А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Рис. 5.10. Зависимости относительной деформации фторопласта-4 от продолжительности действия нагрузки 7 МПа

при различных температурах

Значения предела псевдотекучести фторопласта-4 при растяжении при разных температурах приведены в табл. 5.32.

Таблица 5.32

Значения предела псевдотекучести фторопласта-4 при растяжении

Температура, °С	25	50	75	100	150	200	250
Предел псевдотекучести,	14,24	10,65	8,35	6,72	4,66	3,55	2,86
МПа

При нагружении фторопласт-4 пластически деформируется, причем остаточная деформация без нарушения сплошности, например при прокатке, может составлять до 350 %.

Фторопласт-4 является самым стойким из всех известных пластмасс, металлов, стекол, эмалей, сплавов. На него совершенно не действуют кислоты, окислители, щелочи, растворители. Фторо- пласт-4 не подвержен действию плесневых грибков.

Даже при температуре выше температуры разложения (415 °С) фторопласт-4 не переходит в вязкотекучее состояние (при 370 °С вязкость его расплава равна 109 Па · с, т. е. в миллион раз больше вязкости, необходимой для литья под давлением), поэтому пере-

231

работка его возможна только методом спекания (свободного или под давлением) отпрессованных заготовок (стержней, пластин, деталей). В зависимости от скорости охлаждения (до температуры ниже 250 °С) после спекания можно получать изделия со степенью кристалличности 50 % и плотностью 2,15 г/см3 или со степенью кристалличности более 65 % и плотностью выше 2,20 г/см3.

Основные свойства фторопласта-4 приведены в табл. 5.33 и 5.34, а также на рис. 5.11.

Таблица 5.33

Механические свойства политетрафторэтилена

Показатели				Температура
	–60	–40	–20	0	20	40	60	80	100	120
Временное со-
противление
(напряжения раз-
рушения), МПа:
незакаленный	–	35	32,5	30	20	18	–	13,5	11,5	–
закаленный	–	50	44	33	25	24	–	20	19	–
Модуль упруго-
сти при изгибе,
МПа:
незакаленный	2780	2390	2330	1810	850	510	480	380	–	245
закаленный	1320	1130	980	740	470	400	290	218	–	110
Деформация
разрушения, %:
незакаленный	–	70	100	150	470	650	–	600	540	–
закаленный	–	100	160	190	400	500	–	500	480	–

Фторопласт-4 применяется в основном в таких отраслях промышленности, как электротехника и машиностроение. Из него также изготавливают различные детали химической аппаратуры, изоляцию проводов, пленки для обмотки трансформаторов, различные трубки, уплотнители и поршневые кольца, антиадгезионные покрытия, подшипники, подпятники и другие детали узлов трения. Он является основным компонентом большого количества антифрикционных материалов, обладающих высокими триботехниче-

232

скими свойствами при трении без смазочного материала в среде воздуха, других газов (в том числе агрессивных) и в вакууме.

Таблица 5.34

Значения теплоемкости и температурного коэффициента линейного расширения политетрафторэтилена

Темпе-	Теплоемкость	Теплоемкость	Температурный ко-
ратура	молярная	удельная	эффициент линейного
Т, К	Ср,	ср,	расширения, К–1
	Дж/(моль · К)	Дж/(кг · К)	α293Т · 106	α ·106
150	27,62	553	92,2	56,8
160	29,12	582	93,3	61,5
170	30,62	609	94,3	66,2
180	32,05	640	95,2	71,0
190	33,34	668	96,1	75,4
200	34,77	695	96,9	80,0
210	36,11	724	97,7	84,6
220	37,49	750	98,3	89,5
230	38,84	775	99,0	94,2
240	40,33	805	99,6	99
250	41,97	830	100,0	104
260	43,93	880	100,6	109
273	47,90	960	101,2	115
280	51,76	1040	101,5	118
290	–	1110	101,8	123
300	–	1160	102,2	128

Рис. 5.11. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении 1 и относительного удлинения при разрыве 2 политетрафтроэтилена от температуры

233

Политрифторхлорэтилен (фторопласт-3). Политрифтор-

хлорэтилен (фторопласт-3, зарубежные аналоги фторопласта-3 – кельфтор, дайфлон, вольталеф) — продукт полимеризации трифторхлорэтилена. Этот твердый порошкообразный продукт белого цвета с молекулярной массой от 20 до 360 тыс. является кристаллическим термопластичным полимером с температурой плавления около 210 °С и температурой стеклования около –50 °С. Степень кристалличности полимера зависит от условий термообработки и молекулярной массы полимера.

Физико-механические свойства фторопласта-3 зависят от условий термообработки при изготовлении из него изделий и степени кристалличности. Закаленные фторопласты-3, имеющие невысокую степень кристалличности, являются эластичными, сравнительно мягкими (относительное удлинение при растяжении – от 70 до 200 %, твердость – от 100 до 110 НВ). Сильно закристаллизованные, медленно охлажденные образцы – более твердые (твердость от 120 до 130 НВ) и хрупкие (относительное удлинение при растяжении близко к нулю) – рис. 5.12.

Рис. 5.12. Зависимость механических свойств закаленных (1, 3, 5)

и незакаленных (2, 4) образцов политрифторхлорэтилена от температуры: 1 – разрушающее напряжение при растяжении; 2, 3 – модуль упругости при изгибе; 4 – модуль упругости при сжатии; 5 – относительное удлинение при разрыве

234

Минимальную степень кристалличности, примерно в 25–35 %, имеют образцы, быстро охлажденные из расплава (закаленные). Такой степени кристалличности соответствует плотность 2,08–2,09 г/см3. При медленном охлаждении из расплава можно получить фто- ропласт-3 с максимальной степенью кристалличности, достигающей до 80 %, и плотностью 2,15–2,16 г/см3.

Фторопласт-3 характеризуется высокими прочностными показателями, особенно высоким значением разрушающего напряжения при сжатии и хорошим сопротивлением ползучести. Этот полимер практически нехладотекуч, деформация после снятия нагрузки в 60 МПа составляет всего 4–5 %. Физико-механические свойства фторопласта-3 приведены в табл. 5.35.

	Таблица 5.35
Основные свойства фторопласта-3
Показатель	Величина
Плотность, г/см3	2,08–2,16
Временное сопротивление при растяжении ζраст, МПа:
без закалки	35–40
после закалки	30–35
Временное сопротивление, МПа:
при изгибе ζизг	60–80
при сжатии ζсж	200–250
Относительное удлинение при растяжении, %:
без закалки	20–40
после закалки	70–200
Удельная ударная вязкость, Дж/см2	2– 6
Модуль упругости при изгибе, МПа	1160–1450
Твердость, НВ	100–130
Температура, °С:
плавления	208
стеклования	–50
Температура рабочая, °С:
минимальная	–195
максимальная	130
Модуль упругости при статическом изгибе при 20 °С, МПа:
после закалки	470
без закалки	800

235

	Окончание табл. 5.35
Показатель		Величина
Модуль упругости при статическом изгибе при –40 °С,
МПа:
после закалки		1320
без закалки		2780
Тангенс угла диэлектрических потерь		2 · 10–4
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом	см	1016
Теплостойкость по Вика, °С		110

Фторопласт-3 отличается высокой химической стойкостью к действию многих агрессивных сред: кислот, растворов щелочей, окислителей, брома, газообразных фтора и хлора. Он является негорючим материалом, относительно стоек к действию ионизирующей радиации. Доза излучения, приводящая к снижению механических свойств в 2 раза, составляет около 0,24 МГр.

Фторопласт-3 нестоек к действию жидкого хлора (степень набухания составляет около 12 %), элементарного фтора в момент выделения, олеума, тетраоксида азота (степень набухания до 8 %).

Механические свойства фторопласта-3 зависят от температуры, изменение этих свойств в интервале температур –60…+100 °С приведены в табл. 5.36, а на рис. 5.13 показаны температурные зависимости его электрических свойств.

Таблица 5.36

Механические свойства фторопласта-3 в интервале температур –60…+100 °С

Показатели				Температура, °С
	–60	–40	– 20	0	20	40		60	80	100
Предел прочности	35	83	73	55	39	29		20	14	8
при растяжении, МПа
Относительное удлинение	21	28	28	21	70	65		430	830	840
при растяжении, %
Модуль упругости, МПа:
при сжатии	1810	1780	1700	1630	1500	1270		880	550	280
при изгибе	2600	2270	1970	1700	1450	1080		810	278	175

236

Фторопласт-3 перерабатывается обычными для термопластов методами. Однако высокая динамическая вязкость расплава полимера, составляющая при 260 °С около 106 Па с, и интервал между температурой переработки и температурой разложения сравнительно малы. Поэтому переработка должна осуществляться при строго контролируемых температуре и продолжительности нагрева. Для придания изделию желаемых свойств очень важен режим охлаждения. Необходимо избегать попадания в продукт смазки или других органических загрязнений. Пресс-формы или литьевые формы должны изготавливаться из коррозионно-стойкой стали.

.

Рис. 5.13. Зависимость диэлектрических свойств политрифторхлорэтилена от температуры:

- - - – диэлектрическая проницаемость; -· -·-· – удельное объемное электрическое сопротивление;

---- – тангенс угла диэлектрических потерь

При получении изделий методом литья под давлением температура должна составлять 280–300 °С, головки – 260–300 °С, формы – 130–200 °С; давление – от 100 до 300 МПа; продолжительность цикла – 30–90 с. При прессовании температура нагрева

237

находится в пределах 230–280 °С, давление прессования 20–30 МПа, продолжительность нагрева из расчета на 1 мм толщины изделия составляет от 2,5 до 3,5 мин.

Тонкие изделия способны свариваться под прессом или горячим воздухом, могут склеиваться (без специальной обработки поверхности) эпоксидными клеями.

Заготовки из фторопласта-3 хорошо поддаются механической обработке: распиловке, сверлению, фрезерованию, токарной обработке, нарезке резьбы и т. д.

Фторопласт-3 в основном применяется в машиностроении для изготовления различных прокладок, уплотнительных колец, втулок, седел и тарелок клапанов, работающих в различных агрессивных средах, при повышенных и криогенных температурах. Широко используются детали из фторопласта-3 в электротехнике и измерительной технике в качестве мембран в клапанах измерительных приборов.

Экструзионные рукавные и плоские пленки используются для изготовления печатных схем, конвейерных лент, изоляции трубопроводов, для упаковки медикаментов, реактивов, деталей электронной аппаратуры и т. п.

Поливинилиденфторид (фторопласт-2) и поливинил-

фторид (фторопласт-1). Поливинилиденфторид (фторопласт-2, зарубежные аналоги – кайнар, солеф, фарофлон и др.) – продукт полимеризации трифторэтилена молекулярной массой от 80 до 200 тыс. Это кристаллический полимер с температурой плавления 171–180 °С. Степень кристалличности изделий из фторопласта-2 зависит от скорости их охлаждения после плавления. При быстром охлаждении (закалке) степень кристалличности составляет 35–45 %, при медленном охлаждении или длительном отжиге при температуре до 140 °С степень кристалличности достигает 60–55 %. Фто- ропласт-2 выпускается в виде тонкого и волокнистого легкосыпучего порошка белого цвета. Поливинилфторид (фторопласт-1, зарубежные аналоги – тедлар, дифлор-720) – полимер винилфторида с кристаллической структурой, молекулярной массой от 70 до 140 тыс. Его получают в виде легкосыпучего порошкообразного материала белого цвета. Физико-механические свойства фторопластов приведены в табл. 5.37.

238

		Таблица 5.37
Основные свойства фторопластов
Показатели	Фторопласт-2	Фторопласт-1
Плотность, г/см3	1,70–1,80	1,38–1,40
Временное сопротивление, МПа:
при растяжении ζраст	45–60	50–60
при изгибе ζизг	80–100	80–90
при сжатии ζсж	90–100	–
Твердость, НВ	13–15	115–120
Модуль упругости, МПа:
при растяжении	1000–1600	–
при изгибе	1500– 1700	–
при сжатии	1200–1400	–
Ударная вязкость образца с надрезом, кДж/м2	160–190	100
Диэлектрическая проницаемость	8– 9	–
при частоте 103 Гц
Тангенс угла диэлектрических потерь
при частоте, Гц:
103	(16…21) 10–3	–
106	–	0,009
109	–	0,02
Электрическая прочность для пленок
толщиной В, мм:
2 мм	14–16	25
1 мм	20–30	–
100 мкм	–	130–140
Удельное объемное электросопротивление,	2·1012 –1·1014	4·1013–7·1014
Ом см
Температура, °С:
плавления	170–180	190–198
стеклования	–33	180
Температура рабочая, °С:
минимальная	–60	–70
максимальная	150	110–150
Теплопроводность, Вт/(м °С)	0,3	–
Удельная теплоемкость, Дж/(кг °С)	1,32	–

Фторопласт-2 значительно уступает фторопласту-4 по теплостойкости при эксплуатации и температуре плавления, диэлектрическим, антифрикционным и антиадгезионным свойствам. Его пре-

239

имуществами являются: высокие твердость, жесткость, механическая прочность, износостойкость; способность перерабатываться обычными методами, применяемыми для термопластов. По комплексу свойств фторопласт-1 близок фторопласту-2, но отличается от него меньшей плотностью, лучшими адгезионными и диэлектрическими свойствами и более низкой стоимостью, однако уступает ему по термостойкости. Этот материал также сочетает высокие твердость, прочность, стойкость к истиранию, стойкость к атмосферным воздействиям, химическую стойкость и удовлетворительные диэлектрические свойства.

Фторопласт-2 достаточно теплостойкий и морозостойкий материал. В интервале рабочих температур –60...+150 °С изделия сохраняют стабильность размеров. Фторопласт-1 имеет более высокую химическую стойкость к различным агрессивным средам, чем нефторированные аналоги, но уступает по этому показателю большинству фторопластов. Он стоек к действию многих кислот, не являющихся сильными окислителями, соляной кислоты, едкого натрия, хлора. Пленки из поливинилфторида обладают высокой светостойкостью для видимых и ультрафиолетовых лучей, стойкостью к окислению и гидролизу.

Фторопласт-2 легко перерабатывается всеми обычными методами, применимыми для термопластов. Он обладает низкой вязкостью расплава, находящейся в пределах 103–105 Па с при 240 °С,

ивысокой термостабильностью, что обусловливает его легкую перерабатываемость обычными методами (экструзией, литьем, формованием и т. д.).

Прессование осуществляют в интервале температур 190–220 °С

идавлений 20–30 МПа. Выдержка материала при температуре прессования составляет от 7 до 10 мин на 1 мм толщины изделия.

Литьем под давлением получают изделия сложной конфигурации. Температура литья составляет 190–250 °С при давлении от 80 до 130 МПа. Цикл литья колеблется от 20 с до 2 мин. Форма может быть нагрета до 100 °С.

Переработка фторопласта-1 является достаточно сложным технологическим процессом, это связано с близостью температур его вязкотекучего состояния и температуры разложения (разница составляет около 20 °С), что может под воздействием высокой температуры и давления привести к деструкции полимера с выделени-

240