Фторопластовые покрытия. Опыт и перспективы применения

ФТОРОПЛАСТОВЫЕ ПОКРЫТИЯ. ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ.

В ряду полимеризационных пластмасс фторопласты занимают особое место благодаря уникальному сочетанию таких свойств, как высокие химическая стойкость, теплостойкость, морозостойкость, триботехнические, антиадгезионные, электроизоляционные характеристики. Это предопределяет их использование в противокоррозионной технике, машиностроении, электронике, приборостроении, пищевой промышленности и других в качестве покрытий и футеровок различного назначения.

В ОАО «Пластполимер» разработаны технологические процессы нанесения фторопластовых покрытий из порошков, лаков, суспензий и композиций, обеспечивающие получение адгезионно-прочных соединений металл-фторопласт, длительно работающих в различных агрессивных средах при высоких (до +260°С) температурах. Указанные технологии включают: применение различных грунтовок бифункционального типа и конверсионных покрытий металлов, дозированное окисление фторопластов, гамма-облучение, дополнительную термообработку сформированных покрытий и другие технологические приемы [2, 3].

Рис.1. Главный специалист по ФП покрытиям (Колесниченко В.В.) оценивает

качество порошкового покрытия на основе Ф-4МБП.

Фторопластовые покрытия условно можно классифицировать по следующим критериям:

1) по методам нанесения – порошковые, лаковые, суспензионные, футеровочные;

2) по материалам – Ф-4, Ф-3, Ф-2 и различные фторсополимеры;

3) по назначению – антикоррозионные, антифрикционные, противоналипающие, электроизоляционные, уплотняющие и другие.

Фторопласты представляют собой класс карбоцепных полимеров, у которых основная цепь, состоящая из углеродных атомов, заключена в плотную спиральную оболочку из атомов фтора. Прочность химической связи C – F составляет 116-120 ккал/моль, что намного превышает прочность связи C – H (95 ккал/моль), характерной для полиэтилена. Это обстоятельство наряду с химической инертностью и плотностью оболочки из атомов фтора, защищающей углеродную цепь от проникновения и воздействия агрессивных деструктирующих сред (кислород, кислоты, растворители и др.), придает фторопластам высокую химстойкость, стойкость к термоокислительной деструкции и низкую проницаемсть.

Наличие химически инертной оболочки из атомов фтора обуславливает низкую поверхностную энергию фторопластов (критическое поверхностное натяжение смачивания для фторопласта-4 составляет ~18,5 дин/см)[1]. Это позволяет использовать фторопласты (особенно фторопласт-4) в качестве уникальных материалов антифрикционного назначения даже в условиях сухого трения, а также в качестве антиадгезионных (противоналипающих) материалов. Однако, высокая химическая инертность фторопластов и низкая поверхностная энергия являются главными причинами низкой адгезии (прилипания) фторопластов к металлам, что требует специальных приемов при их использовании в качестве защитных покрытий.

Защитное действие покрытий от агрессивных сред определяется не только химической стойкостью полимера (фторопласта), но также диффузионной проницаемостью и адгезией покрытия к защищаемому металлу. В таблице по обобщенным данным [3] приведены сравнительные свойства фторопластов различных марок, пентапласта и полиэтилена, в том числе диффузионные характеристики, на основании которых можно произвести предварительный выбор материала для противокоррозионного покрытия.

Таблица 1. Физико-механические, теплофизические и диффузионные свойства полимерных материалов для покрытий

Полимер	Твердость HB, МПа	Модуль упругости при изгибе, МПа	Относительное удлинение, %	Температура стеклования Т_с, °С	Рабочая температура Т_max, °С	Проницаемость HCl при 50°С P10¹⁰ г/мч*Па
Полиэтилен	20-22	220	550-600	-50	80-90	34.5
Ф-4Д	30-40	850	250-500	-110	260	4.1
Ф-2М	70-90	1200	40-400	-40	145	1.3
Ф-3Б	100-130	1450	40-300	+50	150	0.3
Ф-30	60-80	1400	250-400	+35	150	0.38
Ф-32Л	30-40	600	200-300	+30	200	0.37
Пентапласт	80-110	1100	15-40	+7,5	150	0.3
Ф-40	58-63	950	150-400	-100	180	1.2
Ф-4МБ	30-40	555	150-300	-90	200	1.8
Ф-42	45-47	405	300-500	-45	125	2.6

Как следует из таблицы, минимальной диффузионной проницаемостью в агрессивных средах, содержащих «летучие» электролиты (HCl, HF), наиболее легко проникающие через любое полимерное покрытие, обладают фторполимеры с высокими значениями модуля упругости, поверхностной твердости и температуры стеклования (Ф-3Б, Ф-30), а также пентапласт. Этим материалам по проницаемости не уступает и Ф-32Л, имеющий, кроме того, хорошие деформативные характеристики. Низкая диффузионная проницаемость этих полимеров обусловлена, на наш взгляд, высоким межмолекулярным взаимодействием полимерных цепей (энергией когезии), высокой кристалличностью (до 75%) и химической инертностью в широком диапазоне температур.

Другие фторопласты (Ф-2М, Ф-40, Ф-4МБ, Ф-42) также могут быть выбраны для противокоррозионной защиты, поскольку по диффузионным характеристикам они в 8-30 раз превосходят полиэтилен.

В ОАО «Пластполимер» разработаны технологические процессы напыления фторопластовых покрытий из порошков Ф-2М, Ф-30ПС, Ф-40ДП (ВЭ), Ф-4МБП, Ф-50ПН и других, толщиной 0,3-1,5 мм без пор, пузырей, с высокой и стабильной адгезией на различных металлах, в том числе на меди и её сплавах, на стекле, керамике, неорганических эмалях, кремнии, нитриде титана и других. Для получения покрытий используется метод электростатического напыления.

Фторопластовые покрытия, в частности, Ф-30ПС, Ф-2М успешно защищают металл каруселей и фильтродержателей от коррозии в особо агрессивных средах (Смесь Каро и других) в призводстве печатных плат. Покрытия на основе Ф-4МБП применяют для защиты емкостей и насосов, компенсаторов и мембран на предприятиях электронной техники, приборостроения и химического машиностроения. Имеются положительные результаты применения покрытий Ф-4МБП, Ф-30ПС и других для защиты различного мединструмента от коррозии, для придания биологической инертности и электроизолирующих свойств (пинцеты, лапароскопы и другие).

Покрытия из Ф-2М, Ф-4МБП, Ф-30ПС использованы для химической защиты стальных валов при прокатке литиевой фольги, для защиты от биокоррозии валов-шиберов в производстве плавленых сыров, а также на стальных валах для предотвращения налипания краски в типографском производстве.

В качестве уплотнения и для антикоррозионной защиты применяется композиционное покрытие Ф-4МБП с наполнителями на муфтах Ду 219 мм, используемых при монтаже нефтепроводов. При этом достигается (наряду с надежным уплотнением) легкость монтажа, демонтажа и многократность использования муфт с покрытием.

Такие покрытия положительно зарекомендовали себя для восстановления ресурса и повышения КПД шнековых компрессоров высокого давления при перекачке газа.

Антиадгезионные покрытия на основе Ф-4МБП успешно работают на упаковочных линиях (ТЭНы, ножи, валы и другие), при сварке труб из полиолефинов, а также на установках термоформования изделий из различных листовых полимерных материалов, литья и контактного формования, в т.ч. с применением эпоксидных, полиэфирных, полиуретановых и других смол. Кроме того, такие покрытия биологически инертны и допускают контакт с пищевыми продуктами (мясо, тесто, кондитерские изделия и другие).

Из перспективных разработок можно отметить технологию напыления фторопластов на диэлектрические подложки, например, полиимидную пленку. За один слой напыления можно получить покрытие толщиной до 80 мкм. Адгезия фторопластовых порошковых покрытий к полиимиду ~ в 2 раза выше, чем у покрытий, получаемых традиционным способом (из суспензий). Такие пленки с покрытиями могут найти применение в производстве особопрочных ленточных проводов, термопленок для ксероксов и др.

Представляют также интерес антистатические покрытия на основе Ф-30ПС для применения в электронике с целью предотвращения электрических пробоев статического электричества при транспортировке микросхем, а также во взрыво- и пожароопасных производствах.

В настоящее время решаются вопросы химической защиты крупно-габаритного оборудования для химического машиностроения, в т.ч. тарелок ректификационных колонн и других.

На основе растворимых фторопластов Ф-32, Ф-42 и других в ОАО «Пластполимер» разработаны и выпускаются фторопластовые лаки марок ЛФ-32Л, ЛФ-42Л, фторопласто-эпоксидные лаки марок ЛФЭ-32ЛНХ, ЛФЭ-32ЛНГ, ЛФЭ-42ЛНХ, ЛФЭ-42ЛНГ (ТУ 6-05-1884-80), покрытия из которых получаются обычными методами лакокрасочной технологии и формируются как при комнатной, так и при повышенных (80-250°С) температурах.

Покрытия на основе этих лаков обладают высокими противокоррозионными свойствами, не набухают в воде и имеют лучшие защитные характеристики, чем полиэтиленовые (таблица 1). Они устойчивы к кислым и щелочным средам (98%-ая азотная кислота, 37%-ая соляная кислота, 50%-ая уксусная кислота, 50-98%-ая серная кислота, 50-90%-ая фосфорная кислота, 40%-ный раствор едкого натра), а также устойчивы к агрессивным парам и газам, содержащим фтористый водород, окислители и другие агрессивные компоненты[3].

Покрытия из фторопластовых лаков применяются для защиты от коррозии газоходов, вентиляторов, вытяжных шкафов, зонтов в различных химических производствах, в электронике, оптике, в пищевой промышленности, для защиты емкостей и фильтров в производстве пива, вина и других продуктов. Лаковые покрытия на основе ЛФ-42, наряду с хорошими физико-механическими свойствами, химстойкостью, обладают высокими триботехническими характеристиками, что позволяет их применять на различных манжетах, уплотнениях, прокладках, диафрагмах из резины. Такие покрытия обеспечивают легкость и многократность использования резиновых изделий, повышают герметичность аппаратуры и ресурс ее работы.

Из перспективных направлений использования лаковых фторопластовых покрытий можно отметить защиту теплообменного оборудования и газоходов в ТЭЦ, работающих при высоких (до 200-250°С) температурах и воздействии агрессивных газов (окислы серы, азота) и конденсата. Для повышения теплостойкости и адгезии лаковых фторопластовых покрытий нами предлагается термо-химическое структурирование покрытий с образованием неплавких (сшитых) защитных пленок.

Для химической защиты и электроизоляции гальванических подвесок разработан опытный состав на основе СКФ-26ОНМ, позволяющий получать покрытия за 1 слой толщиной до 1 мм. Данные покрытия устойчивы в концентрированной соляной кислоте и различных агрессивных средах гальванического производства (химическое никелирование, хромиривание, золочение и других), а также обладают высокими физико-механическими свойствами (устойчивостью к ударам, царапанию, вибрационным нагрузкам, резким перепадам температур).

Заслуживают также внимания новые атмосферо- и влагозащитные покрытия типа ФПР, отверждаемые в естественных условиях, а также покрытия с избирательной смачиваемостью к различными маслами и жидкостями для приборостроения.

Покрытия из суспензий фторопластов и композиций на их основе наносятся всеми методами, присущими лакокрасочной технологии и применяются в качестве антиадгезионных ( противоналипающих) покрытий (Ф-4Д, Ф-4МД) и в качестве антикоррозионных (Ф-2МЭ, Ф-2МСД, Ф-3МСК, Ф-4МД). Так, из композиций на основе суспензий Ф-4Д, Ф-4МД разработаны и находят применение противоналипающие покрытия для посуды, хлебопекарных форм, вафельниц, тостеров, шнеков, фильер, шиберов в макаронном производстве, для защиты ТЭНов от накипи и повышения класса электробезопасности, для предотвращения налипания расплавов полимеров на сварочных ножах, подошвах утюгов, на валах и термопленках ксероксов, литьевых формах, прессформах и других изделиях.

Из композиций ФБФ-74Д и ЛФА-4Д-О (аналог ВАФ-31) получают покрытия антифрикционного назначения, работающие в условиях сухого трения. Причем опытные покрытии на основе ЛФА-4Д-О обладают высокой адгезией и износостойкостью (в 5-50 раз большей, чем Ф-4Д) и способностью формироваться при температуре 20-90°С. Имеется также положительный опыт использования покрытий на основе ФБФ-74Д в качестве противоналипающих на валах для прокатки теста, содержащего мед, для прессформ вторичной переработки полиуретана и других целей.

Суспензии Ф-4Д, Ф-4МД применяются также для изготовления фторлакотканей типа Ф-4ДЭ01, используемых для получения печатных плат, работающих в высокочастотных диапазонах, для электроизоляции проводов, для непрерывных транспортерных лент, прокладок, полотнищ в кондитерской и хлебопекарной промышленностях, в типографском, швейном, и других производствах.

Для изготовления фторпластовых футеровочных покрытий (футеровок) применяют разработанные в ОАО «Пластполимер» пленки Ф-4МБ, Ф-32Л, Ф-3М, листы и пленки Ф-2, Ф-2М, трубы Ф-4Д, фторлакоткани. Футеровки выполняются как в виде свободных сварных вкладышей, помещаемых в защищаемую емкость, так и наклейкой с последующей сваркой отдельных элементов футеровки, образующих с металлической поверхностью емкости единую конструкцию.

Из перспективных направлений следует отметить способ термодублирования труб и пленок из Ф-4Д стеклотканями, разработанный взамен химической активации Ф-4Д и наклейки дублирующей ткани. При этом достигается очень высокая адгезия между фторопластом и тканью, превосходящая когезионную прочность соединяемых материалов. Такие трубы и пленки с дублирующим слоем могут быть использованы для изготовления бипластмассовой аппаратуры с наружным конструкционным слоем стеклопластика, для футерования газоходов емкостей на ТЭЦ, химических производствах и для других целей. При этом исключается использование металлических оболочек, чем облегчается вес конструкции.

Заслуживает также внимания разработанный способ футеровочного покрытия наружной поверхности труб, валов и других цилиндрических изделий фторопластовыми пленками путем намотки готовых пленок и последующего термоформования заготовок. Таким способом за одну операцию можно получить покрытие до 1 мм, свободное от пор, пузырей, что в некоторых случаях более производительно, чем порошковое напыление (например, Ф-4МБП).