Свойства фторопласта-4

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/г	Плотность, г/см3	Температура, °С	Удельный объем, cм3/г	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 250^оС.
Прогрев при 300^оС 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 327^оС фторопласт набухает в жидких фторуглеродах, например в перфторкеросине. При 20^оС фторопласт-4 слегка набухает (3 — 9%) в фторхлорсодержащих газах (фреонах).

Выше 350^оС 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 126^оС), 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 20^оС равна 3·10^-9 — 6·10^-9 г/(см·ч·мм рт. ст.); паропроницаемость при 20^оС 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 20^оС [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.