Тефлон, политетрафторэтилен.

Какие полимеры мы анализируем

Поливинилхлорид, ПВХ.

ПВХ - это бесцветная, прозрачная пластмасса, термопластичный полимер винилхлорида. имеющий следующую химическую формулу: CH2 = CHCl . Поливинилхлорид используют во многих отраслях, таких как медицина, транспорт, строительство, упаковка, игрушки, в производстве строительных и мебельных профилей и панелей, профилей оконных и дверных блоков.

Полиамид, нейлон.

Полиамиды являются одним из наиболее важных и широко используемых классов полимеров. Это высокомолекулярные соединения, имеющие амидные группы в основной цепи полимера, образующие прочные межцепочечные водородные связи, обусловливающие высокую прочность и термическую стабильность полиамидов.

Полистирол. Пенополистирол.

Полистирол (ПС) является одним из самых распространенных виниловых полимеров, который используется в бесчисленном количестве продуктов, от упаковки для пищевых продуктов и пластиковых столовых приборов до изоляции домов. Основными причинами его большой популярности являются низкая стоимость, хорошие механические свойства и простота окрашивания, вспенивания и обработки.

Полибутилентерефталат.

Полибутилентерефталат (ПБТ, PBT) , синтетическая смола , которую получают полимеризацией бутандиола и терефталевой кислоты. ПБТ похож по структуре на полиэтилентерефталат (ПЭТ), разница заключается в количестве метиленовых групп, присутствующих в повторяющихся звеньях молекул полимера . Полибутилентерефталат как немодифицированный, так и наполненный стекловолокном или минеральными наполнителями, используется во многих областях, особенно для изготовления мелких деталей, а так же электротоваров, благодаря своему превосходному электрическому сопротивлению .

Полиэтилентерефталат, ПЭТ

Полиэтилентерефталат (ПЭТ, PET) относится к семейству сложных полиэфиров и представляет собой линейный термопластичный полимер, получаемый поликонденсацтей терефталевой кислоты( или диметилтерефталата) и этиленгликоля. ПЭТ часто используются в смесях с другими волокнами, такими как искусственный шелк , шерсть и хлопок , усиливая присущие этим волокнам свойства и способствуя способности ткани восстанавливаться после образования складок. ПЭТ также используется в качестве наполнителя для утепленной одежды, мебели и подушек. Среди промышленных применений ПЭТ —конвейерные и приводные ремни, арматура для пожарных и садовых шлангов, ремни безопасности, нетканые материалы для использования в качестве верхних слоев подгузников и одноразовой медицинской одежды.

Тефлон, политетрафторэтилен .

Политетрафторэтилен (ПТФЭ, тефлон) — это полимер полученный путем полимеризации тетрафторэтилена . Политетрафторэтилен известен под такими торговыми марками, как Teflon, Fluon, Hostaflon и Polyflon. Структурно существуют различные типы тефлона: ПТФЭ представляет собой полимер, состоящий из повторяющихся мономерных звеньев тетрафторэтилена с формулой: (CF₂-CF₂)_n

Тетрафторэтилен-гексафторпропилен-сополимер FEP: [CF (CF₃) -CF₂ (CF₂-CF₂) _n] _m

Перфторалкиоксиполимеры, PFA имеют те же преимущества, что и тефлон PTFE, со структурой: [CF(OR₂)-CF₂ (CF₂) -CF₂) _n] _m , OR представляет собой перфторалкоксигруппу.

ПТФЭ отличается своей скользкой поверхностью, высокой температурой плавления и устойчивостью к воздействию практически всех химических веществ. Эти свойства сделали его знакомым потребителям в качестве покрытия на антипригарной посуде; из него также изготавливают промышленные изделия, в том числе подшипники, втулки для трубопроводов и детали клапанов и насосов.

Политетрафторэтилен был открыт в 1938 году Роем Планкеттом, американским химиком из EI du Pont de Nemours & Company (ныне DuPont Company) . Коммерческое производство тефлона было начато в 1946 году. Du Pont построила свой первый завод по производству тефлона в Паркерсберге, Западная Вирджиния, в 1950 году. Компания продавала тефлон в качестве покрытия для механически обработанных металлических деталей. В 1960-х годах Du Pont начала продавать кухонную посуду с тефлоновым покрытием. Гладкое тефлоновое покрытие с легкостью противостоит прилипанию даже пригоревшей пищи, поэтому мыть сковороды было легко. В последующие десятилетия были разработаны и проданы другие родственные фторполимеры, так 1985 году компания Du Pont зарегистрировала еще один вариант тефлона, Teflon AF, который растворяется в специальных растворителях.

Получение политетрафторэтилена (ПТФЭ, тефлона).

Исходным сырьем для производства политетрафторэтилена служит тетрафторэтилен (ТФЭ).ТФЭ представляет собой бесцветный, нетоксичный газ без запаха, однако он чрезвычайно легко воспламеняется. Хранится в жидком виде при низкой температуре и давлении. Из-за сложности транспортировки легковоспламеняющегося ТФЭ производители политетрафторэтиленов, тефлона , обычно производят его на месте. В основном производители используют следующий синтез с использованием плавикового шпата, серной кислоты и хлороформа:

Реакция плавикового шпата (CaF₂ ) и серной кислоты дает плавиковую кислоту.

CaF₂ + H₂SO₄→ CaSO₄ + 2HF

Получение монохлордифторметана и тетрафторэтилена (ТФЭ): реакция плавиковой кислоты с хлороформом дает монохлордифторметан.

CHCl₃+ 2HF→ CHClF₂ + 2HCl

Температура кипения монохлордифторметана составляет -40,8⁰С. Он также используется в качестве хладагента. Для приготовления мономера монохлордифторметана пиролизируют, например, пропусканием через платиновую трубку при 700⁰С.

2CHClF₂ →CF₂ = CF₂ + 2HCl

Суспензионная полимеризация

Реакционную камеру заполняют очищенной водой и реакционным агентом или инициатором, химическим веществом, которое запускает образование полимера. Жидкий тетрафторэтилен подается по трубопроводу в реакционную камеру. Когда он встречается с инициатором, начинается реакция полимеризации. Полученный политетрафторэтилен образует твердые зерна, всплывающие на поверхность воды. Реакционная камера механически встряхивается. Химическая реакция внутри камеры приводит к выделению тепла, поэтому камера охлаждается за счет циркуляции холодной воды или другого хладагента в рубашке снаружи. Автоматика отключает подачу мономера после достижения определенного веса продукта политетрафторэтилена внутри реакционной камеры. Воду сливают из камеры.

ПТФЭ сушат и подают в мельницу. Мельница измельчает ПТФЭ с помощью вращающихся лопастей, производя материал с консистенцией пшеничной муки. Этот мелкий порошок трудно формовать. Он имеет «плохую текучесть», что означает, что он не может быть легко обработан на автоматическом оборудовании. Как и в непросеянной пшеничной муке, в ней могут быть как комочки, так и воздушные карманы. Поэтому производители превращают этот мелкий порошок в более крупные гранулы с помощью процесса, называемого агломерацией. Это можно сделать несколькими способами. Один из методов заключается в смешивании порошка ПТФЭ с растворителем, например, ацетоном, и перемешивании во вращающемся барабане. Зерна ПТФЭ слипаются, образуя небольшие шарики. Затем гранулы сушат в печи.

Дисперсионная полимеризация

Полимеризация тетрафторэтилена дисперсионным методом приводит либо к мелкодисперсному порошку, либо к пастообразному веществу, которое больше подходит для покрытий и отделки. ТФЭ вводят в заполненный водой реактор вместе с химикатом-инициатором. Вместо энергичного встряхивания, как в процессе суспензирования, реакционную камеру лишь слегка встряхивают. ПТФЭ образует крошечные шарики. Часть воды удаляется путем фильтрации или добавления химикатов, которые вызывают осаждение шариков ПТФЭ. В результате получается вещество, молочного цвета представляющее собой дисперсию ПТФЭ. Его можно использовать в жидком виде , особенно в таких областях, как отделка тканей. Или его можно высушить в мелкий порошок, используемый для покрытия металла.

Структура и свойства политетрафторэтилена:

Химическая структура ПТФЭ представляет собой линейный полимер C–F₂ – C–F₂ без каких-либо разветвлений, а выдающиеся свойства ПТФЭ связаны с прочной и стабильной связью углерод-фтор. Молекула политетрафторэтилена образует скрученный зигзаг, в котором атомы фтора плотно упаковываются по спирали вокруг углерод-углеродного скелета. Полный оборот спирали включает более 26 атомов углерода при температуре ниже 19 ⁰C. Компактное сцепление атомов фтора приводит к высокой жесткости молекулы, и именно эта особенность приводит к высокой температуре плавления и термостабильности полимера.

Полимер в массе не обладает высокой жесткостью и прочностью на растяжение, которые часто ассоциируются с полимерами с высокой температурой размягчения. Связь углерод-фтор очень стабильна. Кроме того, когда два атома фтора присоединены к одному атому углерода, расстояние связи C-F уменьшается с 1,42 А до 1,35А. В результате прочность связи может достигать 504 кДж/моль. Поскольку единственной другой присутствующей связью является стабильная связь C-C, ПТФЭ обладает очень высокой термостойкостью, даже при нагревании выше точки плавления его кристаллов 327⁰C. Из-за его высокой кристалличности и неспособности к специфическому взаимодействию, веществ, способных растворить политетрафторэтилен при комнатной температуре нет. При температурах, приближающихся к точке плавления, некоторые фторированные жидкости, такие как перфторированный керосин, растворяют политетрафторэтилен.

Свойства ПТФЭ зависят от типа полимера и метода обработки. Полимер может отличаться размером частиц и/или молекулярной массой. Размер частиц будет влиять на процесс обработки и количество пустот в готовом продукте, в то время как молекулярная масса будет влиять на кристалличность и, следовательно, на многие физические свойства. Методы обработки также влияют как на кристалличность, так и на содержание пустот.

Средневесовая молекулярная масса коммерческих полимеров политерафторэтилена, тефлона находится в диапазоне от 400000 до 9000000. Низкомолекулярный тефлон более кристаллический. Замечено, что дисперсионный полимер, который имеет меньший размер частиц и более низкую молекулярную массу, дает продукты со значительно улучшенной устойчивостью к изгибу, а также значительно более высокой прочностью на растяжение. Эти улучшения, по-видимому, возникают за счет образования волокноподобных структур в массе полимера во время обработки.

Применение политетрафторэтилена( тефлона).

Применение тефлона основано на его следующих свойствах:

- Стойкость ко многим химическим веществам, включая озон , хлор , уксусную кислоту , аммиак , серную кислоту и соляную кислоту. Известно, что единственные химические вещества, влияющие на эти покрытия, - это расплавленные щелочные металлы и высокореактивные фторирующие агенты.

- Устойчивость к погодным условиям и ультрафиолетовому излучению.

- Отличные характеристики при экстремальных температурах. Фактически, тефлон может выдерживать температуры до 260⁰C и криогенные температуры -240⁰C, сохраняя при этом те же химические свойства. Тефлон имеет начальную температуру плавления 342⁰C (±10 ⁰C) и вторичную температуру плавления 327⁰C (±10⁰C).

- Низкий коэффициент трения.

- Несмачиваемость. Тефлоновые покрытия одновременно гидрофобны и олеофобны, благодаря чему тефлон получил широкое применение как антипригарное покрытие в товарах народного потребления. Исходная посуда должна быть изготовлена из алюминия или алюминиевого сплава. Поверхность должна быть специально подготовлена для нанесения тефлонового покрытия, для чего ее обрабатывают специальными моющими средствами и подвергают травлению в кислой среде. Поверхность грунтуют и сушат, а затем наносят жидкую дисперсию тефлона распылением или валиком. После нанесения всего покрытия форму сушат в печи, а затем подвергают медленному нагреву при температуре около 800⁰С. После охлаждения товар отправляют потребителю.

- Исключительные диэлектрические свойства тефлона (диэлектрическая постоянная 1,89–1,93).

Полимеры политетрафторэтилена нашли широкое применение в :

- Электротехнической и электронной промышленности.

- Фармацевтическом и биотехнологическом производстве.

- Обработке металлов, краски и покрытия.

- Оптические устройства. Политрафторэтилены можно использовать в качестве прозрачного покрытия для оптических устройств, что позволит им работать в агрессивных химических средах в широком диапазоне рабочих температур .

- В автомобилестроении политетрафторэтилены используются для системы подушек безопасности, топливной системе, шасси, тормозной системе, масляный фильтрах и т. д.