Фторопластовые
технологии

ЗВОНИТЕ НАМ: +7 (812) 324-75-35
Заказать звонок

Фторопласт -4 — кристаллический полимер, 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 (при 370°С вязкость его расплава равна ≈1011П, т.е. в 1000000 раз больше вязкости, (необходимой для литья под давлением), 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 ≈50% и плотностью ≈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.

Степень кристалличности, % Плотность при
23°С, г/см3
Степень кристалличности, % Плотность при
23°С, г/см3
40.0 2.12 69.4 2.21
43.2 2.13 72.8 2.22
46.5 2.14 75.2 2.23
49.7 2.15 78.0 2.24
53.0 2.16 80.7 2.25
56.3 2.17 82.6 2.26
59.7 2.18 85.2 2.27
63.1 2.19 89.0 2.28
66.5 2.20

Об отсутствии же пористости свидетельствует полная прозрачность образца во время спекания при 370-390°С. Даже незначительная пористость вызывает мутность образца. Пористость, равная примерно 0,1-0,2%, заметно влияет на точность определения плотности.

Данные о зависимости удельного объема и плотности от температуры для образца со степенью кристалличности 68% (плотность медленно охлажденного изделия) приведены ниже:

Температура, °С Удельный объем, см3 Плотность, г/см3 Температура, °С Удельный объем, cм3 Плотность, г/см3
-50 0.440 2.27 175 0.4769 2.10
-25 0.443 2.26 200 0.482 2.08
0 0.447 2.24 225 0.488 2.05
+25 0.453* 2.21 250 0.495 2.02
+50 0.456 2.19 275 0.503 1.99
+75 0.459 2.18 300 0.514 1.95
+100 0.463 2.16 325 0.534 1.88
+125 0.467 2.14 327 0.640** 1.57
+150 0.471 2.12 350 0.655 1.53

* При нагревании от 19,6 до 22°C удлиненный объём увеличивается на 0,74%
** При 327°С удлиненный объём увеличивается на 20%.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

Основные показатели физико-механических свойств фторопласта-4 приведены ниже:

Разрушающее напряжение, кгс/см2 Значения
при растяжении:
— незакаленный образец (кристалличность 05-08%) 140-350*
— закаленный образец (кристалличность 50%) 160-315*
при сжатии:
— при 1%-ной деформации 100
— 10%-ной деформации 185
Сопротивлению изгибу (стрела прогиба 6 мм) 185
Относительное удлинение при разрыт, % 250-500
Остаточное удлинение, % 250-350
Напряжение при 10%-ном удлинении, кгс/см2 110-120
Модуль упругости, кгс/см2
— при изгибе при 20°С 4700-8500
— сдвиге 2700 2700
Ударная вязкость, кгс·см/см2 100 (не ломается)
Ударное растяжение, кгс·см/см2 (DIN 53448)
— при 20°С 650
— 23°С 680
(удлинение при 20°С — 20%, при 23°С — 30%)
Твердость:
по Бринеллю, кгс/мм2 3-4
по Шору при 20°С
— шкала С 85-87
— шкала D 55-59
Твердость по Роквеллу
— шкала I 80-95

В зависимости от того, как вырезан образец: поперек направления прессования-высокие значения, вдоль направления прессования-малые.

Показатели Температура, °С
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120
Разрушающее напряжение при растяжении, кгс/см2
— незакаленный образец 350 325 300 200 180 135 115
— закаленный образец 500 440 330 250 240 200 190
Относительное удлинение при разрыве, %
— незакаленный образец 70 100 150 470 650 600 540
— закаленный образец 100 160 190 400 500 500 480
Модуль упругости, кгс/см2
при сжатии
— незакаленный образец 18000 17000 15000 11000 7000 4500 3300 2400 1700
при сжатии
— незакаленный образец 27800 23900 23300 18100 8500 5100 4800 3800 2450
— закаленный образец 13200 11300 9800 7400 4700 4000 2900 2180 1100

Данные о зависимости физико-механических свойств фторопласта-4 от температуры приведены ниже.

Физико-механические свойства фторопласта-4 при низких температурах

Показатели Температура, °С
-93 -123 -153 -193 -223 -269
Разрушающее напряжение при сжатии *, кгс/см2 350 980 1260 1554 1750-1960
Модуль упругости при сжатии, кгс/см2 52500 70000

* Разрушающее напряжение при сжатии равно напряжению, при котором деформация составляет 0,2%.

Зависимость деформации фторопласта-4 при сжатии от температуры:

Деформация, % Нагрузка, вызывающая деформацию, кгс/см2
-50°С  0°С  25°С 50°С 100°С 150°С 200°С
1 203 157 62 49 31 17,5 11
2 304 210 92 66 39 27 20
3 350 236 105 77 48 33 27
4 374 251 120 85 59 39 31
5 390 262 127 92 62 44 35

Одним из важнейших прочностных показателей является предел текучести при растяжении, т.е. то напряжение, при котором возникают остаточные деформации. Он зависит от степени кристалличности, скорости растяжения и температуры. При степени кристалличности 65% и скорости растяжения 100 мм/мин зависимость предела текучести от абсолютной температуры Т (в К) описывается эмпирической формулой (справедливой от 20 до 300°С):
lgσT= 0,53166+483,64/Т

Ниже приведены значения пределов текучести для некоторых температур, рассчитанные по этой формуле:

Температура, °С 25 50 75 100 150 200 250
Предел текучести, кгс/см2 42,4 106,9 83,5 67,2 46,6 35,5 28,6

При длительном воздействии нагрузок остаточные деформации возникают при меньших напряжениях (40-50% от рассчитанных по формуле).

При конструировании изделий из фторопласта-4 следует учитывать ползучесть. Ползучесть (деформация при длительном действии нагрузки) рассчитывается по формуле:
lgγt=lgγ1+a·lgt
где γt — деформация за t сут; γ1 — деформация за 1 сут; а — коэффициент, зависящий в основном от температуры и в меньшей степени от нагрузки, если она не превышает 40-50% предела текучести.

Значения коэффициента a и некоторые данные о ползучести для образцов со степенью кристалличности 50% приведены в таблице. Деформация за 1 сут (γ1) при других нагрузках и температурах определяется опытным путем. При степени кристалличности 65-68% ползучесть меньше.

   Ползучесть фторопласта-4

Температура, °С Нагрузка, кгс/см2 Деформация, % Коэффициент а
Сжатие 1 сут (γ1) 4 сут (γ4)
20 33 6,00 6,25 0,030
20 21 3,05 3,19 0,032
Растяжение 1 сут (γ1) 4 сут (γ4)
40 28 2,72 2,87 0,038
100 28 5,58 5,90 0,040
140 21 4,67 4,94 0,042
200 14 4,08 4,50 0,048
250 14 5,17 5,58 0,055

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

Данные о зависимости коэффициента трения от нагрузки [статической и динамической (при малых скоростях) коэффициенты трения фторопласта-4 по стали без смазки одинаковы] приведены ниже:

Нагрузка, кгс/см2 1 3 10 20
Коэффициент трения 0,4 0,1 0,06 0,05

При наличии смазки он примерно в 2 раза меньше.

Динамический коэффициент трения фторопласта-4 по стали без смазки при нагрузке ~ 20 кгс/см2 зависит от скорости скольжения:

Скорость скольжения, см/c 4 8 20 40 80 160
Динамический коэффициент трения 0,05 0,1 0,15 0,23 0,24 0,27

В присутствии наполнителя при малых скоростях скольжения коэффициент трения несколько выше, а при больших скоростях — ниже, чем коэффициент трения чистого фторопласта-4 по стали.

При 327°С (на поверхности трения) коэффициент трения фторопласта-4 по стали резко возрастает (в несколько раз), что приводит к катастрофически быстрому износу и разрушению подшипника.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

Неспеченный фторопласт-4 (в виде порошка) имеет степень кристалличности 95 — 98%, после спекания — от 50% (закаленный) до 68 — 70% (незакаленный). Ниже 19,6°С элементарная ячейка кристалла фторопласта-4 состоит из 13 групп CF2, выше 19,6°С — из 15 групп CF2. При 19,6°С триклиническая упаковка переходит в менее упорядоченную, гексагональную, что сопровождается увеличение объема кристаллитов на 0,0058 см3/г (1,2 объемн. %), или увеличением объема образца при степени кристалличности 68% на 0,74%. При наличии внешнего давления точка перехода понижается на 0,013°С на каждую атмосферу. При 30°С имеет место второй переход кристаллической структуры, но изменение объема составляет едва 1/10 часть изменения объема при 19,6°С. Под высоким давлением (4500 кгс/см2 при 70°С) возникает третий переход.

Температура стеклования аморфных участков, определенная по температуре хрупкости, колеблется от -97 до -100°С, а по точке перегиба кривой зависимости модуля упругости составляет -120°С. Температура перехода аморфного твердого тела в переохлажденную жидкость равна 127°С.

При 327°С кристаллиты фторопласта-4 плавятся, и он становится полностью аморфным, совершенно прозрачным (при отсутствии пористости), высокоэластичным, но не течет (вязкость выше 1011 П). 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 при 370-390 °С (чем больше время спекания, тем быстрее кристаллизуется образец) и от среднего молекулярного веса полимера (чем ниже молекулярный вес полимера, тем быстрее он кристаллизуется). На этом основан метод косвенной оценки молекулярного веса фторопласта-4: образец в виде диска толщиной 2 мм спекают при 370 °С в течение 13 ч и охлаждают от 370 до 250 °С в течение 5 ч. По плотности полученного образца при 23 °С можно оценить молекулярный вес: 2,16-2,19 г/см3-для высокомолекулярного полимера, 2,20-2,22 г/см3-для низкомолекулярного.

Ниже приведены некоторые теплофизические свойства фторопласта-4:

Теплостойкость по Вика (при нагрузке 5 кгс), °С 110
Удельная теплоемкость, ккал/(кг·°С)
при 0°С 0,23
при 50°С 0,25
Коэффициент теплопроводности, ккал/(м·ч·°С) 0,20

Термический коэффициент линейного расширения зависит от температуры:

Температура, °С от -60 до -10 19,6 30 40 200 300
Термический коэффициент линейного расширения α·105, 1/°С 8 54 28 11 25 64

На практике удобнее пользоваться средними значениями термического коэффициента линейного расширения для определенных интервалов температур. Следует также учитывать, что при нагревании изделий из фторопласта-4 в них часто возникают внутренние напряжения, вызывающие необратимое изменение размеров. Иногда вместо ожидаемого при нагревании удлинения образца он сокращается.

Данные, приведенные ниже, относятся к образцам, в которых полностью отсутствуют внутренние напряжения:

Температура, °C Термический коэффициент линейного расширения α·105, 1/°C Изменение размеров изделия*, % Температура, °C Термический коэффициент линейного расширения α·105, 1/°C Изменение размеров изделия*, %
от -193 до +25 8,6 -1,85 от +25 до +100 12,4 +0,93
от -150 до +25 9,6 -1,68 от +25 до +150 13,5 +1,59
от -100 до +25 11,2 -1,40 от +25 до +200 15,1 +2,64
от -50 до +25 13,5 -1,01 от +25 до +250 17,4 +3,92
 от 0 до +25 20,0 -0,50 от +25 до +300 21,8 +5,99
от +25 до +50 12,4 +0,31 от +25 до +300 21,8 +5,99

* От размера при 25°С.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙТСВА ФТОРОПЛАСТА-4

Показатели электрических свойств фторопласта-4 приведены ниже:

Удельное электрическое сопротивление:
-поверхностное, Ом >1017
-на воздухе со 100%-ной относительной влажностью >1012
-объемное (до 150оС), Ом·см 1017 — 1020
-после длительного пребывания в воде не меняется 1,9-2,2
Диэлектрическая проницаемость (при 60 — 1010 Гц)
Тангенс угла диэлектрических потерь (при 60 — 1010 Гц) <1·1017
Электрическая прочность, кВ/мм:
-при толщине образца 4 мм 25-27
-при толщине образца 0,1 — 0,3 мм 40-80
-при толщине образца 0,005 — 0,02 мм 200-300
Дугостойкость, с (сплошного токопроводящего слоя не образуется) 250-700

Данные о зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты приведены ниже:

Частота, Гц 60 103 104 105 106 107
tgδ·104 0,5 0,3 0,4 0,7 0,7 0,7

Диэлектрическая проницаемость фторопласта-4 вплоть до 1010 Гц не зависит от частоты, а зависит от плотности: є= 1+0,238*d
2-0,119*d
где d — плотность при данной степени кристалличности и температуре.
Тангенс угла диэлектрических потерь остается постоянным при температуре от -60 до 250оС.
Прогрев при 300оС в течение 6 месяцев не влияет на диэлектрические свойства фторопласта-4.

ХИМИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

Фторопласт-4 является самым стойким из всех известных металлов — пластмасс, металлов, стекол, эмалей, сплавов и т.п. На него совершенно не действуют кислоты, окислители, щелочи, растворители. На фторопласт-4 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 327оС фторопласт набухает в жидких фторуглеродах, например в перфторкеросине. При 20оС фторопласт-4 слегка набухает (3 — 9%) в фторхлорсодержащих газах (фреонах).

Выше 350оС 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 (угол смачивания 126оС), 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 подвижен действию грибков (но и не подавляет их развитие).

Влагопроницаемость при 20оС равна 3·10-9 — 6·10-9 г/(см·ч·мм рт. ст.); паропроницаемость при 20оС составляет 0,6·10-9 — 1,2·10-9 г/(см·ч·мм рт. ст.).

Данные о газопроницаемости пленки из фтороплавта-4 (при отсутствии пор) толщиной 0,1 мм при 20оС [в см3/(см·с·мм рт. ст.)] приведены ниже:

Воздух 1,1*10-9
Азот 0,7*10-9
Кислород 2,3*10-9
Водород 6,3*10-9
Двуокись углерода 4,8*10-9

При наличии пористости проницаемость может увеличиваться до 1000 раз.

Фторопласт-4 предназначен для видимого света только при малой толщине пленки:

Толщина пленки, мм 0,05 0,10 0,15 1,00
Пропускание, % 88

Свойства фторопластов Ф4К20, Ф4К15М5, Ф4С15, Ф4С15М5, Ф4К15УВ5, Ф4КС2

Приводим краткую характеристику свойств фторопласта-4 и композиций на его основе.

Материал Документация Добавки к Ф4
Ф4 ТУ 6-05-810-88
Ф4К20 ТУ 6-05-1413-76 20% кокса
Ф4К15М5 ТУ 6-05-1413-76 15% кокса & 5% дисульфида молибдена
Ф4С15 ТУ 6-05-1413-76 15% стекловолокна
Ф4С15М5 ТУ 6-05-1413-76 15% стекловолокна & 5% дисульфида молибдена
Ф4К15УВ5 ТУ 6-05-041-781-84 15% кокса & 5% углеволокна
Ф4КС2 ТУ 301-05-109-91 2% кобальта синего
Свойства Ф4 Ф4К20 Ф4К15М5 Ф4С15 Ф4С15М5 Ф4К15УВ5 Ф4КС2
Физико-механические
Плотность, г/см3 2,12-2,2 2,05 2,17 2,18 2,19 2,08 2,17
Предел текучести, МПа 11,8 14 13,4 16,4 13
Прочность при разрыве, МПа 14-34 12-15 13-16 18-20 18-20 17-20 22-24
Относительное удлиннение, % 250-500 60-120 80-150 180-220 150-200 80-150 230-320
Модуль упругости (при сжатии/растяжении), МПа 410/686 805/1500 800/- 520/480 430/360
Твердость по Бриннелю, МПа 29-39 49-53 49 39-49 39-49 48-49 37-39
Вязко-упругие
Деформация при растяжении 6,0 6,7 9,0 9,3 3,3 8,1
Деформация при сжатии 7,2 7,7 8,6 8,8 3,8 9,3
Тепло — физические
Теплоемкость, Дж/(кг С) 1,04 0,985 0,980 0,,950 0,950 0,98 0,9
Теплопроводность, Вт/(м С) 0,25 0,34 0,32 0,28 0,27 0,385 0,33
Коэф. линейного расширения, а*105 8-25 10-12 10-12 13-15 13-15 7-9 12-14
Триботехнические
Коэфициент трения 0,04 0,27 0,23 0,25 0,2 0,26 0,16
Интенсивность износа, J*куб.^10, г/час 1 0,8 1,8 1,6 0,65 4
Интервал рабочих температур, оС от -250 до +260

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Яндекс.Метрика