Композиционные материалы на основе фторопласта-4 являются перспективными материалами для техники XXI века.
Несмотря на свои выдающиеся свойства чистый или «ненаполненный» фторопласт часто не отвечает необходимым требованиям для ряда областей его применения. В частности, его применение в механике ограничивают ползучесть, деформация под нагрузкой, недостаточная износостойкость, низкая теплопроводность (прокладок, седел клапанов запорной арматуры, сальников, поршневых колец, высоковольтных переключателей, подшипников, опор скольжения, направляющих для станков с числовым программным управлением, футеровки трубопроводов и т.д.), которые можно улучшить путем введения наполнителей.
Материал Ф4К20, по сравнению с фторопластом-4, имеет в 600 раз большую износостойкость и при 10% деформации сжатия его внутреннее напряжение выше на 30%.
Материал Ф4К20 наиболее универсален по применению. Он рекомендуется для изготовления уплотнительных изделий подвижных соединений и изделий антифрикционного назначения.
Основное преимущество уплотнений из фторопластовых композиций, по сравнению с изделиями из стали, бронзы, чугуна, графита и других материалов, способность работать без смазки. Благодаря этому они могут применяться там, где наличие смазки нежелательно, устанавливаться в труднодоступных местах, где уход и смазка затруднительны или невозможны, и там, где отсутствие смазки приводит к нарушению работоспособности механизма.
Материал Ф4К15М5 имеет износостойкость в 1000 раз выше износостойкости ненаполненного Ф-4 и в 1,6 раза выше, чем у Ф4К20, и более низкий коэффициент трения. Материал пригоден для работы в узлах трения в условиях влажных газов, в том числе с наличием конденсата. Материал Ф-4К15М5 среди наполненных марок фторопласта-4 имеет наиболее благоприятные характеристики трения и износа для применения его в качестве накладных направляющих опор скольжения, подшипников скольжения. Равенство статического и динамического коэффициентов трения обеспечивает плавное и равномерное движение подвижных узлов оборудования.
Изделия из композиций Ф-4 пригодны для работы в условиях высокого вакуума, в среде углеводородных газов, сухого воздуха, жидких углеводородов, растворителей. Ф-4К20 может применяться в контакте с анодированными алюминиевыми сплавами, титановым сплавом ОТ-4 и нержавеющими сталями.
Добавление углерода (Ф4УВ15, Ф4К15УВ5) и углеродного волокна повышают износостойкость, твердость, удельную теплопроводность, сопротивление ползучести. Углеродное волокно снижает деформацию при нагрузке, повышает модуль упругости при сжатии и модуль пластичности.
Введение графита (Ф4ГР20, Ф4ГР15) используют в тех случаях, когда надо повысить механическую прочность и сохранить стойкость к воздействию агрессивных сред.
Добавление дисульфида молибдена (Ф4К15М5, Ф4М5, Ф4С15М5) увеличивает твердость и прочность, снижает коэффициент трения. Композиции со стекловолокном и 5% MoS2 используют для получения деталей, работающих в условиях глубокого вакуума, сухого и влажного воздуха и различных газов.
Введение стекловолокна (Ф4С15, Ф4С20ГР5) повышает износостойкость, уменьшает хладотекучесть. Добавление кобальта Ф-4КС2 повышает механические свойства фторопласта до уровня композиции Ф-4К20, в отличие от которой его можно применять в агрессивных средах.
Из фторопластовых композиций изготавливают:
– поршневые кольца и уплотнения штока в компрессорах и гидравлических цилиндрах;
– сальниковые уплотнения для герметизации подвижных соединений машин и арматуры;
– торцевые уплотнения, манжеты, шайбы, прокладки и др.
Фторопластовые композиции применяются во многих отраслях промышленности благодаря:
– высокой износостойкости;
– низкому коэффициенту трения (так, при трении по чугуну при нагрузке 25 кг/см2 у Ф-4К20 он равен 0,07);
– высокой теплостойкости;
– превосходной химической стойкости;
– способности работать без смазки.
| Свойства композиций на основе фторопласта-4 | ||||||
| Свойства | Ф4К20 | Ф4К15М5 | Ф4С15 | Ф4УВ15 | Ф4К15УВ5 | Ф4М5 |
| Состав | Ф-4 +20% кокса |
Ф-4 +15% кокса и 5% дисульфида молибдена |
Ф-4 +15% стекловол. | Ф-4 +15% углевол. | Ф-4 +15% кокса и 5% углевол. | Ф-4 +5% дисульфида молибдена |
| Плотность, г/см3 | 2,05 | 2,1 | 2,17 | 1,95 | 2,0 | 2,2 |
| Разрушающее напряжение при растяжении, МПа | 11,8-14,6 | 13,7-17,1 | 9,8-17,1 | 15-18 | 15-18 | – |
| Относительное удлинение при разрыве, % | 65 | 150 | 220 | 60 | 5 | 300 |
| Модуль упругости, МПа – при сжатии – при растяжении |
||||||
| 805 | 800 | 520 | – | – | – | |
| 1500 | – | 480 | – | – | – | |
| Твердость по Бриннелю, кгс/мм2 | 49-53,8 | 49 | 39-43 | – | – | – |
| Деформация под нагрузкой 10 МПа (24 ч, 220С), % | 2,9-3,0 | 3,5-4,0 | 3,0-4,0 | – | – | – |
| Напряжение при 10% деформации, МПа | 21,5 | 20 | 19,5-20,5 | – | – | – |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/(МК) | 0,23 | 0,29 | 0,25 | – | – | – |
| Удельная теплоемкость, Дж/(кгК) | 0,71 | – | 0,9 | – | – | – |
| Коэффициент линейного расширения, 1х10-5,0С от -60 до +200С от +20 до +2500С |
||||||
| 8-11 | – | 4,5-12,5 | – | – | – | |
| 11-18 | – | – | – | – | – | |
| Теплостойкость по Вика,0С | 145-160 | – | 130-140 | – | – | – |
| Водопоглощение через 24 ч, % | 0,03 | – | 0,04 | 0,01 | 0,01 | – |
| Предельное PV, кПа Мс/ при V= 0,05 м/с при V= 0, 5 м/с при V= 5 м/с |
||||||
| 490 | 588 | 343 | – | – | – | |
| 687 | 687 | 442 | – | – | – | |
| 1078 | 1078 | 542 | – | – | – | |
| Интенсивность износа, г/ч, не более | 2,0 х 10-3 | 0,8 х 10-3 | 3,0 х 10-3 | 1,5 х 10-3 | 1,5 х 10-3 | 5,0 х 10-3 |
| Коэффициент трения по стали | 0,14-0,30 | 0,1-0,39 | 1,5-0,30 | – | – | – |
| Интервал рабочих температур,0С | от –60 до +250 | от –60 до +250 | от –60 до +250 | от –60 до +250 | от –60 до +250 | от –60 до +250 |
Правильно подбирая вид и количество одного или нескольких наполнителей, можно получать специальные композиции для достижения многих целей. Настоящая информация поможет конструкторам и проектировщикам, эксплуатационным службам правильно выбрать соответствующий назначению вид композиции. Рассматриваются композиции, у которых фторопласт образует матрицу. Существуют, однако, и такие варианты, где фторопласт вводится в качестве наполнителя в матрицу, состоящую из другого полимера, например, найлона, полиамида, поливиниленсульфида, поликарбоната, полиацеталя, резины и т.д. Обычно фторопласт в этих случаях добавляют для уменьшения износа и трения. Для этой цели предлагаем использовать тонкомолотый фторопласт. Данные по нему могут быть высланы по требованию.
Введение наполнителей во фторопласт дает улучшение целого комплекса свойств:
– увеличение сопротивления износу в 250-600, в некоторых композициях до 1000 раз;
– увеличение стойкости к текучести на холоде или ползучести в 2-3 раза;
– уменьшение коэффициента трения;
– увеличение жесткости в 2-3 раза;
– увеличение твердости на 10-15 %;
– увеличение теплопроводности на 100-300%;
– уменьшение термического расширения в 2-2,5 раза;
– увеличение поверхностной прочности.
Выбор наполнителей
В качестве наполнителей используют: стекло, бронзу, уголь, графит, кокс, мел, шпат, маршалит, дисульфид молибдена и т.д. Для специальных целей могут быть предложены композиции с другими наполнителями или комбинациями наполнителей, либо композиции со стандартными наполнителями в нестандартном процентном соотношении. Доля наполнителя составляет обычно от 5 до 40%, при увеличении содержания наполнителя более 40% физические свойства, как правило, резко ухудшаются. Можем предложить наполнители, при введении которых, даже менее 5%, свойства материала значительно изменяются.