ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ  ДЕТАЛЕЙ,  СОДЕРЖАЩИХ  ФТОРОПЛАСТ

Волков  Иван  Александрович

магистрант  1  курса,  факультет  элитного  образованияи  магистратуры  ОмГТУ,  РФ,  г.  Омск

E-mail:  bki-omsk@rambler.ru

Моргунов  Анатолий  Павлович

научный  руководитель,  д-р  техн.  наук,  профессор  кафедры  ТМ  ОмГТУ,  РФ,  г.  Омск

Производству  и  применению  деталей  и  смазки,  содержащих  фторопласт  посвящен  ряд  работ  отечественных  и  зарубежных  авторов.

Среди  отечественных  исследователей  значительный  научный  вклад  внесли  Вайнштейн  В.Э.,  Трояновская  Г.И.,  Гацков  В.С.,  Северин  П.А.,  Грушевский  В.Л.,  Чичинадзе  А.В.,  Горяинова  А.В.,  Божков  Г.К.,  Тихонова  М.С.,  Истомин  Н.Л.,  Семенов  А.Л.,  Белый  В.А.,  Матвеевский  Р.М.,  Поздняков  В.В.,  Ганз  С.Н.,  Пархоменко  В.Д.,  Федорченко  И.М.,  Паншин  Ю.А.,  Малкевич  С.Г.,  Чегодаев  Д.Д.,  Наумова  З.К.,  Дунаевская  Ц.С.,  Пружанский  Л.Ю.,  Паллагова  Э.С.,  Глинский  В.Л.,  Черский  И.Н.,  Гаркунов  Д.Н.,  Белобородов  И.И.,  Колесниченко  Л.Ф.,  Ярошевич  В.К.,  Белоцерковский  М.А.,  Кончаковский  В.А.,  Мирошников  В.К.,  Усанович  Л.Ю.,  Меерсон  Г.А,  Тимофеев  В.Г.,  Кипарисов  С.С.  и  другие.

Зарубежные  авторы,  исследовавшие  материалы  и  детали,  произведенные  с  использованием  фторопласта:  Miltz  W.C.,  Sargent  L.B.,  Neale  M.J.,  Jrurin  A.S.,  Lancaster  J.K.,  Shooter  К.Y.  и  другие.

Группу  фторсодержащих  полимеров  получаемых  путем  полимеризации  тетрафторэтилена  принято  называть  фторопласт.  Этот  полимер  обладает  просто  уникальными  качествами.  Связь  атомов  углерода  и  фтора,  в  этой  специфической  структуре  молекул,  чрезвычайно  сильна,  что  и  определяет  набор  физических  и  химических  характеристик  фторопластов,  сочетание  которых  не  встречаются  ни  в  каких  других  материалах.

Фторопласты  имеют  очень  высокую  устойчивость  к  воздействию  химических  сред.  Обладают  удовлетворительными  прочностными,  отличными  антифрикционными,  диэлектрическими  и  антиадгезионными  параметрами,  и  имеют  способность  сохранять  эти  свойства  в  температурном  диапазоне  от  -260°С  до  +260°С,  малый  удельный  вес,  устойчивость  к  радиационным  излучениям,  малая  пористость  и  хорошая  эластичность,  малая  теплопроводность,  водоотталкивающие  свойства,  высокая  морозостойкость,  плавление  при  температуре  +327°С,  возможность  обработки  методом  точения,  сверления,  шлифования  либо  фрезерования,  абсолютная  биологическая  и  физиологическая  безвредность  для  человека  и  окружающей  среды,  срок  службы  —  около  20  лет.

Для  улучшения  требуемых  характеристик  полимеров  в  них  добавляют  различные  наполнители  (табл.  1). 

Таблица  1.

Влияние  наполнителей  на  свойства  фторопласта

Особые  свойства  фторопласта,  их  уникальное  сочетание  обуславливает  сферы  его  применения  и  использования.  К  этим  свойствам  относится:  стойкость  к  атмосферным  и  химическим  воздействиям,  замечательные  антифрикционные  и  уплотнительные  свойства,  отличные  антиадгезионные  и  превосходные  диэлектрические  и  электрические  свойства,  высокая  термостойкость  и  абсолютная  инертность  к  пищевым  и  биологическим  средам.

Фторсодержащие  полимеры  благодаря  своим  уникальным  свойствам  стали  незаменимыми  для  электротехнической,  химической,  радиоэлектронной  промышленности,  машиностроения,  производства  кабельной  продукции  и  проводов,  авиастроении  и  приборостроении,  автомобилестроении,  энергетической  и  атомной  промышленности.  В  производстве,  применение  фторопласта,  модифицированного  различными  наполнителями,  наиболее  часто  наблюдается  в  изготовлении:

·     узлов  трения,  выполняющих  роль  подшипников  скольжения;

·     уплотнительных  систем  в  виде  уплотнительных  колец,  манжет,  как  прокладки  из  фторопласта,  для  механических  и  гидравлических  устройств,  а  также  плунжерных  и  поршневых  компрессоров;

·     направляющих  конструкций  для  перерабатывающего  пищевые  продукты  оборудования,  для  загрузочных  автоматов  и  сборочных  конвейеров;

·     опор  скольжения  в  конструкциях  железнодорожных  и  автомобильных  мостов;

·     направляющих  для  тросов  строительных  и  промышленных  механизмов;

·     различных  систем  управления,  систем  реверсивных  устройств,  систем  нейтрализации  газа  и  жидкостей;

·     протезов  кровеносных  и  сердечных  сосудов,  емкостей  для  хранения  крови  и  других  изделий  в  медицинской  отрасли.

Детали  и  изделия  из  фторопласта,  а  также  композиций  на  его  основе,  широко  применяются  в  химической  аппаратуре  в  виде:  емкостей,  диафрагм,  мембран,  клапанов,  трубопроводов,  уплотнительных  устройств  и  прокладок,  колонн,  лент  для  транспортеров.

Чрезвычайно  высокая  стойкость  к  химическому  воздействию,  позволяет  фторопластовым  изделиям  длительно  противостоять  воздействию  солнечной  радиации,  морского  тумана,  плесневых  грибков.

Нейтральность  по  отношению  к  органическим  и  неорганическим  реагентам  настолько  высока,  что  даже,  не  имеется  методов,  для  испытания  на  стойкость  в  таких  средах.  Высокая  стойкость  к  радиации,  позволяет  применять  фторопласт,  для  изолирования  проводов  оборудования  атомных  электростанций.

Провода  во  фторопластовой  изоляции,  можно  применять  как  нагреватели,  непосредственно  работающие  в  растворах  щелочей  и  кислот.  Им  не  страшны  протекания  керосина,  масла,  гидравлических  жидкостей,  повышенные  температуры,  поэтому  нашли  широкое  применение  в  качестве  бортовых  кабелей  самолетов.  Неоспоримо  их  преимущество  при  эксплуатации  в  условиях  разреженной  атмосферы,  где  теплоотводящие  возможности  уменьшены.

Физические  свойства  и  технические  характеристики  фторопласта  поистине  уникальны.

Диэлектрическая  проницаемость  фторопласта  практически  не  зависима  от  температуры,  что  сказывается  на  его  фаз  стабильности,  то  есть,  электрическая  длина  не  измена  в  большом  температурно  частотном  диапазоне.  Поэтому,  он  используется  в  РЭА,  работающих  с  фазово-импульсной  модуляцией,  в  измерительных  фаз  чувствительных  устройствах  и  РЛС.

Негорючесть  фторопласта,  еще  одно  его  положительное  качество,  загораться  он  способен  только  в  кислороде,  чем  сильно  отличается  от  полиэтилена,  при  этом  теплота  сгорания  в  десять  раз  меньшая,  чем  у  полиэтилена.  При  горении  он  не  плавится,  а  только  обугливается.  В  дыме  содержится  фтор  фосген,  который  ядовит,  поэтому  надо  учитывать  то,  что  при  нагреве  выше  773˚К  начинают  выделяться  опасные  газы.  Фторопласт  не  поддерживает  горение,  и  при  удалении  его  из  открытого  пламени,  его  горение  прекращается.  Фторопласт  при  его  нагревании  в  вакууме  не  склонен  к  выделению  газообразных  составляющих,  поэтому  его  хорошо  использовать  в  качестве  подложки  в  ГИС  на  тонких  пленках.  Все  эти  незаурядные  качества  фторопласта,  свидетельствуют  о  том,  насколько  он  уникален,  и  том,  что  у  полимеров  большие  перспективы  в  будущем.

Но  у  фторопласта  есть  и  недостатки.  Из-за  своей  химической  инертности  он  пассивен  адгезионно,  то  есть,  практически  не  поддается  склеиванию.  Однако  уже  найдены  способы  преодоления  этого  недостатка,  при  помощи  обработки  расплавами  окислителей  при  температуре  свыше  370  ˚К  или  плазмой  тлеющего  разряда  в  среде  кислорода.  Таким  образом,  изготавливаются  фторопластовые  фольгированные  пленки,  а  также  пленки,  имеющие  одну  липкую  сторону.

Такая  характеристика,  как  температура  плавления  фторопласта  327  °С,  взаимосвязана  с  тем,  что  при  увеличении  температуры  он  не  переходит  в  состояние  вязко  текучести.  Поэтому,  он  не  перерабатывается  в  экструдерах,  из-за  еще  высокой  вязкости  при  350  °С,  находящейся  в  пределах  1010  Па-с.  Вследствие  этого  пленку  приходится  готовить  с  помощью  более  дорогого  метода,  ее  изготавливают  на  прецизионных  токарных  станках  способом  строжки.

Еще  один  из  недостатков  фторопласта  заключается  в  том,  что  под  нагрузкой  он  плохо  работает,  и  обладает  ползучестью.  Поэтому  приходится  улучшать  его  механические  свойства,  прибегая  к  модифицированию  радиационным  воздействием  и  армированию  стекловолокном. 

Для  производства  заготовок  типа  фторопласт  пластины,  фторопласт  стержни,  фторопласт  круг,  применяется  способ  холодной  прессовки  и  дальнейшего  спекания.  Прессование  производится  на  прессах  с  гидравлическим  приводом,  работающих  с  давлением  350  кгс/см2.

Более  качественные  заготовки  получаются  при  двустороннем  прессовании.  Спекание  происходит  при  температуре  370—385  °С  и  длится  в  течение  нескольких  суток.  Длительность  этого  процесса  зависит  от  массы  спекаемых  заготовок.  Если  спекание  производится  с  температурой  выше  385  °С,  механическая  прочность  заготовки  снижается,  если  ниже  370  °С  увеличивается  продолжительность  спекания.  Условия  прессования  и  дальнейшего  спекания  напрямую  зависят  от  того,  какой  полимер  при  этом  применяется,  и  каковы  габариты  заготовки.

«Способ  изготовления  многослойного  объекта,  содержащего  слой  фторопласта  и  слой  эластомера  включает  подготовку  изделия,  содержащего  слой  отверждаемого  эластомера,  при  этом  изделие  имеет  наружную  поверхность,  готовую  для  нанесения  на  нее  слоя  фторопласта.  Обеспечивают  термическую  изоляцию  слоя  отверждаемого  эластомера  до  нанесения  на  него  слоя  фторопласта.  Затем  наносят  фторопластовую  композицию,  содержащую  регулярно  чередующиеся  звенья,  образующиеся  при  полимеризации  винилиденфторида,  на  наружную  поверхность  изделия  с  целью  получения  слоя  фторопласта.  Нагревают  слой  фторопласта  и  отверждают  слой  отверждаемого  эластомера»  [3,  с.  1].

При  изготовлении  деталей  из  металлополимерных  материалов  сохранение  полимеров  в  материале  обеспечивают  снижением  температуры  спекания  ниже  температуры  термодеструкции  фторо­пласта  или  применением  горячего  прессования.

В  Германии,  Франции  и  Великобритании  были  разработаны  способы  спекания  при  пониженной  температуре,  заключающиеся  в  многократном  циклическом  изменении  атмосферы  спекания  с  окислительной  на  восстановительную  с  длительностью  цикла  не  более  600  с.

В  Австрии  предложена  технология,  позволяющая  вводить  ПТФЭ  непосредственно  в  шихту  и  заключающаяся  в  подготовке  шихты  из  порошков  ПТФЭ,  тугоплавкого  металла  (меди,  бронзы,  никеля,  железа),  легкоплавкого  металла  (олова,  свинца,  висмута  или  их  сплавов),  твердой  смазки  (дисульфида  молибдена,  графи­та),  формировании  изделий  из  шихты  и  их  спекании  при  темпера­туре  ниже  температуры  термодеструкции  ПТФЭ,  но  выше  темпе­ратуры  плавления  легкоплавкого  металла.

«Метод  горячего  прессования  был  разработан  в  1955  году  Филлиповым  А.Н.  Предложено  спекать  материалы  с  твердыми  смазками  под  давлением  400—800  МПа  при  температурах  573—778  К  в  течение  5—300  с.

Для  получения  металлофторопластовых  покрытий  на  основе  различных  металлических  порошков  разработан  способ,  ис­пользующий  повышение  температуры  термодеструкции  ПТФЭ  с  ростом  давления  прессования.  Покрытия  на  изделиях  получают  спеканием  с  одновременным  припеканием  антифрикционного  слоя  из  шихты,  в  состав  которой  входят  порошки  металлов  и  ПТФЭ,  электроконтактным  методом  при  температурах  973—1073  К  и  давлениях  200—300  МПа.

Активирование  процесса  спекания  при  горячем  прессовании  бронзофторопластовых  материалов  из  шихты  осуществлено  при­менением  высокодисперсных  восстановленных  порошков  бронзы.

Способ  изготовления  металлофторопластовых  материалов  и  деталей  из  шихты  отличается  простотой,  но  не  обеспечивает  высоких  характеристик  при  содержании  ПТФЭ  более  30  %  по  объему.  Хорошими  антифрикционными  свойствами  и  высокой  износостойкостью  материал  обладает  при  содержании  ПТФЭ  в  нём  более  42  %  по  объему»  [3,  с.  1].

«Способ  изготовления  ленты  из  фторопласта.  Формование  таблетки-заготовки  целиком  или  частями  производят  путем  поочередного  наращивания  цилиндрических  слоев  с  различным  содержанием  и  составом  наполнителя  или  их  фрагментов  из  неуплотненной  пасты  с  прессованием  каждого  слоя  или  его  фрагмента  в  отдельности  для  получения  многослойной  таблетки-заготовки  с  функциональными  слоями,  которую  экструдируют  через  насадку,  а  полученную  трубку  разрезают  вдоль  образующей,  развертывают  на  плоскость  и  раскатывают  на  валках.  Полученную  ленту  термофиксируют  путем  накручивания  на  металлический  барабан  с  фиксацией  свободных  концов  ленты,  чередуя  операции  нагрева  и  охлаждения.

Последовательность  реализации  способа,  в  соответствии  с  технологией,  включает  следующие  основные  операции:

·     приготовление  однородной  массы  из  смеси  порошков  фторопласта,  инертного  наполнителя  (если  требуется  и  органической  смазки);

·     таблетирование,  то  есть  формование  заготовки-таблетки  целиком  или  фрагментарно  поочередным  наращиванием  цилиндрических  слоев  (как  и  их  частей)  из  массы,  насыщенной  воздухом,  сопровождающимся  уплотнением  всех  слоев  (или  его  фрагментов)  в  отдельности,  как  правило,  компрессионно-изостатическим  или  изостатическим  прессованием;

·     получение  из  заготовки-таблетки  трубки  при  помощи  метода  поршневой  экструзии  через  концентрическую  щель;

·     термообработка  продукта  экструзии  (высушивание,  спекание  и  закаливание);

·     разрезание  трубки  вдоль  образующей;

·     развертывание  разрезанной  трубки  на  плоскость;

·     раскатывание  ленты  на  валках  с  регулируемым  зазором;

·     термофиксация,  заключающаяся  в  наматывании  ленты  на  калибровочный  барабан,  фиксации  свободных  концов  ленты  и  нагрева  чередующегося  с  охлаждением»  [2,  с.  1].

«Метод  получения  покрытий  из  фторопластов  на  металле.  Технологическая  характеристика  метода  следующая:  в  камере,  имеющей  откачивание  воздуха,  с  помощью  специального  пистолета-распылителя,  генерирующего  электростатический  заряд  до  30  кВ,  сжатым  воздухом  (0,2—1,2  кгс/см²)  производится  распыление  порошка  на  сторону  заземленной  металлической  поверхности»  [1,  с.  28].

Как  правило,  наносится  от  трех  до  девяти  слоев.  После  нанесения  следующего  слоя  порошка  производится  процесс  его  термообработки  в  печи  при  температуре,  задаваемой  маркой  фторопласта  (от  180  °С  до  360  °С).  Выдержка  слоя  в  печи  не  менее  20—30  мин.  Предусмотрено  откачивание  порошка,  не  попавшего  на  поверхность,  и  направление  его  в  процесс.  Опыт  применения  порошковых  полимерных  материалов  подтвердил  их  высокую  эффективность.  С  помощью  данного  метода  можно  создавать  покрытия  на  оборудовании  сложных  геометрических  форм.

Методом  напыления  фторполимеров  получают  электро-,  тепло-  и  звуко-  изоляционные  покрытия  по  металлу,  антикоррозионные,  декоративные,  стеклу,  бетону,  керамике,  в  том  числе  на  поверхностях  полых  крупногабаритных  изделий,  в  том  числе,  емкостей.  По  трудоемкости  метод  может  быть  сравним  с  нанесением  лакокрасочных  покрытий  и  эффективнее  гальванических  покрытий  примерно  в  пять  раз.

Метод  плунжерной  экструзии  —  это  непрерывный  процесс  получения  труб,  стержней,  различных  профильных  изделий  из  фторопласта  —  4  и  его  композиций  с  наполнителями.

Плунжерная  экструзия  в  сравнении  с  компрессионным  прессованием  имеет  следующие  преимущества:

1.  изготовление  изделий  с  большой  точностью  размеров,  что  облегчает  дальнейшую  обработку  и  снижает  количество  отходов;

2.  производство  изделий  большой  длины,  ограниченной  возможностями  приёмки  изделия.

Способ  производства  композиционных  материалов  из  водной  суспензии  фторопласта-4Д  и  суспензии  наполнителя  в  ацетоне.  При  сливании  этих  суспензий  в  емкость  и  непрерывном  перемешивании  происходит  их  совместная  коагуляция,  в  результате  которой  образуется  пастообразная  смесь  (жидкость,  отделяющуюся  при  коагуляции,  сливают).  Для  очистки  пасты  от  остатка  стабилизатора,  вводимого  в  суспензию  фторопласта  при  изготовлении  (для  предотвращения  коагуляции  при  хранении),  ее  промывают  водой.  Оставшуюся  воду  отжимают  из  пасты  в  центрифуге  с  дальнейшим  просушиванием  в  термостате  при  температуре  90°  С.  Далее  полученный  порошок  прессуют  и  спекают  под  давлением  в  пресс-формах.

Метод  получения  наполненных  фторопластов,  содержащих  наряду  с  порошкообразными  наполнителями  (графитом  и  дисульфидом  молибдена)  измельченое  стекловолокно.  В  качестве  исходных  материалов  при  производстве  содержащего  стеклянное  волокно  материала  ФКН-14  применяют  фторо-пласт-4  марки  Б,  графитовый  порошок,  дисульфид  молибдена  и  стеклянную  нить  НС  150/2.

Стеклянная  нить  разрезается  на  отрезки  длиной  1—2  мм  и  обжигается  при  температуре  400°С  в  течение  20—30  минут  для  удаления  органических  включений  (замасливателя).  Далее  фторопласт,  стекловолокно  и  другие  наполнители  (предварительно  просеянные  через  сито  с  размером  ячеек  160  мкм)  поступают  из  бункера  в  смеситель,  куда  из  емкости  подается  этиловый  спирт  в  соотношении  1:25  (по  массе).  Приготовленная  исходная  смесь  поступает  в  коллоидную  мельницу  ударно-кавитационного  вида,  в  которой  подвергается  десятикратному  измельчению.  После  этого  смесь  фильтруют,  влажную  композицию  целиком  протирают  через  сито  с  размером  ячеек  3x3  мм  и  высушивают  на  перфорированных  противнях  при  температуре  120-150°  С.

Список  литературы:

1.Выражейкин  Е.С.,  Логинов  Б.А.  Фторполимеры  как  материалы  для  химической  защиты  оборудования  и  трубопроводов//CONFTOR.RU:  Консорциум  «Фторполимерные  материалы  и  нанотехнологии».  2008.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:http://www.conftor.ru›dv_equ/himzashita.pdf  (дата  обращения  23.12.2013).

2.Изготовление  материалов  и  деталей  из  смесей,  содержащих  фторопласты  //  Мастерская  своего  дела:  оборудование  для  малого  и  среднего  бизнеса,  производств.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://msd.com.ua/ftoroplasty/izgotovlenie-materialov-i-detalej-iz-smesej-soderzhashhix-ftoroplasty/  (дата  обращения  23.12.2013).

3.Способ  изготовления  многослойного  объекта,  содержащего  слой  фторопласта  и  слой  эластомера:  пат.  2286878  Рос.  Федерация.  №  2003104012/12;  заявл.  08.08.2001;  опубл.  10.11.2006  Бюл.  №  31.  15  с.