Polytetrafluóretylén (PTFE): Vlastnosti, použitie a výhody kráľa plastov

Polytetrafluóretylén, skratkou PTFE a obchodným názvom Teflon, patrí medzi materiály, ktoré v tesniacej technike nemajú skutočnú konkurenciu. Tam, kde iné elastoméry a plasty podliehajú agresívnym chemikáliám, extrémnym teplotám alebo opakovanému mechanickému namáhaniu, PTFE bez problémov pretrváva. Práve preto sa v priemysle hovorí o PTFE ako o „kráľovi plastov“.

PTFE je syntetický fluoropolymér tetrafluóretylénu. Objavil ho v roku 1938 americký chemik Roy Plunkett v laboratóriách spoločnosti DuPont, keď náhodou spozoroval polymerizáciu tetrafluóretylénu pri nízkych teplotách. Obchodný názov Teflon registroval DuPont v roku 1945. Je všeobecne známy pod značkou DuPont Teflón®, hoci PTFE je všeobecný názov polyméru.

Materiál sa najprv vyvinul pre potreby národnej obrany a najmodernejších technológií a potom sa postupne rozšíril na civilné použitie. Jeho použitie pokrýva mnoho aspektov leteckých a civilných aplikácií a v súčasnosti je nevyhnutným materiálom pri jeho uplatňovaní.

Kľúčové vlastnosti Polytetrafluóretylénu (PTFE)

Výkonnostné charakteristiky PTFE sú výnimočné a robia z neho jeden z najuniverzálnejších materiálov. PTFE je polymér získaný polymerizáciou tetrafluóretylénového monoméru. Je to priehľadný alebo nepriehľadný vosk podobný PE. Chemický vzorec PTFE je (CF₂-CF₂)ₙ. Molekulová štruktúra, v ktorej atómy fluóru obklopujú uhlíkový reťazec, vytvára mimoriadne stabilnú konfiguráciu. Jeho chemická štruktúra je podobná PE, s tým rozdielom, že všetky atómy vodíka v polyetyléne sú nahradené atómami fluóru. Atóm F v molekule PTFE je symetrický, dva prvky vo väzbe CF sú kovalentne viazané a v molekule nie je žiadny voľný elektrón, takže celá molekula je neutrálna.

Tepelná odolnosť

Teplotná odolnosť je jednou z najdôležitejších charakteristík PTFE. Materiál si zachováva mechanické vlastnosti v rozsahu od −200 °C do +260 °C pri dlhodobej prevádzke. Krátkodobo znáša teploty až do +300 °C. Jeho teplota topenia je okolo 327 °C, teplota rozkladu je 415 °C a maximálna prevádzková teplota je 250 °C. Teplota krehnutia bola -190 °C a teplota tepelnej deformácie (pri 0,46 MPa) bola 120 °C.

Chemická odolnosť

Vďaka svojej vysokej väzbovej energii CF a stabilnému výkonu má PTFE vynikajúcu chemickú odolnosť. Je takmer úplne chemicky inertný a prakticky absolútny. Materiál odolá kyselinám, lúhom, organickým rozpúšťadlám, ropným produktom a halogénom. Vydrží všetky silné kyseliny (vrátane aqua regia) okrem roztaveného alkalického kovu, fluórovaného média a hydroxidu sodného nad 300 °C. Odoláva pôsobeniu silného oxidačného činidla, redukčného činidla a rôznych organických rozpúšťadiel. pH odolnosť pokrýva celý rozsah 0 až 14.

Koeficient trenia a nepriľnavosť

Koeficient trenia PTFE patrí medzi najnižšie spomedzi všetkých pevných materiálov. Mechanické vlastnosti PTFE sú dobré, koeficient dynamického a statického trenia ocele je 0,04, čo je lepšie ako nylon, polyoxymetylén a polyester. Nepriľnavosť PTFE znamená, že má mimoriadne hladký povrch, vďaka čomu sa prakticky nič naň nelepí a má najmenšie povrchové napätie v tuhých materiáloch.

Hydrofóbnosť a hustota

Hydrofóbnosť znamená, že voda ani vodné roztoky PTFE nesmáčajú. Hustota neexpandovaného PTFE sa pohybuje od 2 100 do 2 300 kg/m³. PTFE má hustotu 2,2 g/cm³ a absorpciu vody menšiu ako 0,01%.

Elektrické izolačné vlastnosti

PTFE má vynikajúce dielektrické vlastnosti a jeho elektrická izolácia nie je ovplyvnená prostredím a frekvenciou. Jeho objemový odpor je väčší ako 10¹⁷ Ωm, nízka dielektrická strata, vysoké prierazné napätie a dobrý oblúkový odpor. Dlhodobo pracuje v elektrickom prostredí 250 °C.

Modifikované a plnené PTFE materiály

Nie každé PTFE tesnenie je rovnaké. Čistý PTFE bez plnív si zachováva maximálnu chemickú odolnosť a biokompatibilitu. Je ideálny pre potravinársky, farmaceutický a medicínsky priemysel. Nevýhodou čistého PTFE je tendencia k tečeniu (creep) pod tlakom a pri vyšších teplotách, čo vedie k jeho nízkej pevnosti a zlej odolnosti proti opotrebeniu a tečeniu. Obmedzenia obyčajného PTFE motivujú plnené triedy.

Obvykle sa do PTFE polyméru pridávajú niektoré anorganické častice, ako je grafit, disulfid molybdénu, oxid hlinitý, sklenené vlákna a uhlíkové vlákna, aby sa zlepšili jeho mechanické vlastnosti. Plnivá podstatne zlepšujú opotrebenie, znižujú dotvarovanie a zvyšujú tepelnú vodivosť, ale menia aj chemické správanie, trenie a náklady. Pridanie plniva do PTFE môže zvýšiť jeho pevnosť, zlepšiť odolnosť proti oderu, pridať elektrickú vodivosť a ďalšie; pridanie plnív však môže tiež znížiť niektoré výhodné vlastnosti PTFE, ako je chemická odolnosť, ktorá bude obmedzená odolnosťou plniva. Použité plnivá môžu byť sklo v rôznych percentách, nehrdzavejúca oceľ, sulfid molybdénu, uhlík alebo grafit, v závislosti od toho, ktoré vlastnosti sa majú zlepšiť.

• PTFE s MoS₂ (disulfid molybdénu): Pridanie MoS₂ do PTFE výrazne zlepšuje klzné vlastnosti a odolnosť voči opotrebeniu. PTFE MoS₂ sa používa v aplikáciách s dynamickým zaťažením, kde dochádza k vzájomnému pohybu tesniacich plôch.
• PTFE s bronzom: Bronz ako plnivo zvyšuje tepelnú vodivosť a tvrdosť PTFE. Znižuje tečenie materiálu pod tlakom a zlepšuje rozmernú stabilitu.
• PTFE s uhlíkom: Uhlíkové plnivo zvyšuje mechanickú pevnosť a odolnosť voči treniu. PTFE uhlík je vhodný pre aplikácie s vysokým kontaktným tlakom.
• PTFE s grafitom: Grafit ako plnivo zlepšuje klzné vlastnosti a znižuje opotrebenie v suchom prevádzkovom prostredí.

Miešanie s inými polymérmi, ako je polyfenylester (PHB), polyfenylénsulfid (PPS), polyéteretherketón (PEEK), kopolymér polyperfluór (etylén/propylén) (PFEP) atď., pomáha rozšíriť rozsah jeho tlmiacej teploty a zlepšiť jeho odolnosť proti tečeniu.

Expandovaný PTFE (ePTFE)

Expandovaný PTFE vzniká mechanickým naťahovaním materiálu, čím sa v štruktúre vytvárajú mikroskopické póry. ePTFE je mäkký, konformný a vykazuje výnimočné tesniace vlastnosti aj na nerovných prírubových plochách. Vyrába sa vo forme pások, šnúr, listov aj tvarovaných tesnení.

Kopolyméry PTFE

Okrem čistého PTFE existujú aj kopolyméry, ktoré sú rovnako užitočné ako PTFE, ale s niektorými odlišnými vlastnosťami. PFA (perfluóralkoxy) má veľmi podobné vlastnosti ako PTFE v tom, že je veľmi chemicky odolný, flexibilný a tepelne stabilný (pri nepretržitom používaní až do 260 stupňov C), ale zatiaľ čo PTFE má určitú tendenciu k tečeniu, PFA je odolný voči tečeniu a je vynikajúci pre tavné spracovanie, vstrekovanie, extrúziu, lisovanie, vyfukovanie a prenosové tvarovanie. TFM, známy ako PTFE-TFM, je polytetrafluóretylén s perfluórpropylvinyléterom ako dodatočným modifikátorom, ktorý poskytuje hustejší materiál, ktorý je tuhší, tiež odolný voči tečeniu ako PFA a je zvárateľný.

Všestranné použitie PTFE

Vďaka jedinečným vlastnostiam PTFE je široko používaný v priemyselných a námorných aplikáciách v chemickom, ropnom, textilnom, potravinárskom, papierenskom, lekárskom, elektronickom a strojárskom priemysle. PTFE tesnenia sú dnes bežnou súčasťou priemyselných sústav v chemickom, farmaceutickom, potravinárskom, petrochemickom aj elektrotechnickom sektore.

Použitie v tesniacej technike

Výkon tesnenia má veľký vplyv na účinnosť a výkon celého stroja. Materiál PTFE má odolnosť proti korózii, odolnosť proti starnutiu, nízky koeficient trenia a nelepivosť, široký teplotný rozsah a dobrú elasticitu. Je veľmi vhodný na výrobu tesnení s vysokou odolnosťou proti korózii a teplotou nad 100 °C.

• Ploché PTFE tesnenia: Slúžia na tesnenie statických spojov. Najčastejšie ide o prírubové spoje v potrubných systémoch, tlakových nádobách a armatúrach. Vyrábajú sa rezaním z PTFE dosiek, pričom tvar a rozmery sa riadia výkresovou dokumentáciou podľa normy príruby (DN/PN).
• Dynamické tesnenia: Pre dynamické aplikácie, kde sa vykonáva pohyb, sú typickými príkladmi piestnicové tesnenia, piestové tesnenia, vodiacie krúžky, stierače a kombinované tesniace sady pre hydraulické valce a pneumatické aktuátory. Pre dynamické aplikácie sa čistý PTFE neodporúča pre jeho nízku creep odolnosť.
• Rotačné tesnenia: Rotačné tesnenia a vodiacie krúžky z PTFE MoS₂ a PTFE bronz sa uplatňujú v hydraulických valcoch, prevodovkách, pneumatických aktuátoroch a obrábacom strojovom zariadení. AFINIS EXPRESS® ponúka expresnú výrobu rotačných PTFE tesnení podľa výkresovej dokumentácie zákazníka, od prototypov až po série, s možnosťou priemeru až do 6 000 mm.

Aplikácia antikoróznych vlastností

Pretože guma, sklo, zliatiny kovov a podobne majú defekty odolnosti proti korózii, je ťažké splniť prostredie, v ktorom teplota, tlak a chemické médium koexistujú v drsnom stave, a výsledná strata je celkom pozoruhodná. Materiály PTFE sa stali hlavnými materiálmi odolnými voči korózii v ropnom, chemickom, textilnom a inom priemysle vďaka svojej vynikajúcej odolnosti proti korózii.

Chemický priemysel predstavuje najnáročnejšie prostredie pre tesniace materiály. Reaktory, potrubia, ventily, čerpadlá a zásobníky pracujú s kyselinami, lúhmi, rozpúšťadlami a organickými zlúčeninami v širokom tlakovom a teplotnom rozsahu. PTFE tesnenia odolávajú prakticky všetkým agresívnym médiám, ktoré by za iných okolností zničili gumové elastoméry ako NBR alebo EPDM. Medzi špecifické aplikácie patria: dopravné potrubia pre korozívne plyny, výfukové potrubia, parné potrubia, vysokotlakové olejové potrubia pre valcovne, vysokotlakové a nízkotlakové potrubia pre letecké hydraulické systémy a systémy lisovania za studena, usmerňovacie veže, výmenníky tepla, kotle, veže, nádrže, ventily a iné chemické zariadenia.

Nízke trenie pri použití zaťaženia

Pretože niektoré trecie časti zariadenia by sa nemali mazať, ako napríklad v prípade, keď sa mazací tuk rozpustí rozpúšťadlom a výrobky v papierenskom, farmaceutickom, potravinárskom, textilnom a inom priemyselnom odbore je potrebné zabrániť kontaminácii mazacieho oleja, vďaka čomu sa náplň materiálu PTFE stáva najideálnejším materiálom pre mechanické časti bez mazania olejom (priame zaťaženie).

Medzi jeho špecifické použitia patria ložiská pre chemické zariadenia, papierenské stroje, poľnohospodárske stroje, piestne krúžky, vodiace lišty obrábacích strojov, vodiace krúžky. V oblasti strojárstva nájdu plastové tyče hlavné uplatnenie ako náhrada kovových krúžkov, púzdier, tesnení, ložísk a ozubených kolies. Ďalej špecialitou sú aj plastové tyče z tzv. samomazného plastu, ktorý je plnený olejom.

Použitie v potravinárstve, farmácii a medicíne

Čistý PTFE spĺňa prísne požiadavky biologickej inertnosti kladené Food and Drug Administration (FDA) a európskou normou EN 1935/2004 na materiály prichádzajúce do kontaktu s liečivami a biotechnologickými produktmi. PTFE je schválený pre kontakt s potravinami podľa nariadenia EU 10/2011 a FDA 21 CFR.

Vo výrobe potravín a nápojov sa PTFE tesnenia používajú v čerpadlách, ventiloch, tepelných výmenníkoch a plniacich linkách. Materiál neabsorbuje pachové ani chuťové látky a neovplyvňuje organoleptické vlastnosti potravín. Niektoré typy majú veľké využitie v potravinárskom priemysle, keďže sú vhodné na styk s potravinami a je ich možné použiť priamo na sekanie a rezanie napr. mäsových výrobkov.

Expandovaný materiál PTFE je čisto inertný, má veľmi silnú biokompatibilitu, nespôsobuje odvrhnutie tela, nemá fyziologické vedľajšie účinky na ľudské telo, môže byť dezinfikovaný akoukoľvek metódou a má mikroporóznu štruktúru, takže sa dá použiť v rôznych rehabilitačných riešeniach. Zahŕňa umelé krvné cievy a náplasti na regeneráciu mäkkých tkanív a chirurgické švy pre krvné cievy, srdce, všeobecnú chirurgiu a ortopédiu. Polymér sa často používa ako povlak na katétroch na inhibíciu baktérií a infekcií a používa sa aj ako materiál štepu v chirurgii.

Použitie v elektrických a elektronických aplikáciách

Vynikajúce elektrické izolačné vlastnosti PTFE ho predurčujú na výrobu tesnení, podložiek, vložiek a profilovaných dielov v elektrotechnike. Vďaka prirodzenej nízkej strate a malej dielektrickej konštante z materiálov PTFE sa z neho stáva smaltovaný drôt pre mikromotory, termočlánky, ovládacie zariadenia, atď. PTFE fólie sú ideálne pre kondenzátory, rádioizolačné tesnenia, izolované káble, motory a transformátory. Izolačný materiál je tiež jedným z nevyhnutných materiálov pre priemyselné elektronické komponenty, ako je letectvo.

Použitie v papierenskom priemysle

V papierenskom priemysle pracujú zariadenia s agresívnymi bielidlami, kyselinami a parou. PTFE tesnenia odolávajú chlornanu sodného, peroxidu vodíka a sulfátových roztokov.

Aplikácia antiadhéznych vlastností

PTFE materiál má najmenšie povrchové napätie v tuhých materiáloch, nepriľne k žiadnej substancii a má tiež vynikajúce vlastnosti odolnosti voči vysokým a nízkym teplotám, takže sa široko používa v antiadhézii, ako je napríklad pri výrobe nepriľnavej panvice. Proces proti zlepeniu zahrnuje hlavne dva typy: pripevnenie PTFE prvku alebo fólie na podklad a tepelné zmraštenie PTFE povlaku alebo skleneného laku na substrát. Polytetrafluóretylén sa zároveň vyznačuje vysokou teplotnou odolnosťou a extrémne nízkym koeficientom trenia, vďaka čomu je okrem mazania ideálnym povlakom na ľahké čistenie vnútornej vrstvy vodovodného potrubia.

Ostatné zaujímavé použitia

PTFE sa tiež používa na zabránenie hmyzu šplhať po stenách, pretože materiál je taký „nepriľnavý“, že ho hmyz (a dokonca ani gekóny) nedokáže uchopiť. Už ste počuli o Gore-Texu a je to opäť PTFE, tentoraz ako tenká, porézna membrána, ktorá zabezpečuje priedušné oblečenie do dažďa, alebo pre lekárske implantáty, izoláciu elektroinštalácie a tmely. V neposlednom rade sa dajú využiť v stavebníctve a to hlavne ako bazénové plasty a plasty na výrobu rôznych nádrží, šácht a skriniek vhodných na umiestnenie v exteriéri. Široko je používaný v stavebných projektoch ako mosty, tunely, oceľové strešné nosníky, veľké chemické potrubia, skladovacie nádrže, podpora posúvača a ako podpera mosta a otočenie mosta.

Porovnanie PTFE s inými tesniacimi materiálmi

Otázka, kedy zvoliť PTFE a kedy siahnuť po inom materiáli, je v praxi častá.

• PTFE vs. NBR (nitrilová guma): PTFE je oproti NBR chemicky oveľa odolnejší. NBR zvláda ropné produkty a hydraulické kvapaliny, no pri kyselinách, lúhoch a halogenovaných rozpúšťadlách rýchlo degraduje. PTFE v takýchto médiách pracuje bez obmedzenia.
• PTFE vs. EPDM (etylén-propylénová guma): EPDM vyniká odolnosťou voči vode, pare a ozónu, no nie je vhodný pre kontakt s ropnými produktmi, naopak PTFE je vhodný aj pre ropné produkty.
• PTFE vs. VITON (FPM, fluoroelastomér): VITON je najbližším konkurentom PTFE v oblasti chemickej odolnosti a teplotného rozsahu. VITON je pružný, čo ho predurčuje na dynamické O-krúžky a tesnenia s nutnosťou elastickej deformácie, zatiaľ čo čistý PTFE má tendenciu k tečeniu (creep).
• PTFE vs. Grafitové tesnenia: Grafitové tesnenia (napríklad na báze expandovaného grafitu so vstužovacou kovovou vložkou z nerezovej ocele SS316, niklu alebo hliníka) súperia s PTFE pri vysokoteplotných aplikáciách v petrochemickom priemysle a parnom hospodárstve. Pri teplotách nad +260 °C je grafit lepšou voľbou.

Spracovanie a požiadavky na kvalitu PTFE

S neustálym vývojom technológie nanášania materiálov sa postupne prekonávajú tri hlavné nedostatky materiálov PTFE: tok za studena, ťažká zvárateľnosť a náročné spracovanie taveniny.

Prášky PTFE nie je možné vytláčať z taveniny obvyklým spôsobom. Obchodná cesta je vytláčanie pasty (prášok + lubrikant) alebo vytláčanie barana vopred zhutnených predvalkov. Spekanie - spevnená zelená časť sa zahreje nad teplotu topenia kryštalickej látky, aby sa častice polyméru spojili do koherentu, takmer úplne hustej pevnej látky. Na odstraňovanie triesok používajte ostré vrtáky s parabolickými drážkami. Počas spekania alebo akéhokoľvek prehriatia je dôležité riadiť vetranie a používať detekciu plynov na rozkladné druhy vo výrobných priestoroch.

Štandardizované a zákazkové rozmery

Štandardizované rozmery pokrývajú väčšinu bežných aplikácií, no v praxi existuje mnoho zariadení s neštandardnými rozmermi, zastaralými konštrukciami alebo špeciálnymi prevádzkovými podmienkami, kde sériové tesnenie jednoducho neexistuje. AFINIS Group® v rámci služieb AFINIS FLEX® a AFINIS EXPRESS® realizuje zákazkovú výrobu PTFE tesnení podľa výkresovej dokumentácie zákazníka.

Výrobný sortiment zahŕňa ploché PTFE tesnenia rezané z dosiek, rotačné PTFE tesnenia sústružené a frézované z tyčí a tvarovníc, ako aj kombinované výrobky z teflónu pre ploché aj rotačné aplikácie. Plastové dosky, ktoré predávame sa štandardne pohybujú od hrúbky 0,5 mm až do hrúbky 100 mm, v rôznom prevedení veľkosti. Plastové tyče majú hlavné využitie v oblasti strojárenského, automobilového, potravinárskeho, ale aj napr. zdravotníckeho priemyslu.

Požiadavky na inštaláciu a normy

Správna inštalácia priamo ovplyvňuje tesnosť spoja a životnosť tesnenia. Prírubové plochy musia byť pred montážou čisté, suché a bez korózie. Povrchová drsnosť Ra 1,6 až 3,2 µm je pre PTFE tesnenia optimálna. Utahovacie momenty skrutiek musia zodpovedať norme príruby a materiálu tesnenia. Pri PTFE je dôležité rešpektovať nižší modul pružnosti materiálu a zabrániť príliš vysokému kontaktnému tlaku, ktorý by spôsobil vytlačenie tesnenia zo spoja (creep extrusion).

Pre prírubové tesnenia platí norma EN 1514-1 (rozmery tesnení pre príruby podľa PN) a ASME B16.21 pre americké štandardy. Tesnenia pre potravinársky kontakt musia byť v zhode s EU nariadením 10/2011 a FDA 21 CFR 177.1550. Farmaceutické aplikácie vyžadujú splnenie požiadaviek USP Class VI (biokompatibilita). Výrobcovia PTFE materiálov pre tesniace aplikácie vyžadujú systém riadenia kvality podľa ISO 9001.

PTFE tesnenia predstavujú nenahraditeľnú skupinu tesniacich materiálov všade tam, kde chemická odolnosť, teplotná stabilita a dlhá životnosť majú prednosť pred cenou. Pre priemyselné podniky, servisné organizácie aj projektantov je kľúčová dostupnosť odborného poradenstva a výroby tesnení v požadovaných materiálových prevedeniach, vrátane neštandardných rozmerov a expresných dodacích lehôt.

tags: #tpo #pom #pur #a #ptfe #plastove