PTFE tesnenia a ich vlastnosti, typy a priemyselné využitie teflónových tesnení

Polytetrafluóretylén, skratkou PTFE a obchodným názvom Teflon, patrí medzi materiály, ktoré v tesniacej technike nemajú skutočnú konkurenciu. Tam, kde iné elastoméry a plasty podliehajú agresívnym chemikáliám, extrémnym teplotám alebo opakovanému mechanickému namáhaniu, PTFE bez problémov pretrváva. Práve preto sa v priemysle hovorí o PTFE ako o „kráľovi plastov“. Nie je to marketingový prívlastok, ale dôsledok mimoriadnych fyzikálnych a chemických vlastností, ktoré tento fluoropolymér získava zo silných kovalentných väzieb medzi atómami uhlíka a fluóru.

PTFE tesnenia sú dnes bežnou súčasťou priemyselných sústav v chemickom, farmaceutickom, potravinárskom, petrochemickom aj elektrotechnickom sektore. Zaslúžia si hlbší pohľad, pretože správna voľba typu a variantu PTFE môže rozhodnúť o životnosti celého zariadenia.

Ak hľadáte spoľahlivého partnera pre komplexné riešenia v oblasti tesniace technológie, tesnenia od AFINIS Group® pokrývajú celú škálu materiálových prevedení vrátane PTFE čistého, PTFE MoS₂, PTFE bronz, PTFE uhlík aj PTFE grafit, a to od prototypu až po sériovú výrobu.

Čo je PTFE a ako vznikol

PTFE je syntetický fluoropolymér tetrafluóretylénu. Objavil ho v roku 1938 americký chemik Roy Plunkett v laboratóriách spoločnosti DuPont, keď náhodou spozoroval polymerizáciu tetrafluóretylénu pri nízkych teplotách. Obchodný názov Teflon registroval DuPont v roku 1945. Dnes je výroba PTFE pod značkou Chemours (spin-off z DuPont) a materiál je celosvetovo dostupný pod viacerými obchodnými názvami: Fluon, Algoflon, Hostaflon, Inoflon.

Chemický vzorec PTFE je (CF₂-CF₂)ₙ. Molekulová štruktúra, v ktorej atómy fluóru obklopujú uhlíkový reťazec, vytvára mimoriadne stabilnú konfiguráciu. Práve táto štruktúra stojí za všetkými kľúčovými vlastnosťami materiálu.

Fyzikálne a chemické vlastnosti PTFE

Vlastnosti PTFE sú v priemyselnej praxi dôvodom, prečo sa tento materiál používa tam, kde iné plasty zlyhávajú.

Teplotná odolnosť je jednou z najdôležitejších charakteristík. PTFE si zachováva mechanické vlastnosti v rozsahu od −200 °C do +260 °C pri dlhodobej prevádzke. Krátkodobo znáša teploty až do +300 °C. Bod topenia PTFE je 327 °C, no pri tejto teplote materiál prechádza do viskóznej gélovej fázy, nie do tekutého stavu, čo komplikuje spracovanie bežnými technológiami.

Chemická odolnosť PTFE je prakticky absolútna. Materiál odolá kyselinám, lúhom, organickým rozpúšťadlám, ropným produktom a halogénom. pH odolnosť pokrýva celý rozsah 0 až 14. Jedinou výnimkou sú roztavené alkalické kovy (napríklad sodík) a elementárny fluór pri vysokých teplotách.

Koeficient trenia PTFE patrí medzi najnižšie spomedzi všetkých pevných materiálov. Statický koeficient trenia dosahuje hodnoty 0,05 až 0,10, čo PTFE predurčuje nielen na tesniace, ale aj klzné aplikácie.

Hydrofóbnosť znamená, že voda ani vodné roztoky PTFE nesmáčajú. Povrchová energia PTFE je jednou z najnižších zo všetkých bežných polymérov.

Elektrická izolácia: PTFE je vynikajúci elektrický izolant s dielektrickou konštantou 2,1, ktorá zostáva stabilná v širokom teplotnom a frekvenčnom rozsahu.
Hustota neexpandovaného PTFE sa pohybuje od 2 100 do 2 300 kg/m³. Expandovaný PTFE (ePTFE) má hustotu výrazne nižšiu, podľa stupňa expanzie.

Typy PTFE tesnení a ich prevedenia

Nie každé PTFE tesnenie je rovnaké. V závislosti od podmienok aplikácie sa používajú rôzne varianty tohto materiálu, pričom každý má špecifické mechanické vlastnosti a výhody.

Čistý PTFE (virgín PTFE)

Čistý PTFE bez plnív si zachováva maximálnu chemickú odolnosť a biokompatibilitu. Je ideálny pre potravinársky, farmaceutický a medicínsky priemysel. Nevýhodou je tendencia k tečeniu (creep) pod tlakom a pri vyšších teplotách. Preto sa čistý PTFE používa predovšetkým pri nižších prevádzkových tlakoch alebo v kombinácii s podpernou konštrukciou.

PTFE s prímesou MoS₂ (molybdéndisulfid)

Pridanie MoS₂ do PTFE výrazne zlepšuje klzné vlastnosti a odolnosť voči opotrebeniu. PTFE MoS₂ sa používa v aplikáciách s dynamickým zaťažením, kde dochádza k vzájomnému pohybu tesniacich plôch. Typické využitie je pri rotačných tesneniach, vodiacich krúžkoch a piestnicových tesneniach v hydraulických systémoch.

PTFE bronz (plnený bronzovým práškom)

Bronz ako plnivo zvyšuje tepelnú vodivosť a tvrdosť PTFE. Znižuje tečenie materiálu pod tlakom a zlepšuje rozmernú stabilitu. PTFE bronz sa typicky používa v hydraulických tesneniach, tesniciach piestov a vodiacich klzátkach, kde sa vyžaduje vyšší prítlak a presná geometria tesnenia.

PTFE uhlík (plnený uhlíkovými vláknami alebo sadzami)

Uhlíkové plnivo zvyšuje mechanickú pevnosť a odolnosť voči treniu. PTFE uhlík je vhodný pre aplikácie s vysokým kontaktným tlakom. Okrem toho má elektricky vodivý charakter, čo je výhodné pri antistatických aplikáciách a v prostredí s nebezpečenstvom elektrostatického výboja.

PTFE grafit

Grafit ako plnivo zlepšuje klzné vlastnosti a znižuje opotrebenie v suchom prevádzkovom prostredí. PTFE grafit sa osvedčuje v aplikáciách s nedostatočným mazaním a v prostredí s rizikom korózie, kde by kovové klzné povrchy neboli vhodné.

Expandovaný PTFE (ePTFE)

Expandovaný PTFE vzniká mechanickým naťahovaním materiálu, čím sa v štruktúre vytvárajú mikroskopické póry. ePTFE je mäkký, konformný a vykazuje výnimočné tesniace vlastnosti aj na nerovných prírubových plochách. Vyrába sa vo forme pások, šnúr, listov aj tvarovaných tesnení. Upchávkové šnúry z ePTFE (GORE-TEX® a podobné) sú štandardom v chemickom a farmaceutickom priemysle.

Porovnanie typov PTFE tesnení podľa vlastností

Priemyselné aplikácie PTFE tesnení

Chemický a petrochemický priemysel

Chemický priemysel predstavuje najnáročnejšie prostredie pre tesniace materiály. Reaktory, potrubia, ventily, čerpadlá a zásobníky pracujú s kyselinami, lúhmi, rozpúšťadlami a organickými zlúčeninami v širokom tlakovom a teplotnom rozsahu. PTFE tesnenia odolávajú prakticky všetkým agresívnym médiám, ktoré by za iných okolností zničili gumové elastoméry ako NBR alebo EPDM. Prírubové tesnenia z PTFE podľa noriem EN 1514 a ASME B16.21 sú v tejto oblasti priemyselným štandardom.

Farmaceutický a biotechnologický priemysel

FDA (U.S. Food and Drug Administration) a európska norma EN 1935/2004 kladú na materiály prichádzajúce do kontaktu s liečivami a biotechnologickými produktmi prísne požiadavky biologickej inertnosti. Čistý PTFE tieto požiadavky splňuje. Okrem toho ePTFE tesnenia a PTFE upchávkové šnúry sú bežnou súčasťou bioreakturov, fermentorov, sterilizačných zariadení a plniacich liniek.

Potravinársky a nápojový priemysel

PTFE je schválený pre kontakt s potravinami podľa nariadenia EU 10/2011 a FDA 21 CFR. Vo výrobe potravín a nápojov sa PTFE tesnenia používajú v čerpadlách, ventiloch, tepelných výmenníkoch a plniacich linkách. Materiál neabsorbuje pachové ani chuťové látky a neovplyvňuje organoleptické vlastnosti potravín. Pri CIP (Clean-in-Place) a SIP (Steam-in-Place) postupoch znáša PTFE opakovanú sterilizáciu parou a agresívnymi čistiacimi roztokmi bez degradácie.

Strojársky a automobilový priemysel

Rotačné tesnenia a vodiacie krúžky z PTFE MoS₂ a PTFE bronz sa uplatňujú v hydraulických valcoch, prevodovkách, pneumatických aktuátoroch a obrábacom strojovom zariadení. AFINIS EXPRESS® ponúka expresnú výrobu rotačných PTFE tesnení podľa výkresovej dokumentácie zákazníka, od prototypov až po série, s možnosťou priemeru až do 6 000 mm. Pri neplánovanej odstávke stroja je dostupnosť tesnenia v priebehu hodín rozhodujúca pre minimalizáciu výrobných strát.

Elektrotechnický a elektronický priemysel

Vynikajúce elektrické izolačné vlastnosti PTFE ho predurčujú na výrobu tesnení, podložiek, vložiek a profilovaných dielov v elektrotechnike. Materiál je odolný voči vlhkosti, chemikáliám a má stabilné dielektrické vlastnosti v rozsahu od kryogénnych teplôt až po +260 °C.

Papierenský a textilný priemysel

V papierenskom priemysle pracujú zariadenia s agresívnymi bielidlami, kyselinami a parou. PTFE tesnenia odolávajú chlornanu sodného, peroxidu vodíka a sulfátových roztokov. ePTFE upchávkové šnúry sú v tejto oblasti preferovanou voľbou ako náhrada azbestových upchávok.

Ploché PTFE tesnenia verzus rotačné PTFE tesnenia

Priemyselná prax rozlišuje dve základné skupiny PTFE tesnení podľa funkcie a spôsobu zaťaženia.

Ploché PTFE tesnenia slúžia na tesnenie statických spojov. Najčastejšie ide o prírubové spoje v potrubných systémoch, tlakových nádobách a armatúrach. Vyrábajú sa rezaním z PTFE dosiek, pričom tvar a rozmery sa riadia výkresovou dokumentáciou podľa normy príruby (DN/PN). Plochý ePTFE tesniacej pásiky sa navinujú priamo na prírubový povrch a dosahujú tesnosť aj na korodovaných alebo mechanicky poškodených prírubách, kde by tuhé tesnenia nefungovali.

Rotačné PTFE tesnenia sú navrhnuté pre dynamické aplikácie, kde tesnená plocha

vykonáva pohyb. Typickými príkladmi sú piestnicové tesnenia, piestové tesnenia, vodiacie krúžky, stierače a kombinované tesniace sady pre hydraulické valce a pneumatické aktuátory. Pre dynamické aplikácie sa čistý PTFE neodporúča pre jeho nízku creep odolnosť. Namiesto neho sa prednostne volia varianty PTFE bronz, PTFE MoS₂ alebo PTFE uhlík.
AFINIS Group® ponúka v rámci produktovej línie AFINIS FLEX® aj kombinované výrobky z teflónu, a to ploché aj rotačné prevedenia, čím pokrýva celé spektrum aplikácií od jednoduchých prírubových tesnení až po komplexné tesniace sústavy pre výrobné stroje.

PTFE versus iné tesniace materiály

Otázka, kedy zvoliť PTFE a kedy siahnuť po inom materiáli, je v praxi častá. Ide o kombináciu technických a ekonomických faktorov.

PTFE je oproti NBR (nitrilovej gume) chemicky oveľa odolnejší. NBR zvláda ropné produkty a hydraulické kvapaliny, no pri kyselinách, lúhoch a halogenovaných rozpúšťadlách rýchlo degraduje. PTFE v takýchto médiách pracuje bez obmedzenia. Na druhej strane, NBR je pružnejší a v aplikáciách s dynamickým zaťažením a nízkymi požiadavkami na chemickú odolnosť je hospodárnejšou voľbou.

EPDM (etylén-propylénová guma) vyniká odolnosťou voči vode, pare a ozónu, no nie je vhodný pre kontakt s ropnými produktmi. PTFE prekonáva EPDM v chemickej odolnosti aj teplotnom rozsahu.

VITON (FPM, fluoroelastomér) je najbližším konkurentom PTFE v oblasti chemickej odolnosti a teplotného rozsahu. VITON je pružný, čo ho predurčuje na dynamické O-krúžky a tesnenia s nutnosťou elastickej deformácie. PTFE je tuhší, no pri extrémnych teplotách nad +200 °C a pri kontakte s koncentrovanými kyselinami PTFE prevyšuje aj VITON.
Grafitové tesnenia (napríklad na báze expandovaného grafitu so vstužovacou kovovou vložkou z nerezovej ocele SS316, niklu alebo hliníka) súperia s PTFE pri vysokoteplotných aplikáciách v petrochemickom priemysle a parnom hospodárstve. Pri teplotách nad +260 °C je grafit lepšou voľbou. Bezazbestové dosky (klingerit) sú vhodné pre parotesné a plynové spoje pri stredných tlakoch, no ich chemická odolnosť je obmedzená v porovnaní s PTFE.

Ako správne inštalovať PTFE tesnenie

Správna inštalácia priamo ovplyvňuje tesnosť spoja a životnosť tesnenia. Pre PTFE platí niekoľko zásad, ktoré sa v praxi často podceňujú.

Prírubové plochy musia byť pred montážou čisté, suché a bez korózie. Povrchová drsnosť Ra 1,6 až 3,2 µm je pre PTFE tesnenia optimálna. Pri vyššej drsnosti povrchu je výhodnejšie zvoliť ePTFE páskovú úpravu, ktorá sa prispôsobí nerovnostiam.
Utahovacie momenty skrutiek musia zodpovedať norme príruby a materiálu tesnenia. Pri PTFE je dôležité rešpektovať nižší modul pružnosti materiálu a zabrániť príliš vysokému kontaktnému tlaku, ktorý by spôsobil vytlačenie tesnenia zo spoja (creep extrusion). Odporúča sa postupné krížové utiahnutie skrutiek v troch až štyroch fázach.
Pri montáži rotačných PTFE tesnení je nutné zabezpečiť správnu geometriu dosadacej plochy a predpísaný smer inštalácie, najmä pri asymetrických tvaroch piestnicových tesnení s jednosmernou funkciou stierania.

Výroba PTFE tesnení na mieru

Štandardizované rozmery pokrývajú väčšinu bežných aplikácií, no v praxi existuje mnoho zariadení s neštandardnými rozmermi, zastaralými konštrukciami alebo špeciálnymi prevádzkovými podmienkami, kde sériové tesnenie jednoducho neexistuje. V takých prípadoch je výroba tesnenia na mieru jedinou riešiteľnou cestou.

AFINIS Group® v rámci služieb AFINIS FLEX® a AFINIS EXPRESS® realizuje zákazkovú výrobu PTFE tesnení podľa výkresovej dokumentácie zákazníka. Výrobný sortiment zahŕňa ploché PTFE tesnenia rezané z dosiek, rotačné PTFE tesnenia sústružené a frézované z tyčí a tvarovníc, ako aj kombinované výrobky z teflónu pre ploché aj rotačné aplikácie. Zákazníci z radov priemyselných prevádzok, servisných firiem aj projektových kancelárií oceňujú možnosť konzultácie s odborne vyškolenými pracovníkmi priamo na prevádzke, kde je možné vykonať diagnostiku a meranie existujúceho tesnenia.

Normy a certifikácie pre PTFE tesnenia

Priemyselné PTFE tesnenia musia v závislosti od aplikácie spĺňať rôzne normatívne požiadavky.

Pre prírubové tesnenia platí norma EN 1514-1 (rozmery tesnení pre príruby podľa PN) a ASME B16.21 pre americké štandardy. Tesnenia pre potravinársky kontakt musia byť v zhode s EU nariadením 10/2011 a FDA 21 CFR 177.1550. Farmaceutické aplikácie vyžadujú splnenie požiadaviek USP Class VI (biokompatibilita). Elektrické aplikácie využívajú certifikáciu podľa IEC 60112 (odolnosť voči plazivým prúdom) a UL 94 (požiarna odolnosť).
Výrobcovia PTFE materiálov pre tesniace aplikácie vyžadujú systém riadenia kvality podľa ISO 9001. AFINIS Group® pracuje v rámci certifikovaného systému manažérstva kvality, čo zákazníkom poskytuje istotu konzistentnej kvality dodávaných komponentov.

Záverečné využitie PTFE tesnení

PTFE tesnenia predstavujú nenahraditeľnú skupinu tesniacich materiálov všade tam, kde chemická odolnosť, teplotná stabilita a dlhá životnosť majú prednosť pred cenou. Správna voľba variantu, od čistého PTFE cez kompozity s MoS₂, bronzom, uhlíkom a grafitom až po expandovaný ePTFE, rozhoduje o tom, či tesnenie splní svoju funkciu po celú projektovanú životnosť zariadenia.

Pre priemyselné podniky, servisné organizácie aj projektantov je kľúčová dostupnosť odborného poradenstva a výroby tesnení v požadovaných materiálových prevedeniach, vrátane nestandardných rozmerov a expresných dodacích lehôt. AFINIS Group® s viac ako 31-ročnými skúsenosťami v oblasti tesniacich technológií ponúka komplexné riešenia pre náročné aplikácie v celom spektre priemyselných odvetví.

(PR)

REKLAMA