Физико-механические свойства фторопласта-4

 Основные показатели физико-механических свойств фторопласта-4 приведены ниже:

• Разрушающее напряжение, кгс/см²
  • при растяжении
    — незакаленный образец (кристалличность 05-08%) …. 140-350*
    — закаленный образец (кристалличность 50%) …………. 160-315*
  • и 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
• 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

* В зависимости от того, как вырезан образец: поперек направления прессования-высокие значения, вдоль направления прессования-малые.

Данные о зависимости физико-механических свойств фторопласта-4 от температуры приведены ниже.

Физико-механические свойства фторопласта-4 при низких температурах

* Разрушающее напряжение при сжатии равно напряжению, при котором деформация составляет 0,2%.

Зависимость деформации фторопласта-4 при сжатии от температуры

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):

lgσ_T= 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 длительном воздействии нагрузок остаточные деформации возникают при меньших напряжениях (40-50% от рассчитанных по формуле).

При конструировании изделий из фторопласта-4 следует учитывать ползучесть. Ползучесть (деформация при длительном действии нагрузки) рассчитывается по формуле

lgγ_t=lgγ₁+a·lgt

где γ_t — деформация за t сут; γ₁ — деформация за 1 сут; а — коэффициент, зависящий в основном от температуры и в меньшей степени от нагрузки, если она не превышает 40-50% предела текучести.

Значения коэффициента a и некоторые данные о ползучести для образцов со степенью кристалличности 50% приведены в таблице. Деформация за 1 сут (γ₁) при других нагрузках и температурах определяется опытным путем. При степени кристалличности 65-68% ползучесть меньше.

Ползучесть фторопласта-4

АНТИФРИКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

Данные о зависимости коэффициента трения от нагрузки [статической и динамической (при малых скоростях) коэффициенты трения фторопласта-4 по стали без смазки одинаковы] приведены ниже:

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:

В присутствии наполнителя при малых скоростях скольжения коэффициент трения несколько выше, а при больших скоростях — ниже, чем коэффициент трения чистого фторопласта-4 по стали.

При 327°С (на поверхности трения) коэффициент трения фторопласта-4 по стали резко возрастает (в несколько раз), что приводит к катастрофически быстрому износу и разрушению подшипника.

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

Неспеченный фторопласт-4 (в виде порошка) имеет степень кристалличности 95 — 98%, после спекания  — от 50% (закаленный) до 68 — 70% (незакаленный). Ниже 19,6°С элементарная ячейка кристалла фторопласта-4 состоит из 13 групп CF₂, выше 19,6°С — из 15 групп CF₂. При 19,6°С триклиническая упаковка переходит в менее упорядоченную, гексагональную, что сопровождается увеличение объема кристаллитов на 0,0058 см³/г (1,2 объемн. %), или увеличением объема образца при степени кристалличности 68% на 0,74%. При наличии внешнего давления точка перехода понижается на 0,013°С на каждую атмосферу. При 30°С имеет место второй переход кристаллической структуры, но изменение объема составляет едва ^1/₁₀ часть изменения объема при 19,6°С. Под высоким давлением (4500 кгс/см² при 70°С) возникает третий переход.

Температура стеклования аморфных участков, определенная по температуре хрупкости, колеблется от -97 до -100°С, а по точке перегиба кривой зависимости модуля упругости составляет -120°С. Температура перехода аморфного твердого тела в переохлажденную жидкость равна 127°С.

При 327°С кристаллиты фторопласта-4 плавятся, и он становится полностью аморфным, совершенно прозрачным (при отсутствии пористости), высокоэластичным, но не течет (вязкость выше 10¹¹ П). Объем возрастает на 20%. Точка плавления зависит от внешнего давления — на каждую атмосферу повышается на 0,154 °С. При остывании расплава ниже 327 °С образец мутнеет и становится непрозрачным — молочно-белым. Скорость кристаллизации зависит от температуры (максимальная скорость при 310-315 °С), от продолжительности выдержки в расплавленном состоянии при 370-390 °С (чем больше время спекания, тем быстрее кристаллизуется образец) и от среднего молекулярного веса полимера (чем ниже молекулярный вес полимера, тем быстрее он кристаллизуется). На этом основан метод косвенной оценки молекулярного веса фторопласта-4: образец в виде диска толщиной 2 мм спекают при 370 °С в течение 13 ч и охлаждают от 370 до 250 °С в течение 5 ч. По плотности полученного образца при 23 °С можно оценить молекулярный вес: 2,16-2,19 г/см³-для высокомолекулярного полимера, 2,20-2,22 г/см³-для низкомолекулярного.

Ниже приведены некоторые теплофизические свойства фторопласта-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) ……………………. 0,2

Термический коэффициент линейного расширения зависит от температуры:

На практике удобнее пользоваться средними значениями термического коэффициента линейного расширения для определенных интервалов температур. Следует также учитывать, что при нагревании изделий из фторопласта-4 в них часто возникают внутренние напряжения, вызывающие необратимое изменение размеров. Иногда вместо ожидаемого при нагревании удлинения образца он сокращается.

Данные, приведенные ниже, относятся к образцам, в которых полностью отсутствуют внутренние напряжения:

* От размера при 25°С.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙТСВА ФТОРОПЛАСТА-4

Показатели электрических свойств фторопласта-4 приведены ниже:

• Удельное электрическое сопротивление
  • поверхностное, Ом …………………………………………………………………… >10¹⁷
    • на воздухе со 100%-ной относительной влажностью …………. >10¹²
  • объемное (до 150ºС), Ом·см ………………………………………………………. 10¹⁷ — 10²⁰
    • после длительного пребывания в воде ……………………………… не меняется
• Диэлектрическая проницаемость (при 60 — 10¹⁰ Гц) ……………………………. 1,9 — 2,2
• 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 ………………………………………………………………………………. 250 — 700

  (сплошного токопроводящего
  слоя не образуется)

Данные о зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты приведены ниже:

Диэлектрическая проницаемость фторопласта-4 вплоть до 10¹⁰ Гц не зависит от частоты, а зависит от плотности:

где d — плотность при данной степени кристалличности и температуре.

Тангенс угла диэлектрических потерь остается постоянным при температуре от -60 до 250ºС.

Прогрев при 300ºС в течение 6 месяцев не влияет на диэлектрические свойства фторопласта-4.

ХИМИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ СВОЙСТВА ФТОРОПЛАСТА-4

Фторопласт-4 является самым стойким из всех известных металлов — пластмасс, металлов, стекол, эмалей, сплавов и т.п. На него совершенно не действуют кислоты, окислители, щелочи, растворители. На фторопласт-4 действуют только расплавленные щелочные металлы и их комплексные соединения с аммиаком, нафталином, пиридином, а также трехфтористых хлор и элементный фтор при повышенных температурах. При температурах выше 327ºС фторопласт набухает в жидких фторуглеродах, например в перфторкеросине. При 20ºС фторопласт-4 слегка набухает (3 — 9%) в фторхлорсодержащих газах (фреонах).

Выше 350ºС фторопласт-4 реагирует с щелочеземельными металлами и их соединениями (окислами и карбонатами), а также с окислами некоторых других металлов (свинца, кадмия, меди).

Фторопласт-4 не смачивается водой при кратковременном погружении (угол смачивания 126ºС), но смачивается при длительном пребывании в дистиллированной воде (15 — 20 суток). В соленой воде (например, морской) на поверхности фторопласта-4 через 15 — 20 суток отлагается пленка солей, смываемая дистиллированной водой.

Водопоглощение за 24 часа (и более продолжительное время) — ниже ошибки взвешивания (0,00%).

Технические требования к фторопласту различных сортов

Фторопласт-4 абсолютно стоек в тропических условиях и не подвижен действию грибков (но и не подавляет их развитие).

Влагопроницаемость при 20ºС равна 3·10^-9 — 6·10^-9 г/(см·ч·мм рт. ст.); паропроницаемость при 20ºС составляет 0,6·10^-9 — 1,2·10^-9г/(см·ч·мм рт. ст.).

Данные о газопроницаемости пленки из фтороплавта-4 (при отсутствии пор) толщиной 0,1 мм при 20ºС [в см³/(см·с·мм рт. ст.)] приведены ниже:

При наличии пористости проницаемость может увеличиваться до 1000 раз.

Фторопласт-4 предназначен для видимого света только при малой толщине пленки:

Показатель преломления для видимого света 1,35.

В УФ-лучах фторопласт-4 не имеет полос поглощения. Для пленки толщиной 0,075 мм пропускание УФ-лучей при длине волны 210 нм составляет 40%, при 300 нм оно достигает 76% и далее почти не изменяется.

В ИК-лучах имеется полоса поглощения при длине волны 8 — 8,7 нм; при остальных длинах волн пропускание ИК-лучей при толщине пленки 0,05 мм колеблится от 90% (02 — 7 нм) и 80% (9 — 10 нм) до 30 — 35% (12 — 14 нм). Фторопласт-4 не горит.

Фторопласт-4 не очень стоек к действию радиационного излучения. При интегральной дозе 10⁴ рад наблюдается заметное ухудшение механических свойств. В вакууме стойкость значительно выше, чем в кислороде.

Фторопласт-4 выпускается по ГОСТ 10007-72 трех сортов, различающихся показателями физико-механических и электрических свойств (см. табл.).