальников и различных уплотнительных элементов (прокладок, манжет). Он используется в узлах трения механизмов, работающих в агрессивных средах, при экстремально высоких или низких температурах, а также в условиях вакуума. Кроме того, фторопласт может входить в состав автомобильных шин.
Химический сектор
Благодаря высокой устойчивости к воздействию агрессивных химических веществ — кислот, щелочей и органических растворителей — фторопласт широко применяется при изготовлении трубопроводов и емкостей для хранения и транспортировки химических реагентов.
Из него также изготавливают детали трубопроводной арматуры и уплотнительные элементы. Кроме того, фторполимер используют для футеровки металлических деталей, что позволяет защищать их от агрессивных сред или снижать трение при скольжении.
Электроника и электротехника
Фторопласт как диэлектрик широко применяется для изоляции проводов, кабелей и высоковольтных линий связи. Он используется при производстве конденсаторов, катушек, печатных плат и СВЧ-устройств, а также для изоляции термостойких проводников (например, марки МГТФ в авиационной технике) и высокочастотных разъемов.
Фармацевтика и медицина
Благодаря биологической инертности, химической стойкости и гидрофобности фторопласт активно применяется в медицине. Из него изготавливают имплантаты, кардиостимуляторы, искусственные клапаны сердца и сосудов, а также хирургические инструменты, шовные и лигатурные материалы, перевязочные средства. В стоматологии он используется для шарнирных элементов протезов, шовных материалов и полимеров для отбеливания зубов. Кроме того, фторопласт применяют для изготовления емкостей для хранения крови и плазмы, а также упаковки лекарственных препаратов.
Пищевая отрасль
Фторопласт-4 является нетоксичным материалом, поэтому его применяют для изготовления посуды с антипригарным покрытием, контейнеров, оборудования для раскатки теста, фильтров и уплотнительных элементов. Кроме того, его используют для футеровки внутренних поверхностей трубопроводов, предназначенных для перекачивания растительных масел, животных жиров и молочной продукции
Легкая промышленность
Волокна на основе фторопласта применяются в производстве спортивной одежды и обуви с водоотталкивающими свойствами. Кроме того, модифицированный фторполимер используют для пропитки изделий из кожи, что придает им гидрофобность и повышает устойчивость к влаге.
Строительная сфера
Фторопласт применяется в строительстве для изготовления скользящих опор в мостах и эстакадах. Кроме того, в сейсмоопасных районах его используют для обеспечения свободного перемещения элементов конструкции зданий при землетрясениях.
Иные области
В текстильной промышленности фторопласт используется при создании высокотехнологичных тканей с водонепроницаемыми, ветрозащитными и грязеотталкивающими свойствами.
В быту фторопласт применяется в антипригарных покрытиях посуды, а также в отдельных бытовых приборах, таких как утюги и парикмахерские щипцы.
Выбор конкретного типа фторопласта и способа его применения определяется необходимыми свойствами материала, условиями эксплуатации и характером решаемой задачи.
Ограничения в использовании фторполимеров
Моменты, ограничивающие применения этого материала, можно разделить на три основные группы: технические, экологические и экономические.
Технические ограничения проявляются в хладотекучести материала (пластическая деформация под давлением даже при температурах значительно ниже точки размягчения), низкой теплопроводности, невысокой износостойкости при механических нагрузках и слабой адгезии к поверхностям других материалов.
Экологические проблемы связаны с образованием значительного количества отходов при производстве изделий из политетрафторэтилена, а также со сложностью их вторичной переработки и утилизации.
Экономический фактор заключается в высокой стоимости материала по сравнению с углеводородными полимерами, что является основным ограничением более широкого практического применения политетрафторэтилена.
Перспективы развития рынка фторполимеров
Применение фторполимеров растет благодаря развитию новых технологий и расширению областей использования. Особый интерес представляют следующие направления:
- Электромобили: фторполимеры применяются в аккумуляторах и других узлах электромобилей.
- Водородная энергетика: используются при создании компонентов топливных элементов и систем хранения водорода.
- 5G-связь: востребованы в высокочастотных кабелях и элементах антенн.
- Альтернативная энергетика: применяются в ветротурбинах и солнечных энергетических установках.
Продолжающиеся исследования и разработки в данной области расширяют перспективы применения фторполимеров, открывая новые возможности их использования и делая их ключевыми материалами будущего технологического прогресса.
Часто задаваемые вопросы о фторполимере
Отличаются ли фторполимеры по химическому составу между собой?
Да. Фторполимеры по химическому строению делят на две группы. Первая — полностью фторированные, в которых цепь состоит только из атомов углерода и фтора. К ним относятся политетрафторэтилен (PTFE, тефлон) и его плавкие сополимеры — фторированный этилен-пропилен (FEP) и перфторалкокси-полимер (PFA). Вторая группа — частично фторированные полимеры, где часть атомов фтора заменена водородом или хлором. Примеры: поливинилиденфторид (PVDF) и этилен-тетрафторэтилен (ETFE).
От чего зависит стоимость фторполимеров?
Стоимость, по которой сегодня можно купить фторполимер, зависит от типа и формы выпуска. Так, цена листовых материалов обычно рассчитывается за килограмм и формируется с учетом марки, размеров, технических характеристик и объема партии. На стоимость также влияет наличие модифицирующих добавок. Наиболее труднодоступным считается порошковый тефлон, поэтому его цена может значительно варьироваться. В целом приобретение материала оптом является более выгодным вариантом.
Какие химические вещества способны повреждать фторопласты?
Фторопласты обладают высокой химической стойкостью, однако могут разрушаться под воздействием расплавленных щелочных металлов (например, натрия и калия), элементарного фтора при высоких температурах, а также некоторых сильных фторирующих агентов, таких как ClF₃.
Можно ли сваривать фторопласты друг с другом?
FEP и PFA хорошо поддаются сварке стандартными методами, применяемыми для полимеров. PTFE, напротив, требует специальных способов соединения — механического крепления или использования специализированных клеев, поскольку прямая сварка для него невозможна из-за его уникальных свойств.
Безопасны ли фторполимерные покрытия для здоровья?
Да, современные фторполимерные покрытия считаются безопасными для контакта с пищевыми продуктами при соблюдении условий эксплуатации. Важно не допускать перегрева покрытия выше примерно 300 °C, так как при таких температурах возможно начало его термического разложения.
Фторполимеры — это не просто материалы, а важнейшие компоненты современных технологий. Их уникальные свойства позволяют решать сложные инженерные задачи и обеспечивать стабильную работу оборудования даже в экстремальных условиях.
Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com
