Меню
Главная
Случайная статья
Настройки
|
Политетрафторэтилен, или фторопласт-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. Негативное влияние тефлона на здоровье является предметом современных исследований (подробнее в разделе Опасность политетрафторэтилена).
Содержание
История
Политетрафторэтилен был случайно синтезирован в джексоновской лаборатории (англ. Jackson Laboratory) в апреле 1938 года 27-летним сотрудником компании Kinetic Chemicals Роем Планкеттом[1][2]. Компания Kinetic Chemicals была создана DuPont и Frigidaire[англ.] (дочерняя компания General Motors) для разработки хладагентов (фреонов)[1]. 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[1][2].
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[3], в целом он чрезвычайно устойчив к воздействию агрессивных сред[1].
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[3]. Он также обладает уникальными фрикционными свойствами, это очень скользкий материал[1].
Технологию промышленного получения политетрафторэтилена Планкетт с коллегами разрабатывали в течение следующего года[1].
1 июля 1939 года Планкетт подал заявку в патентное ведомство[вд] от имени компании Kinetic Chemicals, и в 1941 году был выдан патент № 2230654[3], а в 1945 году DuPont зарегистрировала для него торговую марку «Тефлон»[4]. В 1949 году Kinetic Chemicals стала подразделением американской компании DuPont[5].
Первое практическое применение политетрафторэтилен получил в Манхэттенском проекте[3]. Тефлоновые прокладки были использованы в установке газодиффузного разделения изотопов урана, где прокладки из других материалов оказались проницаемыми для агрессивного тетрафторида урана[6].
В 1948 году DuPont произвела 900 тонн Тефлона на построенном для этого заводе Washington Works вблизи Паркерсберга в штате Западная Виргиния[6].
В 1953 году политетрафторэтилен уже широко применялся в промышленном производстве, и DuPont пыталась найти ему бытовое применение[3].
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[7]). 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[3]. Свою посуду Грегуары назвали «Tefal» — составили название из первых слогов слов Teflon и aluminium[7].
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[6].
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[8].
Свойства
Физические
Политетрафторэтилен — белое, в тонком слое прозрачное вещество, по виду напоминающее парафин или полиэтилен. Его плотность составляет от 2,18 до 2,21 г/см3[9]. Он обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остаётся гибким и эластичным при температурах от 70 до +270 °C, это прекрасный изоляционный материал. Также он обладает очень низкими поверхностным натяжением и адгезией[10] 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[10].
DuPont указывает температуру начала плавления согласно стандарту ASTM D3418 для разных типов Тефлона от 260 °С до 327 °С[11].
Химические
Политетрафторэтилен — один из самых химически инертных твёрдых материалов, он устойчив к агрессивным средам — не растворяется в воде, кислотах, ацетоне, спиртах и простых эфирах[1][3].
По своей химической стойкости превосходит все известные синтетические материалы и благородные металлы. Разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидом хлора, дифторидом ксенона, трифторидом кобальта[12].
Производство
Производство политетрафторэтилена включает в себя три стадии: на первой стадии получают дифторхлорметан заменой атомов хлора на фтор в присутствии соединений сурьмы (реакция Свартса) между трихлорметаном (хлороформом) и безводным фтористым водородом; на второй стадии получают тетрафторэтилен пиролизом дифторхлорметана; на третьей стадии осуществляют полимеризацию тетрафторэтилена[13][14].
Изделия из ф-4 производятся способом холодного прессования с последующим запеканием при температуре 365±5 °C[15].
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[16].
Промышленность и техника
Из политетрафторэтилена получают штапельное волокно, используемое при производстве нетканых фильтрующих материалов[17]
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[15].
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)[18].
Фторопласт-4 — антифрикционный материал[19] 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[20].
Медицина
Благодаря биологической совместимости с организмом человека политетрафторэтилен с успехом применяется для изготовления имплантатов для сердечно-сосудистой и общей хирургии, стоматологии, офтальмологии[21]. Тефлон считается наиболее пригодным материалом для производства искусственных кровеносных сосудов[22] 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[23].
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[24].
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[25].
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[26].
Другие изделия
|
|