Фторопласт -4 – кристалічний полімер, температурою плавлення кристалітів 327°З температурою склування аморфних ділянок від -100 до -120°С. Навіть при температурі вище за температуру розкладання (415°С) фторопласт-4 не переходить у в'язкотекучий стан (при 370°С в'язкість його розплаву дорівнює ≈1011П, тобто в 1000000 разів більше в'язкості, (необхідної для лиття під тиском), тому переробка його можлива лише шляхом спікання відпресованих таблеток.
Залежно від швидкості охолодження (до температури нижче 250°С) після спікання можна отримати загартовані вироби зі ступенем кристалічності ≈50% і щільністю ≈2,15 г/см3 або незагартованими зі ступенем кристалічності понад 65% щільністю вище 2,20 г/см3 .При температурі експлуатації та від -269°С до +260°С ступінь кристалічності, досягнутий при даному режимі охолодження, не змінюється, при температурі вище 260°С ступінь кристалічності поступово збільшується, особливо швидко вона виростає 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 | – | – |
Про відсутність пористості свідчить повна прозорість зразка під час спікання при 370-390°С. Навіть незначна пористість викликає каламутність зразка. Пористість, що дорівнює приблизно 0,1-0,2%, помітно впливає на точність визначення густини.
Дані щодо залежності питомого об'єму та щільності від температури для зразка зі ступенем кристалічності 68% (щільність повільно охолодженого виробу) наведено нижче:
| 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 нагріванні від 19,6 до 22°C подовжений обсяг збільшується на 0,74%
** При 327°С подовжений обсяг збільшується на 20%.
ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ФТОРОПЛАСТА-4
Основні показники фізико-механічних властивостей фторопласту-4 наведені нижче:
| 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 |
Залежно від того, як вирізаний зразок: упоперек напрямку пресування-високі значення, вздовж напрямку пресування-малі.
| 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 |
Дані щодо залежності фізико-механічних властивостей фторопласту-4 від температури наведені нижче.
Фізико-механічні властивості фторопласту-4 за низьких температур
| 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%.
Залежність деформації фторопласту-4 при стисканні від температури:
| 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 тривалому впливі навантажень залишкові деформації виникають при менших напругах (40-50% від розрахованих за формулою).
При конструюванні виробів із фторопласту-4 слід враховувати повзучість. Повзучість (деформація при тривалій дії навантаження) розраховується за такою формулою:
lgγt=lgγ1+a·lgt
де γt - деформація за t добу; γ1 – деформація за 1 добу; а - коефіцієнт, що залежить в основному від температури і меншою мірою від навантаження, якщо вона не перевищує 40-50% межі плинності.
Значення коефіцієнта і деякі дані про повзучості для зразків зі ступенем кристалічності 50% наведені в таблиці. Деформація за 1 добу (γ1) при інших навантаженнях та температурах визначається дослідним шляхом. При ступені кристалічності 65-68% повзучість менше.
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 |
АНТИФРИКЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ФТОРОПЛАСТА-4
Дані про залежність коефіцієнта тертя від навантаження [статичної та динамічної (при малих швидкостях) коефіцієнти тертя фторопласту-4 сталі без мастила однакові] наведені нижче:
| 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 |
У присутності наповнювача при малих швидкостях ковзання коефіцієнт тертя дещо вищий, а за більших швидкостях – нижче, ніж коефіцієнт тертя чистого фторопласта-4 по стали.
При 327°С (на поверхні тертя) коефіцієнт тертя фторопласта-4 сталі різко зростає (у кілька разів), що призводить до катастрофічно швидкого зносу і руйнування підшипника.
ТЕПЛОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ФТОРОПЛАСТА-4
Неспечений фторопласт-4 (як порошку) має ступінь кристалічності 95 – 98%, після спікання – від 50% (загартований) до 68 – 70% (незагартований). Нижче 19,6°С елементарна осередок кристала фторопласту-4 складається з 13 груп CF2, вище 19,6°З – з 15 груп CF2. При 19,6°С триклінічна упаковка переходить у менш впорядковану, гексагональну, що супроводжується збільшенням обсягу кристалітів на 0,0058 см3/г (1,2 об'ємних %), або збільшенням обсягу зразка при ступеню кристалічності 68% на 0,74% . За наявності зовнішнього тиску точка переходу знижується на 0,013°С кожну атмосферу. При 30°З має місце другий перехід кристалічної структури, але зміна обсягу становить лише 1/10 частина зміни обсягу при 19,6°С. Під високим тиском (4500 кгс/см2 при 70 ° С) виникає третій перехід.
Температура склування аморфних ділянок, визначена за температурою крихкості, коливається від -97 до -100°С, а по точці перегину кривої залежності пружності модуля становить -120°С. Температура переходу аморфного твердого тіла переохолоджену рідина дорівнює 127°С.
При 327°С кристаліти фторопласта-4 плавляться, і він стає повністю аморфним, абсолютно прозорим (за відсутності пористості), високоеластичною, але не тече (в'язкість вище 1011 П). Обсяг зростає на 20%.
Точка плавлення залежить від зовнішнього тиску – кожну атмосферу підвищується на 0,154 °З. При охолодженні розплаву нижче 327 ° С зразок каламутніє і стає непрозорим - молочно-білим. Швидкість кристалізації залежить від температури (максимальна швидкість при 310-315 ° С), від тривалості витримки в розплавленому стані при 370-390 ° С (чим більше час спікання, тим швидше кристалізується зразок) і від середньої молекулярної ваги полімеру (чим нижче молекулярна вага полімеру, тим швидше він кристалізується). На цьому заснований метод непрямої оцінки молекулярної ваги фторопласту-4: зразок у вигляді диска товщиною 2 мм спікають при 370 ° С протягом 13 год і охолоджують від 370 до 250 ° С протягом 5 год. За густиною отриманого зразка при 23 ° С можна оцінити молекулярну вагу: 2,16-2,19 г/см3-для високомолекулярного полімеру, 2,20-2,22 г/см3-для низькомолекулярного.
Нижче наведено деякі теплофізичні властивості фторопласту-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 |
Насправді зручніше користуватися середніми значеннями термічного коефіцієнта лінійного розширення певних інтервалів температур. Слід також враховувати, що при нагріванні виробів з фторопласту-4 у них часто виникають внутрішні напруги, що викликають незворотну зміну розмірів. Іноді замість очікуваного під час нагрівання подовження зразка він скорочується.
Дані, наведені нижче, відносяться до зразків, в яких повністю відсутні внутрішні напруги:
| 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.
ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ФТОРОПЛАСТА-4
Показники електричних властивостей фторопласту-4 наведені нижче:
| 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 |
Діелектрична проникність фторопласту-4 до 1010 Гц не залежить від частоти, а залежить від щільності: є= 1+0,238*d
2-0,119*d
де d - щільність при даному ступені кристалічності та температурі.
Тангенс кута діелектричних втрат залишається незмінним при температурі від -60 до 250оС.
Прогрів при 300оС протягом шести місяців не впливає на діелектричні властивості фторопласту-4.
ХІМІЧНІ ТА ІНШІ ВЛАСТИВОСТІ ФТОРОПЛАСТА-4
Фторопласт-4 є найстійкішим із усіх відомих металів – пластмас, металів, стекол, емалей, сплавів тощо. На нього зовсім не діють кислоти, окисники, луги, розчинники. На фторопласт-4 діють тільки розплавлені лужні метали та їх комплексні сполуки з аміаком, нафталіном, піридином, а також трифтористий хлор та елементний фтор при підвищених температурах. При температурах вище 327оС фторопласт набухає в рідких фторвуглецях, наприклад перфторкеросіні. При 20оС фторопласт-4 злегка набухає (3 – 9%) у фторхлормісних газах (фреонах).
Вище 350оС фторопласт-4 реагує з лужноземельними металами та їх сполуками (окислами та карбонатами), а також з окислами деяких інших металів (свинцю, кадмію, міді).
Фторопласт-4 не змочується водою при короткочасному зануренні (кут змочування 126оС), але змочується при тривалому перебуванні у дистильованій воді (15 – 20 діб). У солоній воді (наприклад, морський) на поверхні фторопласту-4 через 15 – 20 діб відкладається плівка солей, що змивається дистильованою водою.
Водопоглинання за 24 години (і більш тривалий час) нижче помилки зважування (0,00%).
Фторопласт-4 абсолютно стійкий у тропічних умовах і не рухається дії грибків (але і не пригнічує їх розвиток).
Вологопроникність при 20оС дорівнює 3 · 10-9 - 6 · 10-9 г / (см · ч · мм рт. ст.); паропроникність при 20оС становить 0,6 · 10-9 - 1,2 · 10-9 г / (см · ч · мм рт. ст.).
Дані про газопроникність плівки з фтороплавта-4 (за відсутності пор) товщиною 0,1 мм при 20оС [см3/(см·с·мм рт. ст.)] наведені нижче:
| 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 |
За наявності пористості проникність може зростати до 1000 разів.
Фторопласт-4 призначений для видимого світла лише за малої товщини плівки:
Товщина плівки, мм 0,05 0,10 0,15 1,00
Пропускання, %
| 88 |
Властивості фторопластів Ф4К20, Ф4К15М5, Ф4С15, Ф4С15М5, Ф4К15УВ5, Ф4КС2
Наводимо коротку характеристику властивостей фторопласту-4 та композицій на його основі.
| 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 | ||||||
