8 Июня 2019

Фторполимерные материалы: Прошлое, Настоящее и Будущее

Опубликовал Н.А. Рыков

Практически любой человек, непосредственно участвующий в создании и производстве полимеров, и многие люди во всем мире, не имеющие никакого к ним отношения, знакомы с происхождением концепции фторполимеров. В конце концов, Teflon®, торговая марка политетрафторэтилена (PTFE) от DuPont, известна во всем мире. Классическая история открытия фторполимеров изобилует волшебной комбинацией блеска и счастливой жизни. Однако среда и контекст, в которых произошло обнаружение, часто упускаются из виду.

Фторполимеры - это полимерные материалы, содержащие атомы фтора в своих химических структурах.

 Исходя из общих концепций органических полимеров, существуют два типа фторполимерных материалов, то есть перфторполимеры и частично фторированные полимеры.  В первом случае все атомы водорода в аналогичных структурах углеводородного полимера были заменены атомами фтора.  В последнем случае в полимерных структурах присутствуют как атомы водорода, так и фтора.  Обсуждаемая здесь отрасль фторполимеров в основном касается перфторполимеров, хотя в некоторых случаях в нее включены частично фторированные полимеры.  В последнем случае в полимерных структурах присутствуют как атомы водорода, так и атомы фтора, а также в некоторых случаях дополнительные элементы, такие как поливинилиденфторид (PVDF) и полихлортрифторэтилен (PCTFE).

Фторполимеры обладают превосходными свойствами, такими как выдающаяся химическая стойкость, атмосферостойкость, низкая поверхностная энергия, низкий коэффициент трения и низкая диэлектрическая проницаемость.  Эти свойства проистекают из особой электронной структуры атома фтора, стабильной ковалентной связи углерод-фтор и уникальных внутримолекулярных и межмолекулярных взаимодействий между фторсодержащими полимерными сегментами и основными цепями.

 Благодаря своим особым химическим и физическим свойствам фторполимеры широко применяются в химической, электрической / электронной, строительной, архитектурной и автомобильной промышленности.  Мировое потребление фторполимеров чрезвычайно растет.  Мировые продажи фторполимеров в 2000 году превысили 2,0 млрд. Долл. США по сравнению с 1,5 млрд. Долл. США в 1994 году. Несмотря на то, что фторполимерная отрасль пострадала так же, как и другие отрасли, из-за экономического спада после 2008 года, произойдет поворот вместе с восстановлением мировой экономики для рынка фторполимеров, особенно в автомобильной промышленности, проводах и кабелях, современных батареях, топливных элементах и ​​фотоэлектрических модулях.

Развитие фторполимерной промышленности

Развитие фторполимерной промышленности началось с открытия политетрафторэтилена (PTFE) доктором Планкеттом в DuPont в 1938 году.

Белый порошок, случайно обнаруженный, открыл волшебную дверь в одну из важнейших областей прикладной химии - фторполимерную промышленность, - которая сильно повлияла на весь мир на протяжении следующих 70-и лет.  PTFE представляет собой линейный полимер тетрафторэтилена (ТФЭ).  Подготовка PTFE является опасной из-за химических свойств TFE.  Поэтому требуется специальное производственное оборудование и условия обработки.

Вначале полимеры PTFE не нашли применения ни в одной отрасли из-за его нерастворимости, высокой температуры плавления и чрезвычайно высокой вязкости сплава.  Во время Второй Мировой Войны люди поняли важность этого нового материала.  В то время Манхэттенский проект занимался разработкой атомной бомбы.  Практически U-235 необходимо отделить от U-238 с помощью дифференциальной диффузии UF6.  UF6 обладает высокой коррозионной активностью по отношению к большинству металлов, и было трудно очистить этот материал.  В результате Манхэттенский проект искал новые коррозионно-стойкие материалы для удовлетворения новых потребностей в очистке UF6.  Тогдашний странный новый материал и его устойчивость к химическим веществам доказали, что PTFE может выдержать чрезвычайно агрессивные условия очистки.  Таким образом, PTFE получил свой первый бизнес-заказ от Манхэттенского проекта.

В 1953 году компания M.W. Kellog выпустила новый фторполимер полихлортрифторэтилен (PCTFE) под торговой маркой Kel-F. PCTFE получают свободнорадикальной полимеризацией хлортрифторэтилена (ЦТФЭ) с линейной структурой полимерных цепей.

После обнаружения того, что этилен обладает хорошими сополимеризационными свойствами с фторированными мономерами, было разработано много новых фторполимеров для достижения более благоприятных свойств при применении.  Первым фторполимером, содержащим этиленовые звенья, был ECTFE, который был представлен на рынке итальянской компанией Ausimont в 1970 году. ECTFE представляет собой чередующийся сополимер этилена и CTFE.

В конце 1999 года компания Ausimont представила новое семейство смол ECTFE под торговой маркой Vatar, специально разработанное для удовлетворения требований к применениям приточного кабеля.  ETCFE в настоящее время производится Solvay под торговой маркой Halar после приобретения Ausimont в 2002 году.

Настоящее и будущее фторполимерной промышленности

С начала XXI века индустрия фторполимеров не создала действительно инновационного или стоящего продукта.  Существующие продукты могут удовлетворить большинство требований их промышленного применения.  В настоящее время усилия сосредоточены на снижении производственных затрат и расширении рынков приложений с продолжающимся развитием глобализации (как и в большинстве других отраслей).

Северная Америка по-прежнему является наиболее доминирующим рынком для фторполимеров, особенно из-за значительного спроса в США на рынке проводов и кабелей.  Ожидается, что Азиатско-Тихоокеанский регион станет самым быстрорастущим рынком для фторполимеров, причем огромный рост обусловлен Японией, Китаем и Индией.

Наряду с развитием фторполимерной промышленности все большее беспокойство вызывает влияние этих материалов на безопасность и окружающую среду.  Например, люди сомневаются в том, что фторполимеры могут способствовать накоплению фторированных загрязнителей в окружающей среде, которые могут угрожать всей биологической системе на

 земном шаре.  Загрязняющие вещества, вызывающие наибольшее беспокойство, включают трифторуксусную кислоту (TFA) и перфтороктановую кислоту (PFOA).  Исследователи подчеркнули, что нет никаких доказательств того, что количество TFA из фторполимеров опасно для людей.  Однако, поскольку TFA долго держится, он может нарастать в окружающей среде,  до уровня, который может представлять проблему для растений.  Несколько государственных учреждений рассмотрели вопросы безопасности фторполимерных продуктов, в том числе Комиссия по безопасности потребительских товаров США (CPSC), Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) и Агентство по охране окружающей среды США (EPA).  В результате, американские и международные регулирующие органы, в том числе Управление по контролю за продуктами и лекарствами США и Европейский орган по безопасности пищевых продуктов, подтверждают безопасность и надежность фторполимеров при их различном использовании, если материалы используются в соответствии с отраслевыми рекомендациями.

Таким образом, фторполимеры прошли долгий путь за последние 70 лет.  Без сомнения, будет разработано много новых фторполимерных материалов, и будут найдены новые применения для старых фторполимеров.  Важность фторполимерной промышленности не будет дестабилизирована до появления новых заменителей.

Контакты института

Пн-Вс 8:00 - 19:00

undefined

Ближайшие события

Все события
Новые книги

Свежие новости

Читать все новости