Фторопласты: понятие, свойства, получение, применение
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное
бюджетное образовательное
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 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
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
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
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.
Библиографический список
- Паншин Ю. А., Малкевич С. Г., Дунаевская Ц. С. Фторопласты. Л., «Химия», 1978.
- Д. Д. Чегодаева, 3. К. Наумовой, Ц. С. Дунаевской «Фторопласты» (Л., Госхимиздат, 1960)
- Монография М. Лаза-ра. Р. Радо, Н. Климана «Фторопласты». (Пер. со словацкого под ред. С. А. Яманова. М.—Л., «Энергия», 1965)
