ГИДРОФОБНОСТЬ ОБЛУЧЕННОГО ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Хатипов С.А., д.ф.-.м.н., проф.,
Научно-технического центра материаловедения, Федеральное государственное
унитарное предприятие «Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский
физико-химический институт имени Л. Я. Карпова», Москва
Обвинцев А.Ю., НИФХИ,  Москва


ГИДРОФОБНОСТЬ ОБЛУЧЕННОГО ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Принципиальной особенностью разработанных радиационной модификацией политетрафторэтилена и композитов на его основе является изменение надмолекулярной организации полимерных цепей на уровне фибрилл, фибриллярных ламелей и сферолитов. Направленные изменения супрамолекулярной структуры ПТФЭ и его композитов путем термической и/или радиационной обработки сопровождаются значительным улучшением вязко-упругих и трибологических свойств. Технология терморадиационного модифицирования позволила значительно (по некоторым показателям на несколько порядков) увеличить интенсивность изнашивания при сухом трении, трещиностойкость, предел текучести, модуль упругости, радиационную стойкость. Получена линейка материалов, не имеющая мировых аналогов и существенно расширяющая области применения ПТФЭ [1-3]. Достоинства и области применения исходного ПТФЭ (фторопласта-4) приведены в таблице
Таблица 1 – Достоинства и области применения исходного ПТФЭ
Свойство Применение
1. Химическая инертность по отношению к любым агрессивным средам Химическая промышленность.
Трубопроводы. Прокладочно-уплотнительные детали Футеровка реакторов, насосов, трубопроводов, емкостей для хранения и транспортирования кислот и др. химически активных сред.
2. Высокая термостойкость (460 °С), широкий интервал рабочих температур: -269 - 260 °С Машиностроение. Криогенная техника.
Работа в условиях агрессивных сред, глубокого вакуума и криогенных температур.
3. Самые высокие диэлектрические характеристики
( = 1019 Ом м, tg  = 10-4 ,  =2.1) Электро- и радиотехническая промышленность. Электронное приборостроение.
Изоляция проводов, кабелей, разьемое. изготовление печатных плат, пазовой изоляции электрических машин, в технике СВЧ).
4. Высокие антифрикционные и анти адгезионные свойства
(самый низкий среди полимеров коэффициент трения по стали - 0.04-0.06) Нефтянная и газовая промышленность. Машиностроение. Автомобильная промышленность.
Насосы и компрессоры. Узлы трения - подшипники, опоры скольжения, поршневые кольца, манжеты
5. Физиологическая и биологическая безвредность Медицинская и фармацевтическая промышленность. Пищевая промышленность и бытовая техника.

Радиационно-химический способ модифицирования фторопласта-4 позволяет без использования наполнителей получить материал, обладающий по сравнению с исходным материалом:
→ до 104 раз более высокой износостойкостью;
→ до 100 раз более низкой ползучестью при растяжении;
→ до 10 раз более низким коэффициентом необратимой деформации при сжатии;
→до 300 раз более высокой радиационной стойкостью
→ при сохранении химической и биологической инертности, термостойкости, диэлектрических, антифрикционных и антиадгезионных характеристик.
В настоящее время гидрофобные материалы с большим контактным углом по воде (WCA более 150°) широко используются в повседневной жизни, а также во многих промышленных процессах. Приведем лишь несколько примеров применения материалов, гидрофобность и супергидрофобность которых достигается подбором химического состава поверхности и специальной текстуры. Различные явления, такие как прилипание снега, загрязнения, окисления и возникновение токов проводимости не происходят на такой поверхности. Еще одно применение специальных структурированных покрытий - создание на микроситах эффективного устройства для разделения водной и масляной фаз. Принцип действия таких сит основан на использовании существенно различающихся краевых углов, образуемых водой и маслом на поверхности сита. Так, для воды угол натекания >156°, а угол скатывания ~4°. В то же время по отношению к маслу поверхность становится олеофильной. Водно-масляная эмульсия в таком сите быстро разделяется и капли масла, протекая через отверстия сита, собираются в нижнем резервуаре.
Политетрафторэтилен широко используется во многих областях промышленности, как материал с низкой поверхностной энергией. При практическом использовании различных конструкций необходимо улучшение контактных свойств поверхности, придание поверхности адгезионных свойств, что является задачей большой практической важности. Например, для склеивания с другими материалами, маркировки, нанесения рисунка и т.д. Качество поверхности для фторполимера особенно важно при их применении в различных областях современной медицины. Основным требованием к медицинским изделиям является их соответствие необходимым биологическим свойствам. В зависимости от конкретного применения в частности, в сердечно-сосудистой хирургии, офтальмологии, эндоскопии, ортопедии требования к биосовместимости могут быть самые различные, иногда противоречащие друг другу. Так, для надежного функционирования искусственных сосудов, дренажей, биосенсоров, искусственных хрусталиков глаза, эндоскопов или катетеров необходимо минимизировать взаимодействие полимера с биологической средой. Напротив, в случае ортопедического и стоматологического применения требуется активное взаимодействие и срастание имплантата с тканью (прорастание окружающей ткани в объем изделия). Смачиваемость или степень гидрофильности поверхности фторполимера для биосовместимости имеет большое значение, поскольку большинство биологических сред является водными растворами или содержат воду.
Применение ПТФЭ затруднено во многих случаях из-за плохой смачиваемости и адгезии по сравнению с другими материалами. Для расширения его применения в промышленной сфере, была изучена модификация поверхности PTFE несколькими способами, такими как: ионно-плазменная обработка, химическое или плазмохимическое осаждение гидрофобизаторов из паровой фазы, а также нанесение различных гидрофобных пленок из растворов, в том числе полимерных, ''мокрая'' химическая обработка, обработка в коронном разряде или в тлеющем ВЧ разряде, в низкотемпературной плазме газового разряда, облучение пучком частиц, поверхностная прививочная полимеризация акриловой кислоты с помощью аргоновой плазмы и др.
Для проведения модификации в качестве активных агентов могут быть использованы потоки электронов, ионов или нейтральных молекул, радикалы или возбужденные частицы, а также различные излучения, стимулирующие протекание химических реакций в поверхностных слоях материалов.
Большинство гидрофобных плоских материалов, на основе фторопластов, имеют контактный угол с водой около 120°, определяемый гексагональным выравниванием CF3-групп на поверхности. Дальнейшее увеличение контактных углов может быть достигнуто только путем модификации рельефа поверхности. Контактный угол между каплей воды и поверхностью коммерчески доступных PTFE обычно не превышают 104-108°. -Облучение образцов пленок проводили от 60Co-источника при температуре 330°С и дозе 0.2 МГр. Смачиваемость пленок ПТФЭ была оценена путем измерения краевого угла методом покоящейся капли как ниже температуры фазового перехода ПТФЭ 19ºC - при 15ºC, так и выше данной температуры. Все данные были получены с образцов, обработанных в течение 60 сек. Увеличение дозы облучения не приводило к заметному изменению смачиваемости. Доза облучения 200 кГр вызывает в случае ПТФЭ снижение краевого угла по отношению к воде примерно на 10 градусов. При дальнейшем облучении краевой угол при повышении дозы снова вырастал. γ-Облученные суспензионный и эмульсионный полимеризаты в исследованном диапазоне доз не проявляют значительной разницы в смачиваемости водой. При увеличении дозы и при низких мощностях дозы γ-облучение ПТФЭ приводит по всей видимости к трифторметильному разветвлению. Высокие мощности доз в основном вызывают карбоксилирование в ПТФЭ, карбоксильные кислотные группы связаны на поверхности и изолированы внутри полимера и смачиваемость облученного ПТФЭ зависит от степени карбоксилирования и числа трифторметильных разветвлений.

Список использованніх источников: 1. Khatipov S., Nurmukhametov R., Sakhno Yu., Klimenko V., Seliverstov D., Sakhno T. Fluorescent analysis of polytetrafluoroethylene treated by γ-irradiation near the melting point // Radiation Physics and Chemistry. – 2011. – V.80(3). – P.522-528. 2.Khatipov S.A., Nurmukhametov R.N., Sakhno Yu.E., Klimenko V.G., Seliverstov D.I., Sychkova S.T., Sakhno T.V. Color and fluorescence of polytetrafluoroethylene treated by c-irradiation near the melting point // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2011. – V.269(21). – P.2600-2604. 3.Sakhno T.V., Sadovskaya N.V., Obvintsev A.Yu., Sakhno Yu.E., Sychkova S.T., Khatipov S.A. Morphology and wettability properties of polytetrafluoroethylene treated by γ-irradiation near the melting point // 9-th International Conference on Electronic Processes in Organic Materials (ICEPOM-9) May 20th - 24th 2013, Lviv, Ukraine, p.41-42.