История создания фторопластов и их использование сегодня

Фторопласты

Слово «Тефлон» является зарегистрированной торговой маркой корпорации DuPont. Непатентованное название вещества — «политетрафторэтилен» или «фторополимер». В СССР и России традиционное техническое название этого материала — фторопласт.

Одно из подразделений GM – фирма Frigidaire, выпускавшая холодильное  оборудование, хотела использовать фреон  как хладагент вместо менее эффективных  и к тому же токсичных аммиака  и диоксида серы. Для дальнейшей разработки GM обратилась в известный химический концерн DuPont, что привело к созданию совместного предприятия – Kinetic Chemicals. В его лабораториях был создан бестселлер тех времен – фреон-114 (тетрафтордихлорэтан), который эксклюзивно поставлялся Frigidaire. В конце 1930-х DuPont начал поиски столь же эффективного хладагента, который можно было бы продавать другим производителям холодильного оборудования.    27-летний Рой Планкетт был одним из ученых-химиков, работавших над новым перспективным хлорфторуглеродом. Чтобы синтезировать его из соляной кислоты и газообразного тетрафторэтилена (ТФЭ), Планкетт и его помощник Джек Ребок заранее приготовили около 50 кг ТФЭ, закачанного под давлением в небольшие баллоны. Чтобы баллоны не взорвались, их хранили в контейнерах с твердой углекислотой – «сухим льдом». 6 апреля 1938 года Планкетт подсоединил один из баллонов к реакционной установке, открыл вентиль, но... ничего не произошло. Тщательный осмотр показал, что вентиль вполне работоспособен. Утечка газа? Но, взвесив баллон, Планкет и Ребок установили, что газ по-прежнему находится внутри. С величайшими предосторожностями они отвинтили вентиль и с удивлением обнаружили, что баллон наполнен белым порошком. Вскрыв еще несколько баллонов, исследователи увидели, что их стенки изнутри покрыты парафиноподобным веществом: уникальная комбинация условий (высокое давление и низкая температура) заставила газ полимеризоваться, образовав политетрафторэтилен, позднее названный Teflon. Впоследствии оказалось, что тефлон обладает уникальными фрикционными свойствами (то есть отлично скользит) и чрезвычайно химически устойчив к воздействию агрессивных сред. На разработку технологии его получения понадобился год: 1 июля 1939 года была подана патентная заявка.    И хотя Планкетту не удалось улучшить хладагент, его продукт, наряду с тысячами других применений, нашел себе место и на кухне – как антипригарное покрытие сковородок и кастрюль.

 

Долгое время фторопласты  оставались засекреченными не только от зарубежных фирм, но и от своей гражданской промышленности. Будучи долгие годы закрытыми материалами, фторопласты обрели мифическую таинственность для широкой аудитории и она не достаточно проинформирована о состоянии и современном развитии химии, производстве и применении фторопластов.^[3]

В настоящее время можно  представить историю создания фторопластов в России. Первые фторсодержащие полимеры увидели россияне в американской военной технике, поставляемой по межгосударственному соглашению из США в годы Великой Отечественной войны. Оказалось, что тефлон, используемый в различных уплотнениях и подшипниках, не растворяется даже в Царской водке. Однако сведений о получении тефлона в американской научной литературе не оказалось. Всё было в то время засекречено, никакого обмена информацией не существовало. А материал имел стратегическое значение. Развивающаяся атомная энергетика, авиация, ракетно-космическая техника не могли обойтись без фторполимеров - новых, сверхнадёжных материалов для самых жёстких условий эксплуатации.

В марте 1947 года в Ленинграде в научно-исследовательском  институте полимеризованных пластиков (НИИПП) были начаты работы по созданию российских фторопластов. Решением ЦК КПСС была создана лаборатория № 1 при этом же институте, которую возглавил основоположник российских фторполимеров - Лев Викентьевич Черешкевич. Параллельно в государственном институте прикладной химии (ГИПХ) г. Ленинград был разработан процесс получения тетрафторэтилена. Он был получен на опытной установке ГИПХа. Сырьё для получения тетрафторэтилена - хлордифторметан (хладон 22) поставлял завод № 752 (будущий Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П.Константинова). Первую партию фторопласта 4 получили на эксперементальном завод НИИПП в реакторе-полимеризаторе объёмом 130 литров.

В 1948 году постановлением Совета Министров СССР была поставлена задача освоить производство политетрафторэтилена в количестве 100 тн. В 1949 году в НИИПП уже работало первое в стране опытное производство фторопласта 4, за ним в 1953-56 годах последовали фторопласт 3 (политрифторхлорэтилен), сополимеры фторопласта-40, фторопласт-42, фторопласт-3М. Промышленное производство фторопластов решено строить на заводе № 752 в Кирово-Чепецке^].

С сентября 1956 года производство тетрафторэтилена и политетрафторэтилена в Кирово-Чепецке было пущено в работу.

В 1961 году вышел проект строительства  производства фторопластов на заводе № 749 в г. Перми (ОАО "Галоген").

В 1962 году объём производства фторопласта 4 достиг 4800 тн, а с 1968 года начались поставки продукта на экспорт.

На Кирово-Чепецком химическом комбинате им. Б.П.Константинова  были созданы производства фторолефинов - фтористого винилидена, трифторхлорэтилена, гексафторпропилена и ряда полимеров и сополимеров (фторопластов) на их основе.

 

Свойства

Физические

Тефлон — белое, в тонком слое прозрачное вещество, по виду напоминающее парафин или полиэтилен. Плотность по ГОСТ 10007-80 от 2,18 до 2,21 г/см³. Обладает высокой тепло- и морозостойкостью, остается гибким и эластичным при температурах от -70 до +270 °C, прекрасный изоляционный материал. Тефлон обладает очень низкими поверхностным натяжением и адгезией и не смачивается ни водой, ни жирами, ни большинством органических растворителей.

Фторопласт - мягкий и текучий материал, имеет ограниченное применение в  нагруженных конструкциях.

DuPont указывает температуру начала  деструкции согласно стандарту ASTMD3418 для разных типов тефлона от 260°С до 327°С.

Химические

По своей химической стойкости превышает все известные  синтетические материалы и благородные металлы. Не разрушается под влиянием щелочей,  кислот и даже смеси азотной и соляной кислот. Разрушается расплавами щелочных металлов, фтором и трифторидом хлора.

Производство

Производство политетрафторэтилена в России включает в себя три стадии: на первой стадии получают хлордифторметан заменой атомов галогена на фтор в присутствии соединений сурьмы (реакция Свартса) между трихлорметаном (хлороформом) и безводным фтористым водородом; на второй стадии получают тетрафторэтилен пиролизом хлордифторметана; на третьей стадии осуществляют полимеризацию тетрафторэтилена.

Выпускается нескольких марок политетрафторэтилена. Они  маркируются в зависимости от среднего размера частиц, например, ф-4, ф-4ПН-90, ф-4ПН-40, ф-4ПН-20 со средними размерами частиц (мкм): 100-180, 46-135, 21-45; 6-20, соответственно. Изделия из ф-4 производятся методом холодного прессования с последующим запеканием при температуре 365±5° C.

Применение

Тефлон применяют в химической, электротехнической и пищевой промышленности, в медицине, в транспортных средствах, в военных целях, в основном в качестве покрытий. Наибольшую известность тефлон получил благодаря широкому применению в производстве посуды с антипригарным покрытием.

Промышленность и техника

В различных отраслях промышленности волокна, полученные из политетрафторэтилена (тефлон, полифен), нашли широкое применение в качестве высокотемпературных мешочных фильтров, разных типов теплостойких прокладок, нитей для текстильных тканей, а также в автомобильном оснащении, промышленных фильтрах общего назначения, элементах запорных  и регулирующих клапанов, мешалок и насосов, оборудования для фильтрации и разделения.

В авиации, например, из фторопласта  изготавливают гибкие металлопластиковые трубопроводы гидросистем, работающие под высоким давлением (более 200 кгс/см²) и с высокой температурой рабочей жидкости.

Из ф-4 можно изготовить: аппараты, 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 и аппаратов. Особенно широкое применение политетрафторэтилен находит при изготовлении подшипников, работающих без смазки, с ограниченной смазкой и при наличии коррозионной среды.

Благодаря химической инертности, гидрофобности и текучести материал получил широкое распространение для уплотнения резьбовых и фланцевых соединений (лента ФУМ).

Смазка

Фторопласт (тефлон) — великолепный антифрикционный материал, 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 десятки килограмм на квадратный миллиметр и состоит из металлической основы на которую нанесено фторопластовое покрытие.

Известны смазки с введённым  в их состав мелкодисперсным фторопластом. Их отличает то, что наполнитель, оседая на трущихся металлических поверхностях, позволяет в ряде случаев некоторое  время работать механизмам с полностью отказавшей системой смазки, только за счёт антифрикционных свойств фторопласта.

Электроника

Тефлон широко используется в высокочастотной технике, так  как, в отличие от близких по свойствам, полиэтилена или полипропилена, имеет очень слабо меняющийся с температурой коэффициент диэлектрической проницаемости, высокое напряжение пробоя, а также крайне низкие диэлектрические потери. Эти свойства, наряду с теплостойкостью, обусловливает его широкое применение в качестве изоляции проводов, особенно высоковольтных, всевозможных электротехнических деталей, при изготовлении высококачественных конденсаторов, печатных плат.

В электронной технике  специального назначения широко используется проводка с изоляцией из фторопласта, стойкая к агрессивным средам и высокой температуре — провода марки МГТФ, МС и ряд других. Провод в тефлоновой изоляции невозможно проплавить паяльником. Недостатком фторопласта является высокая холодная текучесть: если держать провод во фторопластовой изоляции под механической нагрузкой (например, поставить на него ножку мебели), провод через некоторое время может оголиться.

Медицина

Благодаря биологической  совместимости с организмом человека политетрафторэтилен с успехом  применяется для изготовления имплантатов  для сердечнососудистой и общей хирургии, стоматологии, офтальмологии. Тефлон считается наиболее пригодным материалом для производства искусственных кровеносных сосудов и сердечных стимуляторов. В 2011 году впервые применён для пластики поврежденных носовой перегородки и стенок околоносовых пазух вместо титановых сеток. Через 12-15 месяцев имплантат полностью растворяется и замещается собственной тканью пациента.

Из-за низкого трения и несмачиваемости насекомые не способны ползти по тефлоновой стене. В частности, тефлоновая защита применяется при содержании нелетающих насекомых, чтобы они не смогли вылезти наружу.

Пищевая промышленность и быт

Благодаря низкой адгезии, несмачиваемости и термостойкости тефлон в виде покрытия широко применяется для изготовленияэкструзионных форм и форм для выпечки, а также сковород и кастрюль.

Тефлон также используется в производстве других бытовых приборов. Тефлоновое покрытие в виде тончайшей плёнки наносят на лезвия бритв, что значительно продлевает срок их службы и облегчает бритьё.

Уход за посудой с тефлоновым покрытием

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 паст.

Одежда

В производстве современной  высокотехнологичной одежды применяются мембранные материалы на основе экспандированного политетрафторэтилена.

Путем физической деформации тефлона получается тонкая пористая пленка, которая наносится на ткани и используется при пошиве одежды. Мембранные материалы, в зависимости от особенностей изготовления, могут обладать как ветрозащитными так и водоизоляционными свойствами, при этом, нормированный размер пор мембраны из политетрафторэтилена позволяет материалу эффективно пропускать испарения тела человека.

Ви́ндсто́ппер (англ. windstopper — ветронепроницаемый) — сленговое название материала из политетрафторэтилена на тканевой основе. Представляет собой мембранный материал, который пропускает воздух, но не пропускает ветер.

• Гор-Тэкс — водонепроницаемая дышащая мембрана.

Другие изделия

Изделия, в производстве которых используется тефлон:

обогревательные лампы; переносные обогревательные приборы; пластины утюгов; покрытия гладильных досок; конфорки плит; противни; электрогрили; приборы для изготовления попкорна; кофейники; скалки (с антиналипающим покрытием); машины для выпечки хлеба; поддоны под вертел или решетку; формочки для мороженого; унитазы c тефлоновым покрытием;

кипятильники; штопоры; поверхности кухонных плит; кухонная утварь; кастрюли и сковороды для жарки; воки (китайские кастрюли для жарки овощей и мяса); формы для выпекания; пресс для горячих бутербродов; вафельницы; оптические криостаты; бритвенные лезвия; внутренние покрытия стволов танков;[источник не указан 790 дней] электроракетные двигатели[источник не указан 892 дня]. лакокрасочные материалы[источник не указан 577 дней]