Фторопласты
Фторопласты - это общее название для группы фторсодержащих полимеров, в которых атомы водорода в углеводородной цепи частично или полностью заменены на фтор. Фторопласты имеют большое количество разновидностей, отличающихся по химическим формулам и свойствам:
- PTFE, политетрафторэтилен или фторопласт-4 - самый известный и применяемый фторопласт в мире. PTFE это линейный и полностью фторированный полимер, именно это обеспечивает его химическую инертность (устойчивость к кислотам, щелочам, растворителям, кроме расплавов щелочных металлов). Имеет один из самых больших температурных диапазонов среди фторопластов от -200°C до +260°C (кратковременно до +320°C). В его свойства также входит: низкий коэффициент трения (0.04-0.1), биосовместимость и гидрофобность, а еще он не плавится при нагревании и требует спекания.
- PCTFE, полихлортрифторэтилен, фторопласт-3 - это сополимер тетрафторэтилена и хлортрифторэтилена, он является более жестким и прочным чем PTFE. Однако его температурный диапазон значительно ниже, PCTFE остается стойким только до +175°C. Также он обладает низкой газопроницаемостью, поэтому используется в вакуумных системах.
- PVDF, поливинилиденфторид, фторопласт-2 - полимер, содержащий чередующиеся звенья CH2 и CF2 в формуле. Фторопласт-2 сочетает в себе гибкость и устойчивость к радиации и УФ-излучению, растворителям. Его температурная стойкость до +150°C.
- FEP, фторэтиленпропилен или фторопласт-40 - это сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена. Обладает относительно высокой температурной стойкостью до +200°C. Уникален своей плавкостью, благодаря чему является пригодным для литья и экструзии. Также фторопласт-40 прозрачен и гибок.
- PFA, перфторалкоксиполимер является сополимером тетрафторэтилена и перфторпропилового эфира, а также считается аналогом PTFE с улучшенной текучестью. Его температурная стойкость самая высокая, до +260°C, его химическая стойкость так же хороша, как у PTFE. Уникален легкостью формирования (литье под давлением).
- ETFE, этилен-тетрафторэтилен - это сополимер этилена и тетрафторэтилена. ETFE очень прочный (в 4 раза прочнее PTFE), а также устойчив к УФ-излучению и прозрачен (до 95%). Температурная стойкость до +180°C.
- Терполимер THV - сополимер тетрафторэтилена, гексафторэтилена и винилиденфторида. Гибкий при низких температурах (до -60°C), устойчив к топливам, маслам и УФ-излучению.
История разработки и коммерческого применения
Обратимся к истории: в 1938 американский химик Рой Планкетт из компании DuPont случайно обнаружил, что закаченный в баллоны тетрафторэтилен полимеризовался в белый порошок - PTFE. В 1941 году PTFE запатентован под названием Teflon. Говоря про нашу страну, советские ученые в 1950-х разработали аналог PTFE - фторопласт-4. Первым производителем фторопластов в СССР стал завод "Галоген" (Пермь), а крупнейшим центром производства стал Кирово-Чепецкий химкомбинат. Создание разновидностей сополимеров пришлось на 1960-2000-е: 1960-е - DuPont запустил FEP и PFA. 1970-е - появление PVDF во Франции для химической и электронной промышленности. 1980-е - разработка ETFE для куполов и теплиц, и наконец в 2000-х - внедрение THV для медицины и авиации.
Технология производства:
Для синтеза PTFE проводят полимеризацию тетрафторэтилена под высоким давлением с катализаторами. Формирование для разных видов фторопластов различно, в зависимости от их свойств: спекание используется для PTFE - порошок прессуют и нагревают до 360-380°C; для FEP и PFA проводят экструзию из-за их плавкости; литье под давлением применимо для PVDF и ETFE. Могут быть использованы модификации, такие как - наполнение углеродом или керамикой для улучшения механических свойств или плазменная обработка для повышения адгезии.
Применение фторопластов во многом зависит от их разновидности:
PTFE используется в антипригарных покрытиях, уплотнениях и прокладках в химической промышленности, изоляции проводов.
PCTFE применяется для клапанов, мембран в агрессивных средах, в упаковках для лекарств (благодаря барьерным свойствам), именно он использовался в оболочках первых американских спутников.
PVDF используется в трубах для химической промышленности, в электронных датчиках и мембранах для фильтрации воды.
FEP применим для лабораторной посуды, оболочках кабелей для экстремальных условий, защитных покрытиях от коррозии.
PFA в химической аппаратуре, полупроводниковом производстве.
ETFE зачастую используется в архитектуре благодаря своей прозрачности и гибкости (купола стадионов и др.), а также в солнечных панелях.
THV для топливных шлангов в авиации и медицинских трубках.
PCTFE применяется для клапанов, мембран в агрессивных средах, в упаковках для лекарств (благодаря барьерным свойствам), именно он использовался в оболочках первых американских спутников.
PVDF используется в трубах для химической промышленности, в электронных датчиках и мембранах для фильтрации воды.
FEP применим для лабораторной посуды, оболочках кабелей для экстремальных условий, защитных покрытиях от коррозии.
PFA в химической аппаратуре, полупроводниковом производстве.
ETFE зачастую используется в архитектуре благодаря своей прозрачности и гибкости (купола стадионов и др.), а также в солнечных панелях.
THV для топливных шлангов в авиации и медицинских трубках.
Основные производители в России и мире:
В нашей стране Кирово-Чепецкий химкомбинат все так же крупнейший центр производства фторопласта, завод "Галоген" в Перми занимается выпуском фторопластов для медицины и электроники, а НИИПЛАСТполимер в Москве разработкой композитных материалов на основе PTFE.
Мировыми лидерами являются американский DuPont (PTFE, FEP, PFA) и 3M (модифицированные полимеры), японский Daikin и бельгийский Solvay (ECTFE).
Мировыми лидерами являются американский DuPont (PTFE, FEP, PFA) и 3M (модифицированные полимеры), японский Daikin и бельгийский Solvay (ECTFE).
Современные инновации, связанные с производством фторопластов:
- Отказ от перфтороктановой кислоты в составе PTFE в 2015 году, это связано с риском онкозаболеваний.
- Сверхтонкие пленки PTFE разработаны для мембран в топливных элементах.
- Для медицинских имплантов созданы биосовместимые покрытия на основе PVDF.
- Керамические покрытия стойкостью до +450°C и силиконы для гибких уплотнений.
- Внедрение наночастиц для улучшения износостойкости.
Подводя итоги, фторопласты прошли значительную эволюцию от случайного открытия до ключевых материалов в высокотехнологичных отраслях. Их разновидности решают всевозможные задачи - от защиты космических аппаратов до создания прозрачных куполов стадионов. Фторопласты - уникальны и незаменимы, их применение только расширяется благодаря новым модификациям и производственным методам.