Фторопласты: понятие, свойства, получение, применение

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального  образования

«Казанский национальный исследовательский технический  университет

Им. А. Н. Туполева - КАИ» (КНИТУ-КАИ)

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

по теме

Фторопласты, получение, свойства, применение.

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы №1375

Воробьев Иван Андреевич

Проверил: доцент, канд.хим.наук

Сударев Ю.И.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань – 2013

Содержание

 

1 Общая характеристика фторопластов 2 Свойства основных разновидностей  фторопластов Библиографический список

3 5 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общая характеристика  фторопластов

Благодаря наличию в своей  структуре большого количества атомов фтора, фторопласты отличаются очень  высокой химической, радиационной и  коррозионной стойкостью, а также  обладают отличной атмосферостойкостью, теплостойкостью и морозостойкостью. Фторопласты негорючи или самозатухают при возгорании. Эти полимерные материалы имеют низкий коэффициент трения, очень низкое водопоглощение и газопроницаемость, хорошие диэлектрические характеристики и высокую электрическую прочность. Фторопласты плохо растворимы или вообще нерастворимы во многих органических растворителях. Так, например, фторопласт-4 стоек ко всем кислотам, нефтепродуктам, щелочам в интервале температур от -269 °С до +260 °С, за что удостоился названия «пластиковая платина». На него оказывают воздействие только расплавы щелочных металлов, растворы щелочных металлов в аммиаке, трехфтористый хлор и элементарный фтор при высоких температурах. Фторопласт-3 растворяется только мезитилене и 2,5-дихлорбензотрифториде. Фторопласт-2 – в диметилсульфоксиде, диметилформамиде, кетонах. Фторопласт-42 – в кетонах и сложных эфирах. Некоторые марки термопластичных фторполимеров, например, фторопласт-42 благодаря способности к растворению используются для приготовления различных лаков, волокон, фильтровальных материалов, защитных и антикоррозийных покрытий.

Фторопластами в России называют гамму фторсодержащих полимеров, на основе которых разработана широкая  группа пластмасс, обладающих рядом  весьма полезных свойств. К ним относятся  высокие тепло- и термостойкость, негорючесть, химическая и коррозионная стойкость. Они, как правило, сохраняют высокие электроизоляционные характеристики в интервале температур -200. ..+260 °С.

Фторопласты имеют самый  низкий среди пластмасс коэффициент  сухого трения.

Из фторсодержащих полимеров  наибольшее техническое значение имеет:

-политетрафторэтилен (PTFE, Teflon , Fluon G, Algoflon F, Hostaflon TF , Polyflon M, ПТФЭ или Фторопласт-4),

-политрихлорфторэтилен (Dyflon, KEL-F, Voltalef , Neoflon CTFE, ПТФХЭ или Фторопласт-3),

-поливинилиденфторид (PVDF, Kynar , Solef , Neoflon VDF, ПВДФ или Фторопласт-2)

-сополимер тетрафторэтилена  с этиленом (Tefzel , Hostaflon ET, Neoflon ETFE, Фторопласт-40).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Свойства основных разновидностей фторопластов

Фторопласт-40 обладает повышенной радиационной стойкостью, а фторопласт-4МБ, отличаются значительно меньшей  проницаемостью по отношению к жидкостям  и газам по сравнению с фторопластом-4.

Среди термопластичных фторполимеров есть твердые конструкционные материалы и полимеры, приближающиеся по свойствам к пластикам и эластомерам. Для достижения эластичности уменьшают жесткость полимерных молекул, что делает их более гибкими, и осуществляют вулканизацию. Материалы с такими свойствами получают с помощью сополимеризации. Чаще всего используют 1,1-дифторэтилен (винилиденфторид) с трифторхлорэтиленом или перфторпропиленом в соотношении, близком к 1:1. Вулканизацию этих фторэластомеров осуществляют обработкой их органическими перекисями или полиаминами. Получаемые резины устойчивы к действию агрессивных веществ, например, азотной кислоты, тогда как обычная резина разрушается при этом за несколько минут. Фторопластовые эластомеры также обладают высокой бензо- и маслостойкостью.

Наибольшее практическое применение среди фторполимеров получил фторопласт-4 из-за своей исключительной химической инертности по отношению практически ко всем агрессивным средам и уникальных антифрикционных характеристик.

Фторопласт-4 – кристаллический  полимер, с температурой плавления  кристаллитов 327 °С и температурой стеклования аморфных участков от -100 до -120 °С. Даже при температуре выше температуры разложения (415 °С) фторопласт-4 не переходит в вязкотекучее состояние, поэтому переработка его возможна только методом спекания отпрессованных таблеток. В зависимости от скорости охлаждения (до температуры ниже 250 °С) после спекания можно получить закаленные изделия со степенью кристалличности около 50 % и плотностью примерно 2,15 г/см3 или незакаленные со степенью кристалличности более 65 % плотностью выше 2,20 г/см3. При температуре эксплуатации и от -269 °С до +260 °С степень кристалличности, достигнутая при данном режиме охлаждения, не меняется, при температуре выше 260 °С степень кристалличности постепенно увеличивается, особенно быстро она вырастает при 310-315 °С. При 327°С кристаллиты фторопласта-4 плавятся, и он становится полностью аморфным, совершенно прозрачным (при отсутствии пористости), высокоэластичным, но не течет. Объем возрастает на 20%. Точка плавления зависит от внешнего давления – на каждую атмосферу повышается на 0,154 °С. При остывании расплава ниже 327 °С образец мутнеет и становится непрозрачным – молочно-белым. Скорость кристаллизации зависит от температуры (максимальная скорость при 310-315 °С), от продолжительности выдержки в расплавленном состоянии (чем больше время спекания, тем быстрее кристаллизуется образец) и от среднего молекулярного веса полимера (чем ниже молекулярный вес полимера, тем быстрее он кристаллизуется).

Фторопласт-4 является самым  стойким из всех известных материалов. Не разлагается под действием  кислот, окислителей, щелочей, растворителей. На него действуют только расплавленные  щелочные металлы и их комплексные  соединения с аммиаком, нафталином, пиридином, а также трехфтористых  хлор и элементный фтор при повышенных температурах. При температурах выше 327 °С фторопласт-4 набухает в жидких фторуглеродах, например в перфторкеросине. При 20 °С фторопласт-4 слегка набухает (3-9%) в фторхлорсодержащих газах (фреонах). Выше 350 °С фторопласт-4 реагирует с щелочеземельными металлами и их соединениями (окислами и карбонатами), а также с окислами некоторых других металлов (свинца, кадмия, меди).

Фторопласт-4 не смачивается  водой при кратковременном погружении, но смачивается при длительном пребывании в дистиллированной воде (15-20 суток). В соленой воде (например, морской) на поверхности фторопласта-4 через 15-20 суток отлагается пленка солей, смываемая дистиллированной водой.

Водопоглощение за 24 часа (и более продолжительное время) – ниже ошибки взвешивания (0,00%).

Фторопласт-4 абсолютно стоек  в тропических условиях и не подвержен действию грибков (но и не подавляет их развитие).

Влагопроницаемость при 20 °С равна 3·10-9-6·10-9 г/(см·ч·мм рт. ст.). Паропроницаемость при 20 °С составляет 0,6·10-9-1,2·10-9 г/(см·ч·мм рт. ст.).

Основные характеристики фторопласта-4 в соответствии с ГОСТ 10007-80.

Плотность: 2,18-2,21 г/см3.

Насыпная плотность: 350-600 кг/м3. 

Массовая доля влаги: не более 0,02 %.

Прочность при разрыве  незакаленного образца: не менее 23-27 МПа (для марки Т – 15 МПа).

Относительное удлинение  при разрыве незакаленного образца: не менее 350 % (для марки Т – 280 %).

Разрушающее напряжение при  изгибе: 10,7-13,7 МПа.

Разрушающее напряжение при  сжатии: 11,8 МПа.

Ударная вязкость: 125 кДж/м2.

Твердость по методу вдавливания  шарика: 29,4-39,2 МПа.

Модуль упругости при  статическом изгибе при +20 °С: 460,9-833,6 МПа.

Модуль упругости при  статическом изгибе при -60 °С: 1294,5-2726,5 МПа.

Модуль упругости при  растяжении: 410 МПа.

Модуль упругости при  сжатии: 686,5 МПа.

Термостабильность: не менее 100 ч (для марки Т – 15 ч).

Температура плавления кристаллов: 327 °С.

Температура стеклования  аморфных участков: -120 °С.

Максимальная рабочая  температура при эксплуатации: 260 °С.

Минимальная рабочая температура  при эксплуатации: -269 °С.

Температура разложения: свыше 415 °С.

Температура наибольшей скорости кристаллизации: 310-315 °С.

Температурный коэффициент  линейного расширения при температуре 

от -60 до -10 °С: 8·10-5 1/°С

свыше -10 до +20 °С: (8-25)·10-5 1/°С

свыше +20 до +50 °С: (25-11)·10-5 1/°С

свыше +50 до +110 °С: 11·10-5 1/°С

свыше +110 до +120 °С: (11-15)·10-5 1/°С

свыше +120 до +200 °С: 15·10-5 1/°С

свыше +200 до +210 °С: (15-21)·10-5 1/°С

свыше +210 до +280 °С: 21·10-5 1/°С

Кислородный индекс (ГОСТ 12.1.044-89): 95 %.

Коэффициент теплопроводности: 0,25 Вт/м·К.

Удельная теплоемкость: 1,04 кДж/кг·К.

Усадка при выпечке (в  зависимости от давления таблетирования, условий выпечки и молекулярной массы): 3-7 %.

Удельное поверхностное  электрическое сопротивление: не менее 1017 Ом.

Удельное объемное электрическое  сопротивление при постоянном напряжении: не менее 1,5·1017Ом·см.

Диэлектрическая проницаемость: 2,0.

Тангенс угла диэлектрических  потерь: не более 0,0002.

Электрическая прочность: не менее 50 кВ/мм.

Электрическая прочность  при переменном напряжении: не менее 25·106 В/м.

Коэффициент трения по стали: 0,04.

Фторопласт-3 несколько уступает фторопласту-4 по стойкости к химическим и термическим воздействиям, но имеет  и очевидные преимущества. Как  и фторопласт-4, он обладает высокой  кристалличностью, но сочетает твердость  и прочность со способностью размягчаться и даже плавиться, что позволяет  придавать ему нужную форму обычными методами прессования и литья  под давлением. Его отличает особая способность сохранять прочность, гибкость и другие механические свойства при низких температурах.

Основные характеристики фторопласта-3.

Плотность: 2,09-2,16 г/см3.

Температура плавления: 210-215 °С.

Температура стеклования: -50 °С.

Температура разложения: 320 °С.

Прочность при разрыве: 25-35 МПа.

Температура эксплуатации: от -195 до +190 °С.

Удельное электрическое  сопротивление: 1015-1017 Ом·м.

Фторопласт-40 обладает высокой  ударопрочностью и износостойкостью. Стоек к ползучести (нехладотекуч). Имеет малый коэффициент трения и очень хорошие диэлектрические свойства в широком диапазоне частот. Отличается высокой атмосферостойкостью (экспериментально доказана стойкость в течение 10 лет).

Характеризуется высокой  химической стойкостью. Стоек к кипящим  концентрированным кислотам (серной, соляной, азотной, плавиковой), 45% раствору гидроксида натрия и большинству  растворителей. Имеет высокую стойкость  к кипящей воде. Устойчив к радиации. Негорючий материал. Не пропускает УФ-излучение.

Основные характеристики фторопласта-40.

Плотность: 1,70-1,78 г/см3.

Прочность при растяжении при 23 °С: 30-47 МПа.

Модуль упругости при  растяжении при 23 °С: 800-1200 МПа.

Температура плавления: 225-280 °С.

Температура стеклования: -90 °С.

Температура разложения: 400 °С.

Прочность при разрыве: 35-50 МПа.

Температура эксплуатации: от -200 до +200 °С.

Удельное электрическое  сопротивление: 1016 Ом·м.

Фторопласт-50 представляет собой эластичный негорючий прозрачный ударопрочный материал. Стоек к многократному  изгибу и атмосферным воздействиям. Устойчив к старению и радиации. Нехладотекуч. Отличается низким коэффициентом трения. Характеризуется очень высокими диэлектрическими свойствами и низким водопоглощением.

Основные характеристики фторопласта-50.

Плотность: 2,15-2,18 г/см3.

Предел текучести при  растяжении при 23 °С: 14-30 МПа.

Модуль упругости при  растяжении при 23 °С: 480-628 МПа.

Температура плавления: 300-310 °С.

Температура стеклования: -90 °С.

Температура разложения: 450-480 °С.

Прочность при разрыве: 15-32 МПа.

Температура эксплуатации: от -200 до +260 °С.

Удельное электрическое  сопротивление: 1018 Ом·м.

Основные характеристики фторопласта-2.

Плотность: 1,78 г/см3.

Температура плавления: 150-175 °С.

Температура стеклования: от -20 до -30 °С.

Температура разложения: 400 °С.

Прочность при разрыве: 44-55 МПа.

Температура эксплуатации: от -45 до +150 °С.

Удельное электрическое  сопротивление: 1010-1013 Ом·м.

Основные характеристики фторопласта-42.

Плотность: 1,9 г/см3.

Температура плавления: 150-160 °С.

Температура стеклования: -45 °С.

Температура разложения: 360 °С.

Прочность при разрыве: 35 МПа.

Температура эксплуатации: от -60 до +120 °С.

Основные характеристики фторопласта-4МБ.

Плотность: 2,16 г/см3.

Температура плавления: 270-290 °С.

Температура стеклования: -90 °С.

Температура разложения: 380 °С.

Прочность при разрыве: 22-32 МПа.

Температура эксплуатации: от -180 до +250 °С.

Удельное электрическое  сопротивление: 1018 Ом·м.