Фторопласт: технология производства сырья и получение готовых изделий

Фторопласт: технология производства сырья и получение готовых изделий

Фторопласт, известный также как тефлон или ПТФЭ (PTFE) – политетрафторэтилен, открыл американский химик Р. Планкетт в 1938 году. Уникальные эксплуатационные свойства нового полимера оценили сразу, но данные о способах его получения долгое время были засекречены. Материал производили только на предприятиях Du Pont, в основном для нужд оборонной промышленности. В России полимер начали разрабатывать и впервые синтезировали в 1947 году, в ленинградском НИИПП. Как и из чего получают фторопласт сегодня? Ознакомимся с технологией производства этого необычного полимера с уникальными свойствами и широким применением.

Особенности и типы фторопласта

Фторопласт – полимер из молекул углеводорода, содержащего в своем составе атомы фтора. Его стабильность и химическая инертность, сравнимая со свойствами драгоценных металлов, обусловлена прочным соединением между атомами фтора и углерода в молекулах мономеров. В каждом углеводородном звене полимерной цепочки может быть от одного до четырех атомов фтора, которые замещают собой водород. В зависимости от количества фтора, расположения его атомов, наличия в составе других галогенов, меняются физико-химические свойства полимера. Также на характеристики материала влияет пространственное расположение полимерной цепочки, связи между мономерами и другие факторы.

Таким образом, фторопласты – это целая группа разных типов полимера. Сейчас в производстве используют более 25 марок, а самыми популярными являются четыре модификации:

1. Фторопласт-4 (Ф4, ПТФЭ) – полимер из этилена с 4 атомами фтора. У него самая высокая плотность и скользкость.
2. Ф3 (политрифторхлорэтилен), в котором мономером является этилен с тремя атомами фтора и одним атомом хлора. Отличается высокой устойчивостью к холодной текучести и улучшенными механическими характеристиками.
3. Ф2 (поливинилиденфторид) – полимеризованный винил с атомами фтора. Обладает самой высокой химической устойчивостью (к маслам, смазкам, нефтепродуктам, щелочам, органическим окислителям), а также стойкостью к воздействию ионизирующего облучения.
4. Сополимеры первых трех типов в разных сочетаниях и соотношениях, обычно с добавлением пропилена.

Эти типы фторопласта объединяет низкий коэффициент трения, но они различаются по температуре эксплуатации, степени инертности к щелочам и кислотам, удельному весу, электропроводности, теплопроводности и пр. Разные материалы используют в разных отраслях производства и науки.

Самый популярный из группы – фторопласт-4. Именно его производят в наибольших объемах и называют тефлоном (под таким названием он изначально запатентован в США). Сейчас в производстве есть несколько марок фторопласта-4. Основное различие между ними – длина полимерной цепи, с увеличением которой растет и плотность материала. Также фторопласт модифицируют путем добавления в чистый полимер различных добавок – кокса, дисульфита молибдена, кобальта, стекловолокна, углеволокна.

Производство первичного сырья

В России применяется трехэтапный способ получения фторопласта:

1. Синтез хлордифторметана из полигалогеноорганических соединений (реакция Свартса).
2. Преобразование хлордифторметана в газообразный тетрафторэтилен путем пиролиза.
3. Полимеризация тетрафторэтилена в автоклавах под давлением 40–100 атм и при температуре 70–80 °С, в присутствии дистиллированной воды, эмульгаторов, персульфата калия и других вспомогательных веществ. Массу после реакции очищают центрифугированием, фильтрованием и промыванием, а затем высушивают. В результате получают первичный сырьевой фторопласт в виде порошка.

Порошок маркируется в зависимости от размеров частиц (Ф4ПН-20, Ф4ПН-80 и пр.). К маркировке модифицированного фторопласта добавляют букву «М» и цифровое обозначение количества добавки по отношению к количеству самого ПТФЭ.

Сейчас наиболее дешевыми и отработанными являются технологии производства фторопластов Ф4 и Ф3 и их разновидностей (Ф-4Д, Ф-30Л, Ф-30). Синтез фторопласта-2 и фторопласта-1 (поливинилфторид) более затратный, так как использует уже несколько устаревшие подходы.

Изготовление фторопластовых изделий

Чтобы из порошка получить готовые изделия или заготовки (пластины, втулки, стержни), используют:

• метод прессования с термической обработкой (запеканием при 360-380 °С);
• экструзию с запеканием массы при выходе из экструдера.

Экструзионный способ позволяет производить более длинные заготовки (до 5 м), тогда как размеры прессованных изделий ограничены размерами пресс-форм.

Фторопластовые заготовки в дальнейшем обрабатывают механически (на металлорежущем, фрезеровочном, шлифовальном оборудовании). Таким образом изготавливают разнообразные детали и элементы машин, механизмов конструкций – от конструкционных и опорных элементов до подшипников, уплотнительных прокладок, манжет, изолирующих вкладышей и пр.

Применение

Готовые изделия из фторопласта широко применяются в разных отраслях промышленности – нефтеперерабатывающей, химической, фармацевтической, пищевой, в машиностроении, в энергетике и системах теплоснабжения. Такая популярность материала обусловлена его уникальными эксплуатационными характеристиками – тепло- и морозостойкостью, химической инертностью, диэлектрическими свойствами, безопасностью и экологичностью, высокой устойчивостью к истиранию и способностью работать без смазок. Во многих случаях детали из фторопласта заменяют уже привычную резину, силикон, паронит и некоторые конструкционные пластики. И хотя фторопластовые элементы стоят дороже, они многократно окупаются благодаря длительному сроку службы.