Политетрафторэтиленнің физикалық және химиялық қасиеттері

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 14 бет
Таңдаулыға:

Жоспар

I Кіріспе

1. 1. Фторполимерлер

II Негізгі бөлім

2. 1. Политетрафторэтилен, химиялық құрылымы

2. 2. физикалық және химиялық қасиеттері

2. 3. Алыну жолдары

2. 4. Тетрафторэтилен сополимерлері

2. 5. Рентгеноструктуралық талдау ПТФЭ (политетрафторэтилен)

2. 6. Ультрадисперсті политетрафторэтилен ұнтағы

2. 7. Қолданылуы

III Қорытынды

IV Пайдаланылған әдебиеттер

I Кіріспе

Фторполимерлер - бұл сутегі атомдарының бір бөлігі немесе барлығы фтор атомдарымен алмастырылған полимерлер класы. Бұл материалдар антропогенді, яғни адам жасаған және табиғи аналогтары жоқ. Табиғатта фторполимерлердің болмау себебі неде?

Кәдімгі полимерлердің негізін құрайтын сутегі мен көміртек көптеген органикалық және бейорганикалық қосылыстарда кездеседі, сондықтан олар химиялық байланыстар түзу үшін жиі әрекеттеседі. Ал фтордың табиғатта таралуы минералдармен, негізінен флюоритпен шектелген. Бұл элемент химиялық тұрғыдан өте тұрақты байланыста болғандықтан, табиғи жолмен бөлініп шығуы қиын. Сондықтан табиғи фторполимерлердің түзілуі мүмкін емес.

Сутекті және фторлы полимерлердің құрылымдық ұқсастығы айтарлықтай болғанымен, мысалы, полиэтилен (ПЭ) мен политетрафторэтилен (ПТФЭ) тек сутегінің толық фтормен алмастырылуымен ерекшеленеді. Бірақ бұл материалдар физика-химиялық қасиеттері бойынша айтарлықтай өзгеше.

Фторполимерлер - жоғары технологиялық өнімдер. Оларды өндіру тек санаулы елдерде жүзеге асырылады, әдетте ядролық клубқа мүше мемлекеттерде. Өндіруші компаниялардың саны да көп емес, екі ондықтан аспайды. [1]

II Негізгі бөлім

2. 1. Фторполимерлердің жіктелуі.

Қазіргі уақытта көптеген фторполимерлер белгілі, оларды қабылдауды жеңілдету үшін 1-суретте көрсетілген ағаш түрінде ұсынуға болады. Ағаштың діңін ПТФЭ - жоғары дәрежеде (шамамен 90%) кристалдық реттелген макромолекулалардан тұратын полимер құрайды, олар (CF₂-CF₂) -фрагменттерінен тұратын спиральді тізбектерден құралған. Фторды ішінара сутекпен немесе хлормен алмастырған кезде, модификацияланған фторполимерлер түзіледі, мысалы, поливинилиденфторид (бірлік фрагмент CF₂-CH₂) және (CF₂-CFCl) .

Олар гомополимерлер тобын құрайды. Түрлі гомополимерлердің макромолекулаларын біріктіретін көптеген сополимерлер синтезделген. Жеке топты аморфты фторполимерлер, соның ішінде эластомерлер құрайды. Ағаштың жеке «бұтақтары» әртүрлі морфологиялық құрылымы бар фторполимерлерді түзейді: ұнтақтар, пленкалар, талшықтар, жабындар, сондай-ақ әртүрлі толтырғыштары бар композициялық материалдар.

2025-03-05 11:04:31.122000

1-сурет[12]

2. 1. Политетрафторэтилен, химиялық құрылымы.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) (-CF2-CF2-) n - фторопласт- 260. Бұл анағұрлым жылуға жəне химиялық төзімді термопласттардың бірі. Оны ұзақ пайдалану температурасы 250 °С жетеді, ол -269 °С дейін өте төмен температуралар кезінде нəзік болмайды. Фторопласт-4 - жоғары сапалы диэлектрик; оның ерекшелігі үйкеліске төзімді қасиеті болып табылады. Жетіспеушіліктері: жоғары температура кезінде улағыш фторды бөлу, төмен иілімділікке байланысты қысу əдістерімен қайта өңдеу қиындылығы. Фторопласт-4 электр техникалық бұйымдарды, мембраналарды, тығыздағыш төсемдерді жəне т. б. жасау, сондай-ақ үйкеліс тораптарының бұйымдары үшін дайындалады. [2] .

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) балқыма күйінен салқындағанда жартылай кристалды құрылым түзеді. Зерттеуші М. М. Найдекенің (немесе басқа авторлардың) жұмыстарына сүйене отырып, ПТФЭ-нің кристаллдану дәрежесі температураға байланысты екені анықталған. Салқындау жылдамдығы неғұрлым жоғары болса, кристаллдану дәрежесі соғұрлым төмендеуі мүмкін. Тығыздық шамамен 0, 37 г/см³ бұл көрсеткішті 27, 7% көлемдік шөгу деп түсіндіреді. Рентгенқұрылымдық талдау нәтижелері ПТФЭ бөлшектерінің жартылай кристалды құрылымға ие екенін және кристаллит өлшемдерінің 10-13 нм шамасында болатынын көрсетеді. Балқу температурасы орта есеппен 327-342 °C аралығында, бірақ кей жағдайларда 315 °C-қа дейін төмендеуі мүмкін. Мұның себебі - үлгінің кристаллдану тарихы мен қоспалардың әсері.

ПТФЭ ұнтақтары көбіне пресстеу, илеу немесе пасталық экструзия арқылы қажетті бұйымдар формасына келтіріледі.

Жоғары кеуектілік кей жағдайларда өнімді жеңілдетіп, оны фильтрлік материал немесе тығыздағыш түрінде пайдалануға мүмкіндік береді.

(ПТФЭ) кристалдану процесі және кристалдық дәрежесі оның молекулалық массасына (M) байланысты өзгереді. ПТФЭ үлгілерінің тығыздығы молекулалық массаға тәуелді, себебі кристалды және аморфты аймақтардың тығыздықтары әртүрлі болады. Тығыздықты анықтаудың кең тараған әдісі - спекеттік тығыздық пен молекулалық масса арасындағы тәуелділікті зерттеу. Сонымен қатар, рентгендік құрылымдық талдау және ИК-спектроскопия әдістері қолданылады.

Молекулалық массаның әсері:

• Егер M > 10⁶ болса, мұндай ПТФЭ тек жоғары тазалықтағы шикізаттан алынады.

• Полимер синтезі кезінде қоспалардың (мысалы, хлор, сутегі) болуы материалдың термотөзімділігін төмендетеді.

Қоспалардың әсері:

• Молекулалық құрылымда сутегі, хлор және басқа элементтер болса, ПТФЭ-нің термотөзімділігі мен химиялық тұрақтылығы төмендейді.

• Фторорганикалық қоспалар кристалдану дәрежесін өзгертіп, механикалық қасиеттерін нашарлатуы мүмкін.

Полимердің беріктігі мен қасиеттерін анықтайтын факторлар:

• Полимерлеу процесінде суда ерімейтін, гидрофобты полимерлер түзілуі мүмкін.

• Егер қатты фазадағы бөлшектер коллоидтық деңгейде болса, олардың механикалық беріктігі мен химиялық тұрақтылығы артады.

• Полимерлеу процесі кезінде эмульгаторлардың болуы молекулалық массаны басқаруға мүмкіндік береді.

Бұл әдістер арқылы алынған ПТФЭ ең жоғары сапалы қасиеттерге ие болады және әртүрлі қолдану салаларында тиімді қолданылады [3] .

2. 2. Қасиеттері

ПТФЭ полимерленуден кейін өте жоғары кристалдану дәрежесіне ие (93-98%), бұл оның тығыздығы мен механикалық беріктігін арттырады.

Балқу температурасы ПТФЭ-нің 342°C, бұл оның жоғары термотөзімділігін көрсетеді. Егер ПТФЭ-ні бірнеше рет қайта балқытса да, оның балқу температурасы өзгермейді.

Кристалдану дәрежесінің өзгеруі . ПТФЭ-нің кристалдану дәрежесі 50-70% аралығында өзгеруі мүмкін, бұл оның молекулалық массасына және салқындату жылдамдығына тәуелді. Егер салқындату жылдамдығы жоғары болса, аморфты құрылым көбірек қалыптасады, ал баяу салқындатқанда жоғары кристалданған құрылым түзіледі.

• Иондаушы сәулеленудің жоғары дозаларында кристалдану дәрежесі алдымен артады, содан кейін төмендей бастайды.

ПТФЭ-нің радиолизі кезінде жиі пайда болатын ыдырау өнімдері:

• Металл фторидтері

• SiF₄, COF₂, CO₂, CO, CF₄

• Қос байланыстары бар және карбоксил топтары бар қосылыстар

Гамма-сәулелендірудің (⁶⁰Co) және жоғары жылдамдықты электрондардың әсері:

• Радикалдар түзіледі.

• Вакуумда сәулелендіргенде молекулаларда қос байланыстар түзіледі.

• Ауада сәулелендіргенде радикалдар оттегімен және су буларымен әрекеттеседі, нәтижесінде гидроксил, карбонил, карбоксил және фторангидрид топтары пайда болады.

Жылдам электрондармен сәулелендіргенде:

• Бос радикалдардың түзілу жылдамдығы оттегі мен судың сіңу жылдамдығынан жоғары.

• Бұл молекулалық тізбектерде негізінен қос байланыстардың пайда болуына әкеледі.

• ⁶⁰Co сәулелендіру кезінде радикалдар түзілуі мен оттегінің сіңуі шамамен тең жүреді, нәтижесінде оттегі бар топтар және C=O топтары түзіледі. [9]

2025-03-05 08:45:56.564000

а б

2-сурет

а) ПТФЭ кристалдану дәрежесінің сәулелену дозасына тәуелділігі

б) ПТФЭ динамикалық үйкеліс коэффициентінің жүктемеге тәуелділігі

Механикалық қасиеттері: Егер кристалдану дәрежесі 70-85% болса, ПТФЭ-нің беріктігі жоғары болады. Максималды балқу температурасы 315°C-қа дейін жетуі мүмкін, бұл полимердің молекулалық массасына байланысты. ПТФЭ жоғары температураға, химиялық әсерлерге төзімді, механикалық беріктігі жоғары полимер болып табылады. Оның құрылымы, молекулалық массасы және өңдеу әдісі оның қасиеттерін анықтайды [4] .

ПТФЭ өте қатты және морт сынғыш материал. Егер ПТФЭ балқу температурасына дейін қыздырылса, ол өзінің құрылымдық беріктігін сақтайды. Балқытылған ПТФЭ эластикалық қасиет көрсетпейді және каучуктік күйге өтпейді. Ол әйнек сияқты сынғыш болады, яғни пластикалық ағынға төзбейді. Оны оқпен атқанда, ПТФЭ шыны сияқты ұсақ сынықтарға бөлінеді.

Бұл қасиеттер ПТФЭ-нің ерекше құрылымына байланысты, онда көміртек тізбегі спираль тәрізді бұралған және фтор атомдарының тығыз қабатымен қоршалған. Осындай құрылым оның жоғары химиялық тұрақтылығын қамтамасыз етеді.

Морфологиялық ерекшеліктері: Эмульсиялық әдіспен алынған ПТФЭ ұсақ дисперсиялы бөлшектерден тұрады. Бұл бөлшектер сфера тәрізді, стержень тәрізді немесе пластинкалы пішінге ие болуы мүмкін. Стержендер бір-бірімен байланысып, торлы құрылым түзеді [5] .

Химиялық қасиеттері

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) - (C₂F₄) ₙ формуласымен сипатталатын фторлы полимер. Ол кеңінен **тефлон** деген атаумен белгілі.

1. Химиялық инерттілігі

- ПТФЭ химиялық тұрғыдан өте тұрақты, себебі оның көміртек-фтор (C-F) байланысы өте берік.

- Көптеген қышқылдармен, негіздермен, тотықтырғыштармен және органикалық еріткіштермен әрекеттеспейді.

- Сілтілерге, күкірт және азот қышқылдарына төзімді.

2. Отқа төзімділігі

- ПТФЭ жанбайды және өте жоғары температураға (260-327°C) дейін тұрақты.

- 500°C-тан жоғары температурада ыдырай бастайды, нәтижесінде улы газдар (фторлы қосылыстар) бөлінуі мүмкін.

3. Оттегі мен ылғалға төзімділігі

- Атмосфералық оттегі мен су буымен әрекеттеспейді.

- Гидрофобты қасиетке ие, яғни су өткізбейді.

4. Үйкеліс коэффициентінің төмендігі

- Басқа заттармен жабысуға бейімділігі төмен, сондықтан өзін-өзі майлайтын материал ретінде қолданылады.

- Осы қасиетіне байланысты, жабыспайтын қаптамаларда (таба, кастрюль) және өнеркәсіптік жабындарда кеңінен қолданылады.

5. Тотығуға қарсы төзімділігі

- Күшті тотықтырғыштармен (мысалы, хлор трифторидімен) арнайы жағдайларда ғана әрекеттесуі мүмкін.

- Озон, ультракүлгін сәулелер және радиация әсеріне төзімді.

6. Еріткіштермен әрекеттеспеуі

- Әдеттегі органикалық еріткіштерде (бензол, ацетон, спирттер) ерімейді.

- Ерекше жағдайларда (мысалы, балқытылған сілтілік металдармен) реакцияға түсуі мүмкін.

2. 3. Алыну жолы

ПТФЭ алу үшін ең кең тарағандары - суспензиялық және эмульсиялық полимерлену. Екеуінде де су фазасы қолданылады. Органикалық еріткіштердегі әдістер қымбаттығы мен тиімсіздігіне байланысты сирек қолданылады.

Органикалық еріткіштердегі полимерлену. Органикалық еріткіштерде (мысалы, CF₂Cl₂, CHF₂Cl, CF₂ClCFCl₂) ПТФЭ-ні синтездеу теориялық тұрғыдан мүмкін, бірақ экономикалық жағынан тиімсіз (еріткіштердің қымбат болуы, мономердің нашар еруі, т. б. ) . Өнеркәсіптік деңгейде су фазасында (суспензия немесе эмульсия) полимерлеу әлдеқайда тиімді. ПТФЭ жоғары температурада немесе газ тәрізді күйде ыдырағанда жабық реакторда жарылыс болуы мүмкін. Тәжірибелік деректер бойынша, бастапқы газдың тығыздығы 0, 07-1, 00 г/см³ болса, жарылыс кезінде қысым 12, 41-482, 6 МПа-ға дейін өсуі ықтимал. Сондықтан өндірістік процесте қауіпсіздік шаралары қатаң сақталып, реактор ішіндегі температура мен қысым бақыланып отырады.

Суспензиялық полимерлену әдісі.

Негізгі параметрлер

Температура: 15-80 °C

Қысым: 3, 5 МПа-ға дейін

Инициатор: көбіне аммоний персульфаты (APS), кейде оған Fe²⁺ немесе басқа катализаторлар қосылады. Полимерлену нәтижесінде 1-6 мкм шамасындағы түйіршіктер түзіледі, олардың кеуектілігі 80%-ға дейін жетеді. Бұл түйіршіктерді сүзгіден өткізіп, жуып, кептіріп, дайын ұнтақ түрінде алады. Қолдану ерекшеліктері. Алынған ұнтақтарды пресстеу немесе пасталық экструзия әдістерімен бұйымдарға айналдырады. Балқыма тұтқырлығы өте жоғары болғандықтан, классикалық экструзия немесе құю тәсілдері сирек қолданылады.

Эмульсиялық полимерлену әдісі

Процесс шарттары

Температура: 30-90 °C

Қысым: 0, 8-3, 5 МПа

Реактор көлемі: 300 л не одан көп

Инициаторлар: персульфаттар, пероксидтер, фторқосылыстар және т. б.

Эмульсияның артықшылықтары. ПТФЭ су фазасында түзіледі, түйіршіктер ұсақ әрі біркелкі. Жұқа пленкалар, электростатикалық жабындар және жоғары кеуектілігі бар материалдар алуға мүмкіндік береді. Эмульсиядан бөлініп шыққан ПТФЭ-ні жуып, кептіріп, ұнтақ немесе паста түрінде алады. Кейіннен қысыммен престеу, илеу немесе пасталық экструзия қолданылады [6] .

2. 4. Тетрафторэтилен сополимерлері

Тетрафторэтилен (ТФЭ) көптеген қанықпаған қосылыстармен, оның ішінде толық фторланған, жартылай фторланған және фторланбаған олефиндермен, жай және күрделі эфирлермен, басқа да мономерлермен радикалды сополимеризация реакциясына түсе алады. Алынған сополимерлердің құрамы бастапқы мономер қоспасының құрамына және мономерлердің құрылымына байланысты болады.

ТФЭ радикалы перфтормономерлермен реакцияға түскенде көбіне «өз» мономеріне қосылып, «бөтен» мономерге қарағанда төмен реактивтілік көрсетеді. Әсіресе, көлемді перфторалкил топтары бар гексафторпропиленмен реакциясы баяу жүреді. Ал фторолефиндермен (винилиденфторид, трифторэтилен) және фторланбаған олефиндермен (этилен, пропилен, изобутилен және т. б. ) сополимеризация кезінде ТФЭ радикалы көбіне «бөтен» мономермен әрекеттеседі.

Сополимеризация константаларының көбейтіндісі көрсеткендей, ТФЭ-нің жартылай фторланған олефиндермен сополимеризациясы кезінде мономерлік буындардың кезектесіп орналасу тенденциясы байқалады. Бұл құбылыс мономерлердің «полярлығымен» байланысты, себебі олардың құрамында донор-акцептор орынбасарлары бар. Перфторолефиндерде фтор атомдары электрон-акцепторлық қасиетке ие болса, ал олефиндер мен сутек-фторлы олефиндерде сутек атомдары электрон-донор болып табылады.

Полярлық айырмашылығы мономер буындарының кезектесіп орналасу қабілетін арттырады. Олефиндердің ішіндегі ең полярлысы - винилиденфторид (ВДФ) . ТФЭ мен ВДФ сополимеризация константаларының көбейтіндісіне қарағанда, бұл жұпта мономерлердің кезектесіп орналасу ықтималдығы төмен, ал мономерлік буындар статистикалық түрде бөлінуі тиіс. Алайда, ИҚ-спектр, ЯМР спектрлері, ерігіштік және басқа да зерттеулер көрсеткендей, бұл сополимерде белгілі бір құрылымдық реттілік бар.

2. 5. Рентгеноструктуралық талдау ПТФЭ (политетрафторэтилен)

Рентгеноструктуралық талдау ПТФЭ (политетрафторэтилен) кристалдық құрылымының 19°С және 30°С температураларында екі қайтымды фазалық ауысу өтетінін көрсетеді.

• 19°С төмен температурада қайталанатын буын 6 айналым мен 13 CF₂ тобынан тұрады, ал спираль триклинді тор түзеді.

• 19-30°С диапазонында спираль аздап тарқатылады, 7 айналым мен 15 CF₂ тобынан тұрып, гексагоналды қаптаманы түзеді.

• 30°С жоғары температурада спираль ретсіз ширатылған күйге өтеді, бірақ балқу температурасына дейін кристалдық аймақта гексагоналды қаптама сақталады.

Кейбір құрылымдық сипаттамалар:

• 19°С кезінде тізбектің қайталанатын буындары арасындағы арақашықтық - 1, 688 нм (16, 88 Å) .

• Тізбек осіне перпендикуляр бағыттағы қайталанатын құрылымның қадам ұзындығы 0, 559 нм (5, 59 Å) 0°Стемпературада.

• 25°С кезінде тордың өлшемдері:

• a = 0, 565 нм (5, 65 Å)

• c = 1, 95 нм (19, 50 Å)

Молекулалық қаптаманың тығыздығы:

• Кристалдық аймақта: 0, 66-дан 0, 60-қа дейін азаяды.

• Аморфтық аймақта: 0, 58-ден 0, 46-ға дейін төмендейді (температура 20-320°С )

Бұл айырмашылық аморфты фазада молекулалардың жоғары қозғалғыштығы мен температуралық кеңеюінің үлкен екенін көрсетеді.

Балқу күйіндегі ПТФЭ:

• Молекулалық тізбектердің пішіні айтарлықтай өзгермейді, құрылымдық тәртібі сақталады.

• Өте төмен беріктікке ие, бірақ каучук тәрізді қасиеттері бар.

• Бұл ПТФЭ молекуласының жоғары қаттылығын білдіреді.

• ПТФЭ балқу энтропиясы төмен: 6, 07 Дж/моль (1, 45 кал/°С) . [5]

2025-03-05 08:32:03.578000

3-сурет. Политетрафторэтилен тізбегінің моделі

2. 6. Ультрадисперсті политетрафторэтилен ұнтағы

Бейорганикалық нанодисперсті ұнтақтарды, әсіресе металл ұнтақтарын өндіруде газ фазасынан синтездеу кеңінен қолданылады. Алайда, бұл технология ПТФЭ және басқа фторполимерлер үшін қолданылмайды.

Біріншіден, бұрын қыздырған кезде оның 90%-дан астамы газ тәрізді C₂F₄ мономеріне ыдырап, ол полимерленуге бейім емес деген пікір болған . Екіншіден, полимерлер «жұмсақ» материалдарға жатады, олар сыртқы әсерлерге сезімтал және қасиеттері мен құрылымы аздаған өзгерістерден қатты өзгереді. Сондықтан оларды өңдеудің оңтайлы технологиялық режимдерін табу қиын. Үшіншіден, полимерлер үшін бастапқы өнімдердің жылулық ыдырау механизмдері және газ фазасында аэрозоль бөлшектерінің түзілуі күрделі құбылыс болып табылады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.