Волокнисто-пористый фторопласт «Грифтекс»

Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт-4, тефлон) по комплексу свойств является уникальным материалом. К сожалению, его достоинства обусловливают и небольшой выбор методов получения волокон и пористых систем из него. Нами разработана лазерная технология переработки ПТФЭ, направленная, главным образом, на получение волокнисто-пористого материала. Суть её состоит в газодинамической вытяжке расплава потоком мономера под действием излучения СО2 лазера в вакууме. Вырабатываемый таким способом волокнисто-пористый ПТФЭ получил название “Грифтекс”. 
Материал “Грифтекс” в зависимости от технологических режимов формируются в виде ваты или войлока. Вата состоит из хаотично переплетенных волокон переменного сечения со средним диаметром 5…15 мкм и длиной до 10 мм. Войлок состоит из отдельных коротких волокон со средним диаметром 10…15 мкм и длиной 0,2…2 мм, сплавленных между собой в местах контакта.

Пористость войлока 85…90 %, средняя плотность – 300…400 кг/м3. Химическая и термическая стойкости обоих видов материала полностью эквивалентны исходному ПТФЭ. Механическая прочность войлока “Грифтекс” зависит от режимов его получения и последующей обработки; полученный без специальной обработки материал имеет невысокую прочность, что связано с малой длиной волокон, густотой и площадью межволоконных контактов. Прочность на разрыв получаемого без обработки материала плотностью 300…400 кг/м3 составляет 0,02…0,03 МПа, относительное удлинение при разрыве – 15…20%. Стойкость слоя войлока к перегибам зависит от его толщины и плотности и для пластины толщиной 3 мм указанной выше плотности составляет 1200…2000 циклов перегиба на угол 100o. 

Структура войлочного слоя из материала “Грифтекс” изотропна в плоскости, параллельной его поверхности, но имеет преимущественное направление волокон в поперечном сечении, что является следствием способа его формирования – особенностями укладки отдельных волокон на поверхность. Кроме этого, имеются вариации структуры по толщине слоя. Открытая пористость материала с плотностью 300…400 кг/м3 составляет от 85 до 91 %, при этом количество тупиковых и внутренних замкнутых пор незначительно. Поры в материале существенно дифференцированы по размерам. Средний динамический размер пор составляет 20-30 мкм с широким распределением пор по размерам. Диаметр максимальной поры больше среднего в 1.5…2 раза. При этом поры со стороны поверхности, которая образовалась при нанесении материала на подложку существенно меньше, чем с обратной. Размер пор и степень пористости может быть снижен дополнительной обработкой.

Технология позволяет формировать пористый слой толщиной 1 мм и выше как на технологических подложках, с которых он впоследствии снимается, так и непосредственно на изделиях, в том числе сложной формы поверхности.

Для обеспечение большей жесткости материал “Грифтекс” может наноситься на жесткие подложки. В настоящее время наибольшее применение нашли комбинированные варианты, включающие пористые подложки, – спеченную керамику, волокнисто-пористые материалы из термопластов, сформированные методом пневмоэкструзии. Метод дает возможность формировать и сложные композиты, включающие ткани, сетки, нити и волокна из других материалов. Армирование позволяет решить проблему низкой прочности на разрыв материала “Грифтекс”

Сцепление материала “Грифтекс” с подложкой зависит от материала и структуры поверхности подложки, а также от технологических режимов, и достигает 0,02 МПа, что сравнимо с прочностью на разрыв самого материала. В отдельных случаях при отделении слоя от подложки происходит когезионный отрыв. Сцепления выше к нагретым поверхностям или поверхностям с низкой теплопроводностью. 

Высокая пористость материала “Грифтекс” обусловливает низкие значения тангенса угла диэлектрических потерь (порядка 10-5) и диэлектрической проницаемости (1,05…1,4 в зависимости от пористости) Электрическая прочность материала также зависит от пористости и превышает таковое для воздуха более чем на 20….50%. Принципиальным отличием материала “Грифтекс” от аналогичных пористых систем на основе полистирола или полиолефинов является высокая гидрофобность поверхности и, соответственно, практически полное отсутствие влагопоглощения. Другой его особенностью является также значительно более широкий температурный диапазон эксплуатации (от –100 до +250oС). 

Материал “Грифтекс” в целом не является электрически активным, хотя не исключено, что отдельные его волокна несут заряды разных знаков. При отрыве слоя войлока от подложки он электризуется, причем возникающий заряд достаточно устойчив благодаря высоким диэлектрическим свойствам ПТФЭ и наличию на поверхности волокон электронных ловушек в виде образованных под воздействием лазерного излучения свободных макрорадикалов. Разработаны методы, позволяющие получать войлок “Грифтекс” в электретном состоянии. Коэффициент проницаемости материала “Грифтекс” по газу составляет (0,5…5) X 10-12 м2. Материал способен улавливать пылевые частицы размером во много раз меньше диаметра пор. Так, фильтр из материала со средним динамическим размером пор 20…30 мкм улавливал 100% частиц размером 1 мкм и 99,95% частиц 0,5 мкм. Аналогичный результат получен при фильтровании трансформаторного масла, содержащего твердые сажеподобные частицы, однако при фильтровании тонких водных суспензий способность задерживать мельчайшие частицы отсутствует. Таким образом, при фильтровании качественных диэлектриков реализуется режим работы электрофильтра. Пропускная способность волокнисто-пористого материала чрезвычайно сильно зависит от полярности фильтруемой жидкости. Так, угол смачивания материала “Грифтекс” дистиллированной водой, вычисленный с учетом пористости, превышает 160o, а угол смачивания трансформаторным маслом составляет всего 8o. Полярные жидкости “Грифтекс” не пропускает. Это обеспечивает высокую эффективность фильтров на его основе при очистке нефтепродуктов (дизельного топлива, трансформаторного масла) от воды. Материал “Грифтекс” не пропускает воду с напором до 700…1000 мм, что на порядок больше, чем для стандартных сеток для отделения воды от бензина.

Характерен механизм фильтрации материалом “Грифтекс” аэрозолей. Аэрозоль полярных жидкостей (вода, кислоты) практически полностью оседает в тонком слое наружной поверхности фильтра. Мельчайшие капли тумана с потоком газа проникают во внутренние слои, коагулируя в более крупные капли, которые удаляются из фильтра либо увлекаемые потоком газа, либо стекая по каналам под действием силы тяжести. При этом на противоположной поверхности образуются крупные капли. При фильтрации масляной аэрозоли до половины пор заполняются захваченным маслом, которое стекает вниз, а фильтр переходит в режим самоочистки. Сопротивление потоку при этом возрастает на порядок. Конкретные параметры режима самооочистки зависят от свойств масла, в первую очередь от его вязкости и плотности.

Благодаря рекордно низкой поверхностной энергии ПТФЭ материал “Грифтекс” обладает исключительно малой сорбционной памятью, особенно по полярным веществам. Сорбция полярных веществ из водной фазы затруднена несмачиваемостью. Однако, комбинируя несколько последовательных пропиток жидкостями с разной полярностью (спирт, вода) можно добиться введения необходимых водорастворимых соединений внутрь материала.

Особенностью фильтров на основе материала “Грифтекс” является необходимость использования несущей пористой подложки, которая должна обладать следующими свойствами:
• Достаточной механической прочностью и жесткостью;
• Более высокой, чем у материала “Грифтекс”, пропускную способностью;
• Достаточно гладкой поверхностью;
• Достаточной химической, термической, антикоррозионной стойкостью соответственно условиям фильтрования.

В результате испытаний определено, что проволочные сетки имеют неудовлетворительную жесткость и не могут служить основой фильтра. Вполне удовлетворительными являются металлические перфорированные ленты с диаметром отверстий не более 2 мм. При бoльшем размере отверстий трудно обеспечить их перекрытие при непосредственном формировании слоя. Очень хорошие характеристики достигаются при использовании жестких, химически инертных подложек из пористых металлов и металлокерамики, изготовленных по порошковой технологии. Однако они весьма дороги, имеют низкую пористость и относительно высокое сопротивление потоку, а так же малую грязеемкость. Для фильтрации большинства сред (кроме чистого кислорода и других сильных окислителей, горячих газов и жидкостей и т.п.) оптимальным является подложка из волокнисто-пористого полипропилена, полученная методом пневмоэкструзии. Технология получения этого материала, разработанная в СКБ ИММС НАНБ, позволяет производить заготовки в виде труб или листов различных размеров. Пористая структура этого материала, образованного сплавленными между собой в местах контакта волокнами, служит дополнительным фильтром, улавливающим вторичные аэрозоли, интенсивность потока которого в большинстве случаев на порядок ниже, а капли крупнее первичного, что вполне соответствует возможностям улавливания слоем полипропиленового фильтропласта.

Из-за невысокой механической прочности и сцепления с подложкой материал “Грифтекс” в двухслойным фильтре должен работать только на сжатие. Это предопределяет только одно направление потока – со стороны слоя фторопласта. 

Исходя из характеристик пористого слоя из материала “Грифтекс” его целесообразно использовать в качестве фильтра тонкой очистки, обеспечивающего задержание частиц размером в единицы и десятки микрометров. Это предполагает использование во многих случаях фильтров грубой очистки. Для многих целей, например для очистки газов от водо-маслянных аэрозолей, очень удобным оказалось использование в одной конструкции с “Грифтексом” слоя полипропиленового предфильтропласта, служащего одновременно и фильтром грубой очистки, и слоем, обеспечивающим механическую защиту первого материала. Схема работы такого фильтра изображена на рисунке.

Разработаны также трехслойные фильтры, состоящие из наружных слоев полипропиленового фильтропласта, между которыми находится слой “Грифтекс”. Фильтры такой конструкции могут работать при любом направлении потока газа или жидкости. 

Разработана и выпускается гамма фильтров “Гриф” для очистки сжатого воздуха производительностью от 0,3 до 3 м3/мин. 

По сравнению с фильтрэлементами из порошковых или вспененных металлов, фильтры “Гриф” имеют значительно большую эффективность улавливания водо-маслянных аэрозолей и на несколько порядков большую грязеемкость. Они успешно эксплуатируются на многих предприятиях Беларуси и России, демонстрируя особенно высокую эффективность на финишных стадиях очистки сжатого воздуха для процессов покраски, в барботажных устройствах гальванических ванн, пневмоприводах, пищевой промышленности. Так, применение фильтра “Гриф” на одной из частных авторемонтных мастерских г. Бреста позволила в течение 10 месяцев покрасить более полутора сотен автомобилей без единого случая брака, хотя раньше из-за наличия капель влаги в воздухе перекрашивался каждый третий автомобиль. На Гомельском заводе “Модуль” использование в течение года фильтра “Гриф” полностью исключило попадание следов масла в ванны химического золочения. 

Высокая химическая стойкость и гидрофобность материала “Грифтекс” позволили использовать его для улавливания кислотных выбросов. Специально разработаны и изготовлены установки для промывки бриллиантов, алмазов, разделения продуктов синтеза искусственных алмазов “Гриф-бриллиант” и “Гриф-бриллиант-7”, “Гриф-алмаз-6”, “Гриф-голд-4”. Они обеспечивают более чем 20-ти кратное снижение выбросов кислот в атмосферу, повышают производительность и улучшают условия труда, уменьшают затраты на эксплуатацию и ремонт вспомогательного оборудования. Установки эксплуатируются на Гомельском и Смоленском ПО “Кристалл”.

Начаты экспериментальные исследования возможности применения материала “Грифтекс” в хирургии в качестве энтеропротеза для пластики дефектов мягких тканей. Предварительно установлено, что материал безупречно стерилизуется в автоклавах и установках с газообразной окисью этилена. Материал также не вызывает побочных явлений при введении его в различные органы крыс. Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать выводы, что материал “Грифтекс” является инертным и биологически совместимым с тканями организма. Установлено, что в ранние сроки (1-7 суток) происходит первоначальное пропитывание пор форменными элементами крови и тканевой жидкости. Далее развивается грануляционный процесс. Грануляционная ткань, начиная с 7 суток, прорастает в поры трансплантата и, созревая, превращается в соединительную ткань. Скорость прорастания соединительной тканью зависит от пористости материала и максимальна для высокопористой системы типа ваты.

Есть основания полагать, что материал “Грифтекс” может быть использован в качестве трансплантата для замещения дефектов мышечной ткани, которые могут возникнуть при глубоких ожогах и отморожениях, абсцессах мягких тканей, а также после различных оперативных вмешательств.

Материал “Грифтекс” может применяться в качестве одного из компонентов композиционных материалов на основе полимеров. Это позволяет формировать композит с равномерным распределением волокон ПТФЭ по объему. Так, введение 5-8% волокон ПТФЭ в угленаполненный полиамид УПА-/30 позволило на порядок повысить износостойкость, увеличить гидрофобность, практически исключить схватывание деталей в ходе работы. Этот результат достигнут благодаря свойствам введенного ПТФЭ, способствующего избирательному формированию слоев переноса с повышенным содержанием ПТФЭ.

Таким образом, проведенная работа по использованию волокнисто-пористого ПТФЭ в различных отраслях техники и медицины свидетельствует о том, что разработан действительно уникальный материал, имеющий широкие перспективы применения.