Фторосад - высокопрочный нехладотекучий фторопласт для уплотнений, работающих при высоких давлениях

Фторопласты и композиты на их основе благодаря своим уникальным свойствам получили широкое распространение в конструкциях подвижных и неподвижных уплотнений, работающих в широком диапазоне температур и давлений как жидких , так и газообразных высокоагрессивных сред. При этом основное преимущество при работе в качестве уплотнений является их высокая деформативность. Однако при низких значениях напряжения сжатия (до 20% от предела текучести) материал незначительно деформируется, не течет и плохо уплотняет поверхности раздела. Но уже при небольшом увеличении этого уровня напряжений доля пластической составляющей деформации после снятия напряжения довольно велика. Это явление иногда называют хладотекучестью и позволяет герметизировать все шероховатости поверхности и неточности сопрягаемых пар. Однако это его преимущество при повышенных напряжениях становится и его основным недостатком, поскольку после снятия нагрузки из-за высокой доли пластической деформации материал не восстанавливается и возможны протечки и дросселирование уплотняемой среды. В этом случае требуются многократные дополнительные подтяжки материала для восстановления герметичности узла.

В литературе появилось много вариантов решений этих проблем-проблемы уплотнения высокоагрессивных сред при низких давлениях и проблемы уплотнения при высоких давлениях. Уровень давлений определяется по отношению к пределу текучести материала. Проблему уплотнения при низких давлениях решают в основном за счет появления новых материалов – КФРК ( комбинированных фторопласто-резиновых колец), экспандированного ( вытянутого) фторопласта и фторопластового войлока (термосвязанные волокна) с различной плотностью, технология создания последнего разработана на нашем предприятии. Эти материалы легко деформируются при незначительных напряжениях сжатия и доля вязко- упругих ( восстанавливающихся) деформаций довольно высока. Проблемы уплотнений при высоком уровне напряжений сжатия решаются в основном за счет конструктивных решений ( создать материал с высоким пределом текучести и высокой эластичностью на основе фторопласта до сих пор не удалось). Конструктивные решения сводятся к необходимости обеспечить в узлах объемное сжатие уплотнительного материала. Тогда доля упругих и вязко-упругих деформаций резко возрастает и при снятии нагрузки герметичность узла обеспечивается. Такие решения однако не везде можно применить. Конструктивные решения, как правило, увеличивают габариты и вес узлов уплотнения и это отрицательно сказывается на машинах и аппаратах в целом. Попытки создать фторопластовые материалы с высоким пределом текучести и эластичностью предпринимались и предпринимаются вплоть до настоящего времени. В основном эти решения сводятся к получению композиционного материала на основе фторопласта-4 с волокнистыми или дисперсными высокотемпературными наполнителями. Но учитывая, что фторопласт является ярко выраженным материалом с антиадгезионными свойствами, наполненный материал на их основе является механической смесью. А так как роль матрицы в сопротивлении деформированию велика, то получить материал с высоким пределом текучести на основе композиционного материала до сих пор не удалось. Выяснилось также, что высокое наполнение фторопласта-4 добавками ( выше 20%) увеличивает хрупкость, так как они становится концентраторами напряжений, что резко снижает его уплотнительные свойства. Кроме этого увеличивается коэффициент трения. Лучшие наполнители ( коксовая мука, рубленное стекловолокно, фибра из графитовых волокон, бронзовый порошок) повышают предел текучести на сжатие не более чем на 30 %. Даже попытки полимеризационного наполнения или активации поверхности раздела “матрица-наполнитель” в композиционных фторопластовых материалах не приводит к существенному увеличению предела текучести и эластичности ( СУПЕРФЛУВИКС). Единственным преимуществом таких материалов является повышенная износостойкость, которая ценна в подвижных соединениях, но вопросы использования их при повышенных напряжениях сжатия остаются открытыми. Радиоционно- модифицированный фторопласт, появившийся на рынке под торговым названием РАФЛОН “как сверхпрочный износостойкий материал” при проверке не подтвердил рекламированные механические свойства. Предел текучести на сжатие такого материала, как показали исследования, оказался в диапазоне разброса данных по марочному ассортименту обычного фторопласта, а на растяжение он работает вообще значительно хуже чем обычный материал, хотя в рекламных материалах он назван как революционный и не имеющий аналогов! Весь ассортимент электротехнических, уплотнительных, изоляционных пленок полученных из заготовок этого материала не прошли испытаний по механическим свойствам по существующим ГОСТам и ТУ. Это говорит о недобросовестной рекламе его создателей и применять его в области повышенных давлений просто неэффективно.. Единственное, что отличает этот материал от обычного фторопласта , это повышенная износостойкость, поэтому это только!! еще один материал в линейке уже хорошо отработанных и широко применяемых износостойких фторопластовых материалов, таких как ФЛУВИКС и СУПЕРФЛУВИКС, ФЛУБОН-20, с наполнителями из углеродного волокна с отличными показателями износостойкости.

На нашем предприятии предпринята попытка создать фторопласт-4 с высокими прочностными и вязко-упругими характеристиками на сжатие и с низким коэффициентом трения. Мы применили принципиально иной подход к решению этой проблемы- накопление интенсивных пластических деформаций ( ИПД) сдвига под давлением в исследуемом материале. В этом случае структура фторопласта-4 претерпевает кардинальное изменение - исходные кристаллиты, состоящие из складчатых и скрученных ламеллей трансформируется в фибриллярную структуру и перестраивается так, чтобы обеспечить материалу наибольшее сопротивление деформированию. Поперечный размер фибрилл при больших пластических деформациях становится меньше чем 100 нм, что означает порог наноструктурной модификации. Операции ИПД являются классическими операциями нанотехнологий по принципу от “большого к малому”. Отжиг под давлением такого структурно-модифицированного фторопласта после операций ИПД позволяет зафиксировать эту структуру в процессе перекристаллизации. В результате мы получили материал с уникальным комплексом новых свойств. Мы производим его под торговым названием ФТОРОСАД. В зависимости от степени накопленных деформаций можно получить фторопластовый материал, обладающий повышенными характеристиками упругих , вязко - упругих и прочностных свойств. При высоких степенях накопленных деформаций материал не течет под нагрузкой и можно говорить только об условном пределе текучести в направлении результирующего вектора главных напряжений операций ИПД. Он может достигать,при предельных степенях деформации, до 90 МПа. Это в 10 раз выше , чем у обычного материала. При сжатии такого материала давлением 150 МПа деформация составляет всего 22% и имеет место хрупкое разрушение с распадом на мелкие куски. Однако применение материала с предельными механическими характеристиками в уплотнении не всегда оправдано из-за проблем, которые могут возникнуть при отрицательных температурах из-за малой пластичности и высокой хрупкости, поэтому предпочтение необходимо отдавать материалу со средними величинами степени накопленной деформации. Следует отметить, что материал при операциях ИПД становится анизотропным с фибриллярной структурой и существенное упрочнение наблюдается только по направлению результирующего вектора главных напряжений. На рисунках показаны упрочненные заготовки из материалов Ф-4 и Ф-4К20 и представлена анизотропия условного предела текучести при сжатии и растяжении такого материала в полярной системе координат. Направление результирующего вектора главных напряжений операций ИПД по координате У. При коэффициенте накопленных деформации R=3.2 ( отношение площади поперечного сечения исходного образца к площади поперечного сечения образца после ИПД) в направлении результирующего вектора главных напряжений материал имеет предел прочности при разрушении 80 МПа, а в перпендикулярном направлении упрочнение практически не происходит. Но это говорит о том, что материал в этом направлении не теряет своих основных механических свойств.

Рис. Упрочненные материалы Ф-4К20 и Ф-4

Рис. Штриховая кривая – условный предел текучести обычного фторопласта, сплошная -условный предела текучести ФТОРОСАДА Ф-4 (р-растяжение , сж – сжатие) при R=3,2.

Отличительной особенностью внешнего вида такого материала является прозрачность.

Рис. ФТОРОСАД в проходящем свете. Диск- толщина 5 мм , Лента -толщина 3 мм.

Это объясняется тем, что при сдвиговом пластическом деформировании под давлением залечиваются многочисленные поры и микродефекты, имеющиеся в исходном фторопласте, и увеличивается плотность материала, вследствие чего свет не рассеивается в объеме материала. Операции ИПД под давлением один из вариантов получения практически беспористого фторопласта с исключительной химстойкостью и очень низким коэффициентом трения. ФТОРОСАД хорошо зарекомендовал себя при использовании его в торцевых и фланцевых соединениях при высоких давлениях. Пленки и ленты, полученные из этого материала имеют высокие механические характеристики,превышающие требования ТУ и ГОСТов, повышенные электрические свойства и повышенную износостойкость по сравнению с исходным материалом. ФТОРОСАД отличает и необычная упругость и эластичность в направлении результирующего вектора приложенных напряжений операций ИПД. Он выдерживает длительное многоцикловое нагружение изгибом без признаков пластической деформации. Такой материал может использоваться как в подвижных так и неподвижных соединениях при высоком и очень высоком давлении без ярко выраженной пластической деформацией , однако достаточной для герметизации сопряженных соединений. На сегодняшний день ФТОРОСАД это единственный фторопласт -4,который может эффективно работать при высоких давлениях и температурах в условиях высокоагрессивной среды.

На рисунке показаны полные диаграммы сжатия фторопласта-4. Кривая 1 это диаграмма сжатия обычного фторопласта . Кривая 2 - радиационно -модифицированного. Кривые 3 и 4 - фторопласта модифицированного пластическим деформированием. Кривая 3 при коэффициенте накопленной деформации R=3.2 , кривая 4 при коэффициенте накопленной деформации R=3.7.

Из рисунка видно, что у кривых 3 и 4 практически отсутствует площадка текучести. После достижения условного предела текучести как у обычного фторопласта и такой же деформации, материалы ФТОРОСАД деформируются уже как упругие и эластичные материалы. Пластической деформации в диапазоне напряжений 20-50 МПа и выше практически не наблюдается. После снятия нагрузки наблюдается только упругое или вязко- упругое, при небольших степенях накопленной деформации , восстановление до исходного состояния с практически полным возвратом к исходным размерам уплотнительного элемента. Остаточная пластическая деформация после снятие нагрузки в 50МПа материала при R=3.7 - 10 % при R=3,2 -20%. У обычного фторопласта при таких же нагрузках остаточная деформация 55%, у радиационно облученного и того больше. Таким образом у ФТОРОСАДА пластическая деформация достаточна для компенсации неровностей сопряженных пар при высоких давлениях и отсутствует хладотекучесть. В таблице представлены все необходимые сведения о материале ФТОРОСАД для применения его при высоких давлениях.

* R – коэффициент накопленной деформации ( отношение площади поперечного сечения исходной заготовки к площади поперечного сечения деформированной заготовки)

видеообзор