Политетрафторэтилен (Тефлон)
Политетрафторэтиле́н, или фторопла́ст-4 (−C2F4−)n, также известный под торговой маркой Тефлон — полимер тетрафторэтилена (ПТФЭ), широко применяемый в технике и быту. Этот материал обладает редкими физическими и химическими свойствами — хорошим скольжением и химической инертностью.
Слово «Тефлон» является зарегистрированным товарным знаком компании Chemours (дочерней компании корпорации DuPont). Непатентованное название вещества — «политетрафторэтилен» или «фторополимер». В СССР и России традиционное техническое название этого материала — фторопласт-4.
История
Политетрафторэтилен был случайно синтезирован в джексоновской лаборатории (англ. Jackson Laboratory) в апреле 1938 года 27-летним сотрудником компании Kinetic Chemicals Роем Планкеттом. Компания Kinetic Chemicals была создана DuPont и Frigidaireruen (дочерняя компания General Motors) для разработки хладагентов (фреонов). В процессе исследований Планкетт, оставив баллоны с закачанным в них под высоким давлением тетрафторэтиленом в сухом льду, обнаружил вместо газа в одних баллонах белый парафиноподобный порошок, а в других плёнку — находившийся под давлением тетрафторэтилен полимеризовался при низкой температуре.
Новый материал оказался одним из самых химически инертных твёрдых веществ — первооткрывателю не удалось растворить его в холодной и горячей воде, ацетоне, простых эфирах, кислотах и спиртах, в целом он чрезвычайно устойчив к воздействию агрессивных сред.
Политетрафторэтилен также обладал новыми уникальными на тот момент физическими свойствами — он не обугливается и не плавится под нагретым паяльником, не набухает (не впитывает жидкости), не гниет, не плесневеет, не разрушается под прямыми солнечными лучами. Он также обладает уникальными фрикционными свойствами, это очень скользкий материал.
Технологию промышленного получения политетрафторэтилена Планкетт с коллегами разрабатывали в течение следующего года.
1 июля 1939 года Планкетт подал заявку в патентное ведомство от имени компании Kinetic Chemicals, и в 1941 году был выдан патент №2230654, а в 1945 году DuPont зарегистрировала для него торговую марку «Тефлон». В 1949 году Kinetic Chemicals стала подразделением американской компании DuPont.
Первое практическое применение политетрафторэтилен получил в Манхэттенском проекте. Тефлоновые прокладки были использованы в установке газодиффузного разделения изотопов урана, где прокладки из других материалов оказались проницаемыми для агрессивного тетрафторида урана.
В 1948 году DuPont произвела 900 тонн Тефлона на построенном для этого заводе Washington Works вблизи Паркерсберга в штате Западная Виргиния.
В 1953 году политетрафторэтилен уже широко применялся в промышленном производстве, и DuPont пыталась найти ему бытовое применение.
Когда DuPont проводила тестирование Тефлона для разных применений, французский инженер Марк Грегуар (фр. Marc Gregoire) раздобыл небольшое его количество, намереваясь использовать его в рыболовных снастях (чтобы они меньше запутывались и с целью облегчить их распутывание). Однако его жена попросила у него покрыть этим скользким материалом кухонную сковородку. Результат оказался настолько удачным, что Грегуар запатентовал антипригарную посуду в 1954 и создал завод по её производству в 1956 году. Свою посуду Грегуары назвали «Tefal» — составили название из первых слогов слов Teflon и aluminium.
В дальнейшем политетрафторэтилен нашёл широчайшее применение. Из него делают водопроводные трубы и клапаны, он используется в лаке для ногтей, в тканях (например, его нити содержит гортекс), в кардиостимуляторах, зубных и внутренних протезах, хирургических шовных нитях, в печатных платах, кабелях, космических костюмах и многих других промышленных изделиях.
К 1994 году путём радиоактивного облучения был получен и изучен «сшитый политетрафторэтилен» (cross-linked PTFE). Новый материал обладает устойчивостью к радиации и к воздействию высокой температуры.
Свойства
Физические
Политетрафторэтилен — белое, в тонком слое прозрачное вещество, по виду напоминающее парафин или полиэтилен. Его плотность по ГОСТ 10007-80 от 2,18 до 2,21 г/см3. Он обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остаётся гибким и эластичным при температурах от −70 до +270 °C, это прекрасный изоляционный материал. Он 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.
DuPont указывает температуру начала плавления согласно стандарту ASTM D3418 для разных типов Тефлона от 260 °С до 327 °С.
Химические
Политетрафторэтилен — один из самых химически инертных твёрдых материалов, он устойчив к агрессивным средам — не растворяется в воде, кислотах, ацетоне, спиртах и простых эфирах.
По своей химической стойкости превосходит все известные синтетические материалы и благородные металлы. Разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидом хлора, дифторидом ксенона, трифторидом кобальта.
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 идёт 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.
Применение
Фторполимеры применяют в химической, электротехнической и пищевой промышленности, для производства мембранной одежды, в медицине, в транспортных средствах, в военных целях, в основном в качестве покрытий. Наибольшую известность фторполимеры получили благодаря широкому применению в производстве посуды с противопригарным покрытием.
Промышленность и техника
Из политетрафторэтилена получают штапельное волокно, используемое при производстве нетканых фильтрующих материалов, оно нашло широкое применение в качестве высокотемпературных мешочных фильтров, разных типов теплостойких прокладок, нитей для текстильных тканей, а также в автомобильном оснащении, промышленных фильтрах общего назначения, элементах запорных и регулирующих клапанов, мешалок и насосов, оборудования для фильтрации и разделения.
В авиации, например, из фторопласта изготавливают гибкие металлопластиковые трубопроводы гидросистем, работающие под высоким давлением (более 200 кгс/см2) и с высокой температурой рабочей жидкости.
Из фторопласта марки Ф-4 можно изготовить: ректификационные колонны, насосы, трубы, клапаны, сильфоны, облицовочные плитки, сальниковые набивки. 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 качестве конструкционного материала политетрафторэтилен применяется при изготовлении различных деталей машин. Особенно широкое применение политетрафторэтилен находит при изготовлении подшипников, работающих без смазочного материала, с ограниченным количеством смазочного материала и при наличии коррозионной среды.
Благодаря химической инертности, гидрофобности (контактный угол натекания 108±2°), олеофобности и текучести этот материал получил широкое распространение для уплотнения резьбовых и фланцевых соединений (лента ФУМ).
Тефлоновая ФУМ-лента, применяемая для герметизации резьбовых соединений в сантехнике
Смазочный материал
Фторопласт-4 — 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 нагрузки в десятки килограмм-сил на квадратный миллиметр и состоит из металлической основы, на которую нанесено фторопластовое покрытие. Также используется как антифрикционный присадочный материал (твёрдый смазочный материал) улучшающий свойства скольжения базовых полимеров например полиэфирэфиркетона (англ. PEEK) или полифениленсульфида (англ. PPS) и позволяющий получить «подшипниковую» композицию обладающую высокой прочностью, износостойкотью, стойкостью к ползучести и хорошими антифрикционными свойствами.
Известны смазочные материалы с введённым в их состав мелкодисперсным фторопластом. Их отличает то, что наполнитель, оседая на трущихся металлических поверхностях, позволяет в ряде случаев некоторое время работать механизмам с полностью отказавшей системой подачи смазки, только за счёт антифрикционных свойств фторопласта.
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 сердечно-сосудистой и общей хирургии, стоматологии, офтальмологии. Тефлон считается наиболее пригодным материалом для производства искусственных кровеносных сосудов и сердечных стимуляторов.
В стоматологии нерезорбируемые мембраны из ПТФЭ с усилением титановым каркасом или без последнего, используются при методиках направленной костной регенерации (НКР). Также существует шовный материал из ПТФЭ.
В 2011 году впервые применён для пластики повреждённых носовой перегородки и стенок околоносовых пазух вместо титановых сеток. Через 12—15 месяцев имплантат полностью растворяется и замещается собственной тканью пациента.
Из-за низкого трения и несмачиваемости насекомые не способны ползти по тефлоновой стене. В частности, тефлоновая защита применяется при содержании нелетающих насекомых, чтобы они не смогли вылезти наружу
Пищевая промышленность и быт
Благодаря низкой адгезии, несмачиваемости и теплостойкости политетрафторэтилена покрытия из него широко применяется при изготовлении экструзионных форм и форм для выпечки, а также сковород и кастрюль.
Тефлон также используется в производстве других бытовых приборов. На лезвия бритв наносят тончайшую плёнку этого полимера, что значительно продлевает срок их службы и облегчает бритьё
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 порошков, а также избегать её перегрева выше 300°C.
Одежда
В производстве современной высокотехнологичной одежды применяются мембранные материалы на основе экспандированного политетрафторэтилена.
Путём физической деформации политетрафторэтилена получается тонкая пористая плёнка, которая наносится на ткани и используется при пошиве одежды. Такие мембранные материалы, в зависимости от особенностей их изготовления, могут обладать как ветрозащитными, так и водоизоляционными свойствами, при этом нормированный размер пор мембраны из политетрафторэтилена позволяет материалу эффективно пропускать испарения тела человека.
Другие изделия
Изделия, в производстве которых используется тефлон:
- обогревательные лампы;
- переносные обогревательные приборы (электрогрелки);
- пластины утюгов;
- покрытия гладильных досок;
- конфорки плит;
- противни;
- электрогрили;
- приборы для изготовления попкорна;
- кофейники;
- скалки (с противоналипающим покрытием);
- машины для выпечки хлеба;
- поддоны под вертел или решётку;
- формочки для мороженого;
- унитазы c тефлоновым покрытием;
- кипятильники;
- штопоры;
- поверхности кухонных плит;
- кухонная утварь;
- кастрюли и сковороды для жарки;
- воки (китайские кастрюли для жарки овощей и мяса);
- формы для выпекания;
- пресс для горячих бутербродов;
- вафельницы;
- оптические криостаты;
- бритвенные лезвия;
- внутренние покрытия стволов танков;
- электроракетные двигатели;
- лакокрасочные материалы;
- уплотнения шарнирно-сочленённых механизмов (шарниров).
