Плотность фторопласта Ф-4: 2,15–2,2 г/см³ и расчёт массы заготовки

Плотность фторопласта стоит в каждом справочнике, но число 2,2 само по себе мало что говорит без условий. Его меряют при 23 °C на спечённом образце, у разных марок порошка оно ограничено по-разному, а при нагреве детали плотность снижается на несколько процентов. Для массы этих тонкостей хватает с запасом, для приёмки заготовки они важны.

ГОСТ 10007-80 задаёт для плотности верхнюю границу

Сырьё для стержней, листов и втулок, порошок фторопласта-4, описывает ГОСТ 10007-80 (текст стандарта); ограничение срока снято протоколом МГС № 5-94. В его таблице 2 плотность выпеченного контрольного диска стоит рядом с прочностью, и по двум колонкам видно, что они идут в разные стороны: самый лёгкий предел у марок для плёнки и специзделий, самый тяжёлый у марки Т для толстостенных труб.

Почему границу ставят сверху, объясняет устройство полимера. Фторопласт частично кристалличен, кристаллические области плотнее аморфных. Чем выше плотность выпеченного образца, тем больше кристалличность и тем ниже удлинение и прочность: у марки Т при 2,21 г/см³ разрывная прочность 15 МПа и удлинение 280 %, у марки С при 2,18 г/см³ 27 МПа и 350 %. Марки и выбор между ними для уплотнений описаны отдельно в материале про фторопласт-4 по ГОСТ 10007.

Плотность меряют на выпеченном диске при 23 °C

Пункт 4.7 стандарта описывает метод: из порошка по пункту 4.2.4 прессуют и выпекают два диска, срезают у них край ножом, чтобы убрать недопрессованную кромку, и взвешивают на капроновой нити в воздухе и в дистиллированной воде при 23,0 ± 0,5 °C. Воду предварительно кипятят, чтобы удалить растворённый воздух, и добавляют 2–3 капли смачивающего вещества ОП-7. Результат берут средним из двух дисков, расхождение не больше 0,005 г/см³.

Тот же принцип в ASTM D4894: «стандартная удельная масса» PTFE определяется на отформованном и спечённом образце по заданному режиму (ASTM D4894). Плотность здесь говорит о том, как полимер кристаллизуется после спекания, а значит, о его молекулярной массе и будущих свойствах. Готовый стержень с другим режимом спекания и охлаждения будет иметь свою плотность, поэтому паспорт заготовки и норма на порошок дают разные числа.

Изготовители полуфабрикатов указывают для чистого PTFE около 2,15 г/см³ (паспорт PTFE). Это и есть ориентир для марок общего назначения; плотность конкретной заготовки фиксирует её паспорт.

Какая плотность у фторопласта Ф-4?

Плотность фторопласта Ф-4 у готовых стержней, листов и втулок без наполнителя равна 2,15–2,20 г/см³ при 23 °C, то есть кубический дециметр весит 2,15–2,2 кг. Это меньше предельных значений ГОСТ 10007-80 для порошка (2,18 г/см³ у марок С и П, 2,19 у ПН, 2,20 у О, 2,21 у Т), потому что заготовку спекают и охлаждают по своему режиму. В расчёт массы берут 2,2, в приёмку число из паспорта.

При нагреве плотность падает на 3–8 %

Плотность в паспорте всегда записана при 23 °C, и это не формальность. Объём фторопласта при нагреве растёт в разы быстрее, чем у стали, а около +20 °C у PTFE есть переход кристаллической решётки, где расширение скачком ускоряется. Если пересчитать по интервалам коэффициента из приложения 1 ГОСТ 10007-80, получается такая картина.

Масса горячей детали та же, что холодной, вырастает её объём. Вкладыш, посаженный по месту при 20 °C, при 200 °C занимает почти на 8 % больше объёма, и это главная причина, по которой плотность сравнивают строго при одной температуре. Зазоры под рост размеров считают по коэффициенту линейного расширения фторопласта.

Зависит ли плотность фторопласта от температуры?

Плотность фторопласта зависит от температуры заметнее, чем у металлов: при нагреве от 20 до 100 °C она снижается примерно на 3 %, до 200 °C примерно на 7–8 %. Причина в большом коэффициенте расширения PTFE, (11–25)·10⁻⁵ на градус по ГОСТ 10007-80, и в переходе около +20 °C. Поэтому плотность в паспорте всегда указывают при 23 °C и сравнивают значения только при одной температуре.

Низкая плотность заготовки выдаёт поры

Если плотность обрезка спечённого Ф-4 ниже паспортной на 0,02–0,03 г/см³ и больше, например 2,13 при паспорте 2,16, вероятны поры или недопечённая середина толстого стержня. Порог 2,14 г/см³ на схеме условный: это нижняя граница паспортов чистого Ф-4 с небольшим запасом. Для прокладки и седла крана поры опасны: через них может просачиваться среда, а под нагрузкой пористый материал садится сильнее. Высокая плотность, 2,3 г/см³ и больше, у чистого Ф-4 не встречается и указывает на наполнитель. Бронза поднимает плотность композиции примерно до 3,1 г/см³, как видно на примере бронзофторопласта Ф4Бр40.

Проверяют это без лаборатории за 15 минут на обрезке заготовки. Важно взять кусок из середины сечения толстого стержня, а не с торца: именно середина хуже всего пропекается.

Шаги на схеме те же, что в пункте 4.7 стандарта, но в упрощённом виде. Вырезать кусок 20–40 г из середины сечения и срезать наружный слой. Взвесить в воздухе. Подвесить на тонкой нити в прокипячённой и остывшей воде с каплей моющего средства, взвесить погружённым. Разделить массу в воздухе на разность масс. Сравнить с паспортом: 2,15–2,20 в норме, ниже 2,14 вопрос поставщику, выше 2,25 проверка на наполнитель. Результат кухонного взвешивания ориентировочный, для приёмки по договору нужен протокол лаборатории.

Массу заготовки считают по плотности 2,2 и припуску

Пример: седло шарового крана 120 / 80 × 20 мм. Деталь занимает 125,7 см³ и при 2,2 г/см³ весит около 277 г. С припуском 2,5 мм по каждому диаметру и 1 мм по торцам её точат из заготовки 125 × 75 × 22 мм, и масса материала зависит от того, какой формы эта заготовка.

Разница между стержнем и трубной заготовкой больше 200 г на одно седло. На партии из 20 сёдел это 4 кг фторопласта, которые уходят в стружку. Трубная заготовка нужного размера бывает не всегда, тогда сравнивают стоимость материала с ценой времени токаря. Общие формулы массы листа, стержня и прокладки собраны в расчёте веса паронита и фторопласта; здесь важен выбор формы заготовки.

Заявку на фторопласт оценивают по светофору

Зелёный: в чертеже марка фторопласта и документ на заготовку, деталь обычная, например седло или кольцо для воды или масла. Плотность подтверждает паспорт, масса заготовки идёт в КП как основа цены материала.

Жёлтый: на руках только изношенное седло без маркировки. Обрезок весит 2,16 г/см³, значит, это скорее чистый Ф-4: у коксонаполненного Ф4К20 в справочных таблицах около 2,1 г/см³, но разница невелика, и марку подтверждают по цвету и твёрдости. Марку изготовитель пишет в КП как своё предложение, отдельно от данных заказчика.

Красный: седло стоит в арматуре газовой линии, где пористость фторопласта влияет на герметичность и безопасность. Взвешивание обрезка здесь лишь первая проверка, а материал с документами и параметры детали определяет отдельная техническая оценка; если подтвердить характеристики нельзя, от заказа отказываются.

Что указать в заказе детали из фторопласта

Перед расчётом изготовителю нужны чертёж или старая деталь, марка или среда с температурой, число деталей и ответ на вопрос, должна ли плотность заготовки войти в паспорт поставки. Наша компания изготавливает детали из фторопласта механической обработкой из стержней, втулок и листов, а чем отличаются марки и наполненные композиции, видно на странице фторопласта PTFE. Если трубной заготовки нужного размера нет, в КП показывают оба варианта, из стержня и из трубы, с массой материала по каждому.