Широкие возможности благодаря наполнителям

Детали, изготовленные из PTEF/TFM (политетрафторэтилен или тефлон) и модифицированного PTEF/TFM, применяются практически во всех отраслях промышленности: автомобилестроении, приборо- и машиностроении, электротехнической промышленности и медицинской технике. Состав материалов подбирается в каждом случае индивидуально, в зависимости от особенностей сферы применения.

Важнейшим представителем фторополимеров по-прежнему является PTFE (далее тефлон), полукристаллический материал на основе тетрафторэтилена (TFE). Температура плавления составляет около 327°C. По причине очень высокого молекулярного веса - 108g/mol - вязкость плавления настолько высока, что для обработки данного материала требуются специальные технологии прессования и спекания или же так называемая экструзия пасты. Важнейшие свойства тефлона - почти универсальная химическая устойчивость, диапазон рабочих температур от -250°C до +250°C, низкая гигроскопичность, неограниченная устойчивость к погодным условиям, отсутствие охрупчивания и антиадгезивные свойства, устойчивость к старению. Кроме того, тефлон обладает наименьшим коэффициентом трения среди твердых материалов, а также отличными диэлектрическими свойствами. Путем сополимеризации с небольшим количеством полимера с таким же высоким содержанием фторированных звеньев PPVE и снижения молекулярного веса создается новый материал, который хотя и поддается такой же обработке, как и тефлон, но обладает более высокими эксплуатационными свойствами. Среди которых, прежде всего, следует отметить более низкую вытяжку на холоде и более низкую проницаемость, а также уменьшение объема пор и более низкий индекс SVI (которым характеризуется тенденция материала к образованию пор в процессе вытяжки).

Роль наполнителей

Тефлон и модифицированный тефлон в процессе обработки проходят стадию спеканию, где максимальная температура достигает 370-380?С, поэтому наполнители также должны обладать устойчивостью к высоким температурам. В качестве неорганических наполнителей обычно используются стекловолокно, уголь (порошок/волокна), графит, бронза, дисульфит молибдена, стальной порошок, оксид алюминия, фторид кальция и слюда. Среди органических наполнителей высокой термостойкостью обладают полиимид Р1, полифенилсульфид PPS, полиамидимид PAI, полиетеретеркетон PEEK, полифенилсульфон PPSO2, ароматический полиестер и арамид.

Основной задачей наполнителей в тефлоновых компаундах является снижение истирания при движении в контакте с сопряженной поверхностью (рис.2), а также снижение характерной для тефлона вытяжки на холоде при сжимающих нагрузках (рис.4). Поскольку компаунды обычно обладают более высоким коэффициентом трения, чем тефлон и модифицированный тефлон без наполнителей (рис.3), зачастую требуется добавление компонента в качестве "внутренней смазки". Среди неорганических наполнителей данную функцию обычно выполняют графит и сульфид молибдена. Органические наполнители в меньшей степени, чем неорганические повышают коэффициент трения, поэтому тефлоновые компаунды с органическими наполнителями обычно не требуют введения дополнительных компонентов.

Даже рассматривая одни наполнители можно заметить как синергические, так и разнонаправленные эффекты. Еще сложнее выглядят взаимосвязи в сочетании с матрицей модифицированного тефлона.

Два случая

Посадочные кольца и уплотнительные элементы для запорной арматуры в химической промышленности: для того чтобы арматура могла обеспечить надежное уплотнение в условиях высокого давления и высоких температур, для ее изготовления необходим материал, характеризующийся низкой вытяжкой на холоде и по возможности универсальной устойчивостью к химически агрессивным средам. При большом количестве переключений добавляется еще одно требование: устойчивость к истиранию.

Уменьшение вытяжки на холоде достигается добавлением к модифицированному тефлону наполнителя. Чем больше содержание наполнителя, тем выше усилие включения ввиду повышения коэффициента трения и, следовательно, ниже коэффициент истирания уплотнительного элемента. В результате повышается срок эксплуатации детали. В таких арматурах в качестве сопряженной поверхности обычно выступает нержавеющая сталь. Однако наполнители снижают почти универсальную устойчивость исходного материала к химически агрессивным средам, повышают проницаемость материала и оказываются препятствием, в некоторых случаях непреодолимым, при получении допусков различных организаций, например, BGVV (Федеративное управления по здравоохранению ФРГ) или FDA (Управление по контролю за пищевыми и лекарственными препаратами).

В данном случае оптимальным материалом оказался модифицированный тефлон. Наполнитель вводится только в том случае, если большое количество циклов включений/выключений требует более высокой стойкости к истиранию. В качестве наполнителей могут использоваться стекловолокно или уголь.

Типичные требования к уплотнительным кольцам для автомобильных алюминиевых двигателей таковы: высокая производительность, минимальная сила трения, минимальный износ и максимально щадящее воздействие на сопряженную поверхность. Минимальный износ при высокой производительности достигается только введением наполнителей. Решение в пользу тефлона или модифицированного тефлона существенной роли не играет. Почти все неорганические наполнители исключаются, поскольку одним из требований является щадящее воздействие на сопряженную поверхность. В качестве наполнителя должен быть выбран органический полимер с высокими эксплуатационными свойствами или углеволокно. При комбинировании различных органических наполнителей один компонент может отвечать за предотвращение деформации и истирания, а другой компонент - за снижение коэффициента трения.

Несколько стандартных примеров использования данного материала: