Tribotechnické listy

 

 

Použití fluoropolymerových povlaků ve strojírenství

Povlaky na strojních součástech mohou podstatně zlepšit či změnit jejich vlastnosti jako celku. Jedním druhem z těchto povlaků jsou povlaky fluoropolymerové, jejichž hlavním představitelem je PTFE (polytetrafluoretylen) pod obchodními názvy jako Teflon, Fluon, Hostaflon, Algoflon aj.


Vlastnosti a použití fluoropolymerových povlaků
PTFE [-CF2-CF2-]n se vyznačuje vysokou molekulovou hmotností, obsahuje pouze atomy uhlíku a fluoru s vysokou pevností vazby, což určuje jeho charakteristické vlastnosti. Jedná se o chemicky vysoce odolný polymer s vysokým stupněm krystalinity. Lze jej použít v teplotním rozsahu (-200 až +260) °C. Má však některé nepříznivé mechanické vlastnosti, což značně omezuje jeho uplatnění v čistém stavu. Zlepšení jeho vlastností se dosahuje kombinací s práškovými plnidly (prášky kovů, grafit, MoS2 aj.) Má značný sklon ke studenému toku při zatížení. Je silně antiadhezivní, má nízký koeficient tření, nevyskytuje se u něj žádný „stick-slip" jev.
Vzhledem k jeho velké tepelné a chemické odolnosti se obtížně zpracovává, nelze užít technologie běžné u termoplastů, ale používají se metody připomínající práškovou metalurgii nebo zpracování keramiky (slisování za studena a následné slinování za zvýšené teploty). Slinovaný a vychlazený polytetrafluorethylen je mléčně bílá neprůhledná termoplastická látka. Je naprosto nepolární, s vynikajícími elektroizolačními vlastnostmi až do velmi vysokých kmitočtů a vysokých teplot.
Další fluoropolymery jsou např. FEP, PFA, MFA, ETFE, ECTFE a PVDF. Nemají tak výborné vlastnosti jako PTFE, jsou však lépe zpracovatelné. Jejich přesné označení včetně obchodních názvů je uvedeno v následujícím přehledu:


Porovnání fyzikálně - mechanických vlastností fluoropolymerů je uvedeno v tab. 1. Porovnání modulů pružnosti je uvedeno ve sloupcovém diagramu na obr. 1, teploty použití fluoropolymerů a jejich porovnání jsou uvedeny na obr. 2.


Použití povlaků z PTFE a dalších fluoropolymerů vyplývá z jejich výše uvedených výjimečných vlastností. Tyto povlaky po nanesení na podklad se zpracovávají - vytvrzují v pecích v rozsahu teplot (150 - 400 °C) podle jejich druhu. Použití povlaků je tedy omezeno i teplotními vlastnostmi materiálů podkladů, jako jsou např. nízkotavitelné kovy, pryž.
Hlavními výrobci a dodavateli materiálů (disperzí a prášků) pro nanášení fluoropolymerových povlaků jsou společnosti DuPont, Whitford, Solvay Solexis.

Fluoropolymerový povlak typicky v disperzní formě se skládá v zásadě ze čtyř základních složek:
1)    Pojivo je tvořeno syntetickou pryskyřicí, například polyuretanovou, která snáší požadované provozní podmínky a má potřebné chemické a mechanické vlastnosti. Pryskyřice vytváří skelet filmu a poskytuje potřebnou adhezi k podkladu.
2)    Jako lubrikant se používají nejčastěji částečky fluoropolymerů v různé formě. Nejvýznamnější takový polymer je PTFE, který má nejnižší známý koeficient tření a extrémně nízké povrchové napětí. Mohou se ale použít i jiné typy lubrikantů, například MoS2, zejména tam, kde je film vystaven vysokým tlakům.
3)    Aditiva a pomocné látky jsou prostředky, které například zlepšují vzájemnou kompatibilitu složek disperze, snižují pěnivost, mohou to být pigmenty, smáčedla a stabilizátory, nebo katalyzátory pro vytvrzování.
4)    Nosným mediem jsou rozpouštědla a voda v případě vodných disperzí. Nosné medium umožňuje nanášení povlaku a zpracovatelnost běžnými technikami.

Fluoropolymerové povlaky patří k nejnáročnějším povrchovým úpravám a jejich hlavní aplikační oblasti lze zhruba rozdělit na čtyři hlavní části:
1)    Povlak vytváří suchý kluzný film pevně zakotvený na povrchu součásti. Ukázkovou aplikací je povrchová úprava klecí dvouřadých soudečkových ložisek ZKL povlakem Whitford, která byla oceněna zlatou medailí na MSV  Brno 2002. Film o tloušťce okolo 10 μm funguje i v prostředí válců spalovacích motorů. Kluzný povlak musí mít mechanicky odolnou matrici pryskyřice s rovnoměrně rozptýleným lubrikantem, což zaručuje neměnné vlastnosti během opotřebování povlaku.
2)    Fluoropolymerovými povlaky lze vytvořit díky extrémně nízkému povrchovému napětí výborné antiadhezní povrchy využitelné jak pro přípravu potravin tak všude tam, kde je nutné pracovat s lepivými hmotami a zajistit třeba snadné čištění. Typickou aplikací je kromě zmiňovaných pánviček povrchová úprava forem na tváření plastů nebo pryže a přípravků v lakovnách, kdy nánosy barvy lze snadno odstranit bez velkého úsilí nebo dokonce poškození přípravku. Antiadhezní povlaky jsou dnes zpravidla dvou, tří i vícevrstvé a na rozdíl od kluzných aplikací je nutné docílit gradientu lubrikantu tak, aby na povrchu byla maximální koncentrace fluoropolymeru. Pro dosažení maximálního efektu je nutné zejména tyto laky vypálit při teplotách přes 400 °C.
3)    Další aplikační oblast je korozní ochrana za obtížných provozních podmínek. V těchto formulacích se využívá vysoké chemické a termické odolnosti komponent povlaku a s výhodou se kombinuje odolnost s například kluznými vlastnostmi. Typická aplikace jsou povlaky na šroubové spoje, které jsou opakovatelně rozebiratelné po dlouhé době v korozním prostředí. Lubrikace suchým filmem navíc eliminuje nutnost použít jiná mazadla, jako jsou oleje a vazelíny, nebo grafit. Proto lze takové úpravy doporučit i pro potravinářský průmysl.
4.)    Chemická odolnost fluoropolymerů, zejména tzv. PFA a FEP se využívá pro povrchové úpravy kovových dílů určených do agresivního prostředí. Mohou to být například topná tělesa pro galvanizační lázně. Povlaky řady Dykor mohou být nanášeny v tloušťkách 400 až 700 μm, odolávají teplotám do 260 °C a většině známých chemikálií kromě tavenin alkálií nebo silných roztoků alkálií.

 


Oblast využití fluoropolymerových povlaků je nesmírně široká a stále se nacházejí nové aplikace od snadno čistitelných brýlových obrub až po díly motorů pro Formuli 1.
Ve strojírenských oborech našly povlaky z PTFE široké uplatnění. Jedná se zejména o automobilový a letecký průmysl, přístrojovou techniku, dále o potravinářské stroje a zařízení, obalovou techniku, polygrafické stroje, zařízení lakoven, stroje pro zpracování plastů a pryže a další zařízení chemického průmyslu, textilní stroje, ale i důlní stroje aj.
Jako příklad je uvedeno na obr. 3 použití povlaku z PTFE na ploše vnitřního kroužku kloubového ložiska v uložení převodovky na rotační peci.
Dalším příkladem je na obr. 4 použití fluoropolymerového kompozitního povlaku s nanočásticemi na funkčních plochách kroužků kloubových ložisek - a) radiálních, b) axiálních, označených červenou tlustou čarou. Toto řešení umožňuje jejich bezúdržbový provoz. Více příkladů bude uvedeno v přednášce na letošním mezinárodním semináři „Progresivní a netradiční technologie povrchových úprav".

 


Závěr
Příspěvek byl zpracován na základě dlouhodobých zkušeností autora a firemní literatury společností Whitford Plastics Ltd.  a Ferona Thyssen Plastics, s. r. o. s cílem seznámit odbornou veřejnost s použitím fluoropolymerových povlaků ve strojírenství a v příbuzných oborech.

 


Ing. Vratislav Hlaváček, CSc.

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
5 + 5 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd