Обработка ПТФЭ (тефлона): свойства, изготовление, применение.

Политетрафторэтилен, или тефлон, является одним из важнейших высокоэффективных конструкционных пластиков. Он хорошо известен своим превосходным сочетанием свойств, включая высокую термостойкость и стойкость к химической коррозии. В данной статье представлен обзор основных свойств ПТФЭ, включая его характеристики, методы обработки и важные области применения.

Введение в ПТФЭ-пластик

Политетрафторэтилен (ПТФЭ), более известный как тефлон, — это высокомолекулярное соединение, получаемое путем полимеризации тетрафторэтилена. Его структурная формула — [CF₂-CF₂]ₙ. Это важный химический материал. ПТФЭ обладает превосходной устойчивостью к высоким температурам, коррозии и старению. Он также водостойкий, обладает антипригарными и самосмазывающимися свойствами, выдающимися диэлектрическими свойствами и чрезвычайно низким коэффициентом трения. Он широко используется в качестве конструкционного пластика или покрытия и может быть использован для изготовления трубок, стержней, лент, листов, пленок и других изделий из ПТФЭ.

Свойства ПТФЭ

Механические и физические свойства

ПТФЭ имеет относительно высокую плотность, колеблющуюся от 2.14 до 2.20. Он практически не впитывает воду, равновесная степень водопоглощения составляет менее 0.01%. ПТФЭ прочный, но не обладает упругостью. Межмолекулярное притяжение между его крупными молекулами слабое, поэтому он обладает лишь умеренной прочностью на разрыв и низкой твердостью. Он деформируется под воздействием длительной нагрузки, но имеет высокое относительное удлинение при разрыве.

Температура оказывает существенное влияние на деформационно-прочностные характеристики ПТФЭ. С повышением температуры значение предела упругости E уменьшается. При мгновенном сжатии ПТФЭ внешней силой деформация сжатия увеличивается с ростом напряжения. При длительной нагрузке с течением времени деформация ПТФЭ продолжает увеличиваться, а затем стремится к стабилизации. Это увеличение деформации называется свойством холодной текучести ПТФЭ, которое также обусловлено слабым межмолекулярным притяжением между молекулами ПТФЭ.

Ползучесть ПТФЭ изменяется в зависимости от сжимающего напряжения, температуры и степени кристалличности. Чем выше температура, тем больше ползучесть. При степени кристалличности ПТФЭ от 55% до 80% величина ползучести не превышает 2%. При степени кристалличности ниже 55% или выше 80% величина ползучести быстро возрастает.

Поскольку межмолекулярное притяжение в ПТФЭ невелико, притяжение поверхностных молекул к другим молекулам также очень мало. Поэтому ПТФЭ имеет очень низкий коэффициент трения и обладает превосходными смазывающими свойствами. Из-за малого межмолекулярного притяжения ПТФЭ имеет низкую твердость и легко изнашивается другими материалами. Однако, если сопрягаемый материал имеет соответствующую шероховатость поверхности, износ ПТФЭ может быть значительно уменьшен. Обычно, когда неровность поверхности составляет от 0.1 до 0.4 мкм, износ ПТФЭ минимизируется. Суть этого явления заключается в том, что во время вращения или скольжения поверхность сопрягаемого материала покрывается тонкой пленкой ПТФЭ из-за износа, превращая трение между двумя различными материалами в трение между ПТФЭ и самим собой. Благодаря превосходным самосмазывающим свойствам ПТФЭ и чрезвычайно низкому коэффициенту трения, величина износа очень мала.

Относительная величина износа ПТФЭ при контакте с различными материалами (принимая износ углеродистой стали за 1).

Тепловые свойства

Термическая стабильность ПТФЭ чрезвычайно выдающаяся среди всех конструкционных пластиков. Это объясняется очень высокой энергией связи углерод-фтор в макромолекулах ПТФЭ, а также тем, что углерод-углеродная цепь окружена атомами фтора, что затрудняет атаку других атомов (таких как кислород). Хотя следовые количества продуктов разложения начинают появляться при 200 °C, скорость разложения крайне низка от 200 °C до точки плавления, и количество разложения очень мало. После нагревания при 200 °C в течение месяца количество разложения составляет менее 2 частей на миллион, что практически пренебрежимо мало. Значительное разложение происходит только выше 400 °C, при этом потеря массы составляет около 0.01 % в час.

При 250 °C прочность на растяжение ПТФЭ составляет около 5 МПа, что примерно в 5 раз меньше, чем при комнатной температуре. Ниже 0 °C, по мере дальнейшего снижения температуры, прочность на растяжение ПТФЭ продолжает увеличиваться, а относительное удлинение уменьшается. Ниже -75 °C относительное удлинение достигает минимального значения около 3 % и остается на этом уровне до -250 °C. Таким образом, ПТФЭ не становится хрупким даже при сверхнизких температурах -250 °C и сохраняет определенную степень гибкости.

ПТФЭ обладает очень широким диапазоном рабочих температур и может непрерывно использоваться при температурах от -250°C до 260°C.

Электрические свойства

ПТФЭ — это высоконеполярный материал с превосходными диэлектрическими свойствами. Его выдающаяся особенность заключается в том, что при температуре выше 0 °C его диэлектрические свойства не изменяются с частотой или температурой и не подвержены влиянию влажности или коррозионных газов.

Объемное удельное сопротивление ПТФЭ превышает 10¹⁷ Ом·см, а поверхностное удельное сопротивление превышает 10¹⁶ Ом, что является самым высоким показателем среди всех конструкционных пластиков. Поскольку ПТФЭ не впитывает воду, даже после длительного погружения в воду его объемное удельное сопротивление не демонстрирует заметного снижения. В воздухе со 100% относительной влажностью его поверхностное удельное сопротивление также остается неизменным.

ПТФЭ обладает превосходной дугостойкостью. При возникновении высоковольтного поверхностного разряда он не вызывает коротких замыканий из-за карбонизации или остаточных проводящих веществ. Вместо этого он разлагается только на низкомолекулярные фторуглероды, которые испаряются, поэтому он сохраняет хорошую электрическую изоляцию и дугостойкость.

Химическая устойчивость

ПТФЭ обладает исключительно высокой химической стабильностью. Это объясняется тем, что в молекуле ПТФЭ углеродная цепь, легко подвергающаяся химической атаке, плотно окружена слоем прочно связанных атомов фтора, что делает основную цепь полимера практически невосприимчивой к воздействию любых химических веществ. Многие высококоррозионные и сильно окисляющие химические вещества, такие как концентрированная соляная кислота, фтороводородная кислота, серная кислота, азотная кислота, хлор, триоксид серы, гидроксид натрия и органические кислоты, практически не оказывают на него воздействия. Только расплавленные щелочные металлы могут удалять атомы фтора из молекул ПТФЭ, образуя фториды и окрашивая поверхность в темно-коричневый цвет.

Изменения свойств ПТФЭ после погружения в химические вещества.

Другие свойства

В атмосферных условиях, поскольку в молекулах ПТФЭ отсутствуют фоточувствительные группы, и озон не вступает с ним в реакцию, его устойчивость к атмосферному старению чрезвычайно высока. Даже после длительного воздействия атмосферы поверхность остается неизменной. При переработке ПТФЭ в изделия не требуется добавлять антивозрастные агенты или стабилизаторы.

Огнестойкость ПТФЭ также очень выдающаяся, с кислородным индексом до 95%. Даже без каких-либо антипиренов его огнестойкость может достигать уровня UL94 V-0.

Нелипкость — ещё одна важная характеристика ПТФЭ. Свободная поверхностная энергия ПТФЭ очень низка, всего 0.019 Н/м, что является самым низким показателем среди известных твёрдых материалов. Поэтому почти все твёрдые материалы не могут прилипнуть к его поверхности. Только жидкости с поверхностным натяжением ниже 0.02 Н/м (такие как эфир, гексан и петролейный эфир) могут полностью смачивать его.

Как перерабатывать ПТФЭ в компоненты

К основным методам формования ПТФЭ относятся компрессионное формование, экструзионное формование и обработка на станках с ЧПУ.

Компрессионное формование

Метод свободного спекания включает равномерное заполнение формы порошком ПТФЭ, формование заготовки при комнатной температуре под давлением 10–100 МПа в прессе, а затем помещение заготовки в нагревательную печь. Температура повышается до 360–380 °C с определенной скоростью для спекания. После равномерного спекания всей заготовки температура печи снижается до комнатной температуры с контролируемой скоростью для получения готового изделия. Этот метод не накладывает никаких ограничений на спекаемый материал во время спекания, поэтому он называется методом свободного спекания. Время выдержки при свободном спекании обычно составляет от нескольких минут до десятков минут, при этом стандартом считается полное устранение пустот. Количество пустот можно проверить, измерив плотность изделия. Чем выше плотность, тем меньше содержание пустот. Более высокое давление и более высокая температура приводят к большей плотности.

Скорость нагрева при спекании обычно контролируется в диапазоне 25–60 °C в час. Чем больше заготовка, тем ниже должна быть скорость нагрева. Время спекания определяется моментом, когда изделие становится прозрачным или полупрозрачным, и варьируется в зависимости от размера изделия. Как правило, для изделия толщиной 1 мм время спекания составляет 5–8 минут. Скорость охлаждения напрямую влияет на кристалличность и физико-механические свойства изделия. Для небольших изделий скорость охлаждения может контролироваться в диапазоне от 50 до 150 °C/час. Для крупных изделий скорость охлаждения не должна превышать 50 °C/час.

В отличие от свободного спекания, метод горячего прессования требует вторичного прессования во второй форме во время спекания после предварительной формовки. Вторичное прессование следует проводить как можно скорее, до того, как заготовка остынет до температуры плавления. Коэффициент расширения заготовки в направлении прессования составляет около 25%, а в вертикальном направлении — 6–10%. Поэтому вторичная форма должна быть спроектирована немного большего размера, чем первичная.

Вторичное прессование предполагает приложение давления во время охлаждения, поэтому скорость охлаждения при этом выше, чем при свободном спекании. Полученный продукт обладает более низкой степенью кристалличности, лучшей прочностью на усталость при изгибе и ударной вязкостью, но более высоким остаточным напряжением. Поэтому обычно требуется постобработка при температуре 120–125 °C.

Эксплуатационные характеристики изделий, полученных методом горячего прессования, в основном зависят от вторичного давления. Более высокое вторичное давление обеспечивает лучшие характеристики, но чрезмерно высокое давление увеличивает образование облоя и приводит к потерям материала. Обычно оно контролируется на уровне 10–20 МПа.

Экструзионное формование

Экструзионная формовка ПТФЭ отличается от экструзии обычных термопластов. Цилиндр машины не нагревается. Шнек служит только для транспортировки и проталкивания сырья. Материал проходит через головку одношнекового экструдера с двойной резьбой, постоянным шагом и постоянной глубиной, затем поступает в фильеру для спекания и охлаждения. С помощью противодавления, создаваемого устройством противодавления, ПТФЭ формуется в толстостенные трубки, стержни и другие специальные профили.

Тефлоновое покрытие/покрытие из ПТФЭ

ПТФЭ можно наносить методом распыления для образования покрытий и облицовок. Процесс распыления в основном включает обработку подложки, распыление и спекание. Основными материалами подложки являются сталь, чугун, алюминий, алюминиевые сплавы, керамика и стекло. Медь и медные сплавы распыляются сложнее, а олово, цинк и свинец распыляться невозможно. Для обеспечения равномерного распыления и прочного покрытия все участки под прямым углом на подложке должны быть скошены, рекомендуемый радиус скоса составляет 3–10 мм. Перед распылением поверхность подложки также необходимо обезжирить и придать ей шероховатость. Обезжиривание может быть выполнено высокотемпературным обезжириванием при 380 °C или распылением пара под высоким давлением. Шероховатость обычно достигается пескоструйной обработкой.

Обработка ПТФЭ с ЧПУ

Политетрафторэтилен обладает низкой прочностью, низкой твердостью, плохой теплопроводностью и высоким коэффициентом теплового расширения. При обработке ПТФЭ на станках с ЧПУ необходимо выбирать соответствующие инструменты, определять разумные параметры резания, учитывать соответствующий припуск на обработку и обеспечивать достаточное охлаждение (обычно сжатым воздухом) в соответствии со свойствами материала, условиями обработки и требованиями к качеству. Таким образом, можно достичь высокого качества и точности обработки.

Токарная обработка ПТФЭ с ЧПУ

При токарной обработке ПТФЭ на станках с ЧПУ наружный диаметр, внутренняя и внешняя овальность, а также изменения внутренней и внешней конусности относительно велики и нерегулярны. Поэтому при черновой обработке следует использовать больший угол заточки, чтобы уменьшить усилие резания и предотвратить упругую деформацию заготовки. При чистовой обработке можно использовать меньший угол заточки для улучшения теплоотвода инструмента и снижения температуры резания.

Сверление с ЧПУ с использованием ПТФЭ

Самая большая проблема при сверлении ПТФЭ на станках с ЧПУ — это своевременное удаление стружки. Обычно принимаются следующие меры:

• Для облегчения удаления стружки используйте сверла с малым углом наклона спирали и канавками для удаления стружки.
• Максимально снизьте скорость сверления. Выберите более низкую скорость подачи, обеспечив при этом эффективность сверления, и используйте многократные отводы для своевременного удаления стружки, что улучшит качество поверхности и точность обработки.

Как правило, после заточки угол наклона спирали сверла составляет около 10°–15°, угол зазора — 9°–20°, а угол заточки — 60°–120°. Скорость сверления зависит не только от обрабатываемого материала, но и от размера и глубины отверстия. Для ручных сверл наилучший эффект достигается при 900 об/мин, а для стационарных настольных сверл — при 2100 об/мин со скоростью подачи 1.3 мм/с.

Фрезерование ПТФЭ с ЧПУ

При фрезеровании ПТФЭ на станке с ЧПУ передний угол фрезы должен быть больше, чем при фрезеровании металла, обычно более 6° (6°–15°). Угол зазора также должен быть больше, чем при фрезеровании металла. Фрезерование металла на станках с ЧПУУгол резания обычно превышает 10° (15°–30°). Скорость резания при фрезеровании следует контролировать на уровне 180–300 мм/мин, подача за оборот должна составлять 0.05–0.13 мм/об, а глубина резания — около 0.1 мм/с. Шероховатость поверхности уменьшается с уменьшением скорости подачи. В производстве рекомендуется боковое фрезерование, чтобы избежать пригорания заготовки. Для черновой обработки следует выбирать прямозубые фрезы с высокой прочностью и простой конструкцией. Для чистовой обработки следует выбирать ломаные фрезы с меньшей прочностью, но большим стружкоотводящим пространством.

Применение обработанных компонентов из ПТФЭ

5G-коммуникации

Медные ламинаты FR4, широко используемые в телекоммуникационной отрасли, в качестве подложки используют эпоксидную смолу, но они обладают высокими потерями и не подходят для высокочастотной связи.

Для 5G требуются высокочастотные медные ламинаты с низкой диэлектрической постоянной и низким коэффициентом диэлектрических потерь. В настоящее время ПТФЭ является полимерным материалом с самой низкой диэлектрической постоянной. Его диэлектрические свойства и диэлектрические потери соответствуют требованиям базовых станций связи 5G. Поэтому ПТФЭ постепенно используется в высокочастотной связи, такой как 5G, аэрокосмическая отрасль и военная техника. Медные ламинаты, изготовленные из него, называются высокочастотными медными ламинатами. В области 5G ПТФЭ также часто используется для изготовления полугибких коаксиальных кабелей, радиочастотных коаксиальных кабелей и плат радиолокационных антенн.

Водородная энергия

В области водородной энергетики ПТФЭ в основном используется для герметизации щелочных электролизеров, а также в качестве армирующего материала для протонно-обменных мембран в топливных элементах с протонно-обменной мембраной и при электролизе воды.

В щелочных электролизерах уплотнительные прокладки являются основным компонентом и обеспечивают как герметизацию, так и изоляцию. Утечка — один из важных факторов, влияющих на срок службы и безопасность щелочных электролизеров. Упругость при сжатии и ползучесть уплотнительных прокладок являются важными показателями для оценки их характеристик. В Китае материалы для герметизации щелочных электролизеров претерпели множество изменений: листы из асбестовой резины → тканевые диафрагменные прокладки → прокладки с наполнителем из ПТФЭ. В настоящее время в Китае в основном используются уплотнительные прокладки из ПТФЭ. ПТФЭ наполняют и модифицируют армирующими наполнителями, такими как стекловолокно, оксид алюминия и графит, затем формуют и спекают для образования уплотнительных прокладок.

Мед

Низкое трение ПТФЭ делает его менее подверженным износу при длительном использовании в организме, тем самым снижая осложнения, вызванные износом. В то же время, это затрудняет образование отложений крови и других биологических жидкостей на его поверхности, снижая риск тромбоза. Это делает его популярным материалом для покрытия различных медицинских устройств, таких как катетеры и стенты. Такое покрытие может уменьшить трение при перемещении устройства внутри тела и снизить риск повреждения тканей.

ПТФЭ — мягкий, легко поддающийся формовке материал, обеспечивающий естественные результаты имплантации, что делает его подходящим для пластической хирургии. Его эффективность превосходит эффективность традиционного силиконового каучука. Использование ПТФЭ позволяет достичь хороших послеоперационных результатов, которые являются рентгеноконтрастными, стабильными и естественными. Наиболее распространенные области применения — имплантаты для носа, челюстной кости или других мягких тканей. Он также может использоваться для удаления морщин на лице, увеличения губ, восстановления поврежденных мягких тканей или в качестве поддерживающего материала.

Допуски и возможности станков с ЧПУ Getzshape

Компания Getzshape предоставляет высококачественные услуги по изготовлению деталей на станках с ЧПУ, обработке листового металла, электроэрозионной обработке, литью под давлением и многому другому. Ниже перечислены наши возможности по обработке нержавеющей стали на станках с ЧПУ.