Этот скользкий тип – Тефлон

Этот удивительный пластик с уникальными свойствами был открыт совершенно случайно. В начале 1930-х годов компания General Motors (GM) разработала семейство веществ – хлорфторуглеродов, названных фреонами.

Одно из подразделений GM – фирма Frigidaire, выпускавшая холодильное оборудование, хотела использовать фреон как хладагент вместо менее эффективных и к тому же токсичных аммиака и диоксида серы. Для дальнейшей разработки GM обратилась в известный химический концерн DuPont, что привело к созданию совместного предприятия – Kinetic Chemicals. В его лабораториях был создан бестселлер тех времен – фреон-114 (тетрафтордихлорэтан), который эксклюзивно поставлялся Frigidaire. В конце 1930-х DuPont начал поиски столь же эффективного хладагента, который можно было бы продавать другим производителям холодильного оборудования.

27-летний Рой Планкетт был одним из ученых-химиков, работавших над новым перспективным хлорфторуглеродом. Чтобы синтезировать его из соляной кислоты и газообразного тетрафторэтилена (ТФЭ), Планкетт и его помощник Джек Ребок заранее приготовили около 50 кг ТФЭ, закачанного под давлением в небольшие баллоны. Чтобы баллоны не взорвались, их хранили в контейнерах с твердой углекислотой – «сухим льдом». 6 апреля 1938 года Планкетт подсоединил один из баллонов к реакционной установке, открыл вентиль, но... ничего не произошло. Тщательный осмотр показал, что вентиль вполне работоспособен. Утечка газа? Но, взвесив баллон, Планкет и Ребок установили, что газ по-прежнему находится внутри. С величайшими предосторожностями они отвинтили вентиль и с удивлением обнаружили, что баллон наполнен белым порошком. Вскрыв еще несколько баллонов, исследователи увидели, что их стенки изнутри покрыты парафиноподобным веществом: уникальная комбинация условий (высокое давление и низкая температура) заставила газ полимеризоваться, образовав политетрафторэтилен, позднее названный Teflon. Впоследствии оказалось, что тефлон обладает уникальными фрикционными свойствами (то есть отлично скользит) и чрезвычайно химически устойчив к воздействию агрессивных сред. На разработку технологии его получения понадобился год: 1 июля 1939 года была подана патентная заявка.

Политетрафторэтилен или ПТФЕ состоит из углеродной основной цепи, а к каждому атому углерода присоединено по два атома фтора. Как и у других галогенов, на внешней оболочке атома фтора 7 электронов: для создания устойчивой электронной конфигурации – октета – не хватает лишь одного. И этот электрон атом фтора «отбирает» у любых веществ, даже у кислорода, других галогенов. У них, как и у фтора, по 7 электронов на последней оболочке, но расположена она дальше от ядра, и от того ядро слабее притягивает валентные электроны. Поэтому и йод, и бром, и даже хлор иногда могут проявлять положительную степень окисления, а фтор – очень редко. Фтор реагирует почти со всеми простыми веществами, кроме гелия, аргона, неона, азота и углерода (в виде алмаза). Однако, будучи связанным в молекулу политетрафторэтилена, «любит» оставаться настолько далеко от других молекул, насколько это вообще возможно. По этой причине молекулы на поверхности куска тефлона будут отталкивать молекулы почти всего, чего угодно, что только попытается к этой поверхности приблизиться. Вот почему к тефлону ничего не прилипает, и он кажется таким скользким.

Коэффициент трения ПТФЕ по стали 0,08 – 0,2.

Для справки:
Бронза по стали 0,18.
Сталь по дубу с тальком 0,11.
Кирпич по кирпичу 0,5 – 0,7.

Тефлон (фторопласт – 4, суспензионный политетрафторэтилен, Ф-4, ПТФЕ) является идеальным материалом для работы с высоко агрессивными или особо чистыми концентрированными кислотами, щелочами, сильными окислителями, восстановителями и растворителями, когда нужны материалы с большой химической стойкостью, высокой термостойкостью, обладающие биологической инертностью и низкими адгезионными свойствами. Изделия из Ф-4 могут быть использованы для защиты различных аппаратов от коррозии, для придания антиадгезионных или антифрикционных свойств поверхностям деталей различных машин в химической промышленности, радиотехнике, ракетостроении, авиации, полупроводниковой промышленности, медицине для изготовления трансплантатов, фармакологии, биологии, а также в ряде других областей техники и народного хозяйства. Ф-4 не взрывоопасен и не горюч, работоспособен в широком интервале температур (от –269 до +260 °С), обладает высокими гидрофобными и диэлектрическими свойствами.

Твердость по Бринеллю: 29.4 – 39.2.
Плотность материала: от 2190 до 2210 г/м³.

Введение различных наполнителей в состав ПТФЕ значительно повышает износостойкость, твердость, теплопроводность, механическую прочность, снижает разрушающие напряжение при растяжении, относительное удлинение при разрыве, увеличивает модуль упругости (особенно добавка дисульфида молибдена), прочность на сжатие.
Наибольшей износостойкостью отличаются композиции фторопласта с молотым коксом, искусственным графитом, дисульфидом молибдена, бронзой, стеклом.
Введение графита используют в тех случаях, когда надо повысить механическую прочность и сохранить стойкость.
Введение бронзы повышает теплопроводность, твердость, стабильность размеров, в 450 раз увеличивает износостойкость композиции.
Введение дисульфида молибдена (МоS₂) увеличивает твердость и прочность, снижает коэффициент трения. Композиции со стекловолокном и 5% МoS₂ используют для получения деталей, работающих в условиях глубокого вакуума, сухого и влажного воздуха и газов.
Введение стекловолокна повышает износостойкость, уменьшает хладотекучесть.
Внедрение углерода и углеродного волокна повышают износостойкость, твердость и удельную теплопроводность, сопротивление ползучести. Добавление волокна снижает деформацию при нагрузке, повышает модуль упругости при сжатии и модуль пластичности.

Электротехническая промышленность и машиностроение потребляют основную долю фторполимеров. В США до 50% ПТФЕ идет на электротехнические нужды, причем 80% из них расходуется на изоляцию проводов и кабелей.
Провода и кабели с изоляцией из ПТФЕ можно эксплуатировать при температурах до 260 °С, а кратковременно – и при более высоких температурах. Такие провода незаменимы при использовании в космической технике. Кроме того, ПТФЕ широко применяется в электротехнике для получения различных деталей, соединительных устройств, фольгированных диэлектриков (для изготовления печатных плат), изолирующих элементов, уплотнений выводов, для монтажа проводов, нагревательных элементов и других многочисленных назначений. В электротехнической промышленности в основном используются водные дисперсии ПТФЕ.

Широкое применение ПТФЕ в машиностроении обусловлено, прежде всего, двумя уникальными свойствами: низким коэффициентом трения и отсутствием налипания других материалов, включая и адгезивы, к поверхности изделий из ПТФЕ. Немаловажное значение имеют для этой области такие свойства ПТФЕ, как высокая теплостойкость, возможность применения при криогенных температурах, стойкость к агрессивным средам и долговечность. Наибольшее количество ПТФЕ в машиностроении расходуется на производство уплотнителей и поршневых колец.

Композиционные материалы на основе ПТФЕ применяют для изготовления:

• подшипников и уплотнительных колец прядильных и красильных машин, оборудования для пищевой промышленности, физико-химических приборов, автомобилей;
• прокладок гидравлических систем, сальниковых набивок станков, автомобилей, механических устройств, компрессоров; направляющих сборочных конвейеров и загрузочных автоматов, оборудования для переработки продуктов;
• направляющих тросов автомобилей, промышленных и строительных машин;
• скользящих опор многоэтажных конструкций мостов, железных дорог, машин;
• дисков сцепления для точных механизмов;
• деталей системы управления самолетом, системы реверсивного устройства двигателя.

Царская водка, смесь концентрированных соляной и азотной кислот в пропорции 3:1, растворяет почти все металлы, в том числе золото и платину. А на фторпласт-4 она практически не действует. За необычайную химическую стойкость это белое легкое вещество иногда называют пластмассовой платиной.

В химической промышленности использование ПТФЕ естественно обусловлено непревзойденной стойкостью к подавляющему большинству агрессивных сред и материалов, а также большим диапазоном рабочих температур. Они могут эксплуатироваться в контакте с любыми кислотами, щелочами (рН 0-14), растворителями, сильными окислителями (включая кислород). Особую ценность имеют такие свойства, как отсутствие налипания любых химических продуктов к ПТФЕ и прекрасные фрикционные свойства.

Широкое применение находят волокна и ткани из ПТФЕ, используемые в качестве химически стойких фильтровальных элементов, антифрикционных деталей в автомобилестроении и машиностроении. Биологическая инертность ПТФЕ позволяет широко применять его не только в медицинских приборах, но и при трансплантации внутренних органов человека. Известно применение ПТФЕ для изготовления протезов кровеносных сосудов, элементов искусственных клапанов сердца и искусственного сердца.

ХИМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПТФЕ

Данные в таблице указаны для температуры до 100 °С.

Материалы из ПТФЕ не применяются в средах:

• растворы и расплавы щелочных металлов;
• трехфтористый хлор;
• атомарный фтор.

ПТФЕ можно использовать в качестве противопригорающих и противоналипающих покрытий на посуду и элементы установок для приготовления пищевых продуктов. Более половины производимых алюминиевых сковород покрыты ПТФЕ. Пятидесятилетний опыт эксплуатации посуды с такими покрытиями и токсикологические исследования в ряде стран подтвердили безопасность применения этой посуды, а также ее несравненные преимущества в сравнении с обычной.

Наиболее распространенные торговые названия ПТФЕ:

• Фторопласт – Россия, СНГ;
• Тефлон, Галон (TEFLON, GALON) – США;
• Полифлон (POLYFLON) – Япония;
• Гостафлон TФ (HOSTAFLON TF) – Германия;
• Флуон (FLUON) – Англия;
• Гафлон, Сорефлон (GAFLON, SOREFLON) – Франция;
• Алгофлон (ALGOFLON F) – Италия.