聚四氟乙烯的性能加工及应用

聚四氟乙烯的性能、成型加工以及应用摘要：聚四氟乙烯是氟的重要化合物,它是目前化工行业最新型的工程塑料之一。本文介绍了聚四氟乙烯的基本结构性能、成型加工和应用。关键词：聚四氟乙烯、性能、成型加工及应用一、概述聚四氟乙烯是工程塑料的一个重要品种。自1938年美国科学家R.S.Plunkett在研究氟里昂致冷剂时,合成了具有“塑料王”之称的聚四氟乙烯（PTFE）以来,聚四氟乙烯的研制、生产、加工和应用得到了很大发展。聚四氟乙烯产量虽然不算太大,但应用面非常广泛。它具有优异的高低温性能和化学稳定性,极好的电绝缘性、非粘附性、耐候性、不燃性和良好的润滑性。由于其独特的性能,目前己被广泛应用于航空航天、石油化工、机械、电子、建筑、轻纺等工业部门,并日益深入到人们的日常生活中,成为现代科学技术军工和民用中解决许多关键技术和提高生产技术水平不可或缺的材料。二、聚四氟乙烯的结构、组成及物理化学特性1、聚四氟乙烯的分子结构特点聚四氟乙烯分子结构式为：是完全对称而且无支链的线型高分子,分子不具有极性。从聚四氟乙烯的分子结构可以看出PTFE分子所具有的特点。PTFE的分子是碳氟两种元素以共价键相结合。在PTFE中,氟原子取代了聚乙烯中的氢原子,由于氟原子半径(0.064nm)明显大于氢原子半径(0,028nm),使得聚四氟乙烯中未成键原子间的范德华力大于聚乙烯,有较大的排斥力,这就引起碳一碳链由聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折构象渐渐扭转到PTFE的螺旋构象(如图1-1)。该螺旋构象正好包围在PTFE易受化学侵袭的碳链骨架外形成了一个紧密的完全“氟代”的保护层,这使聚合物的主链不受外界任何试剂的侵袭,使PTFE具有其它材料无法比拟的耐溶剂性、化学稳定性以及低的内聚能密度;同时,碳-氟键极牢固,其键能达460.2kJ/mol,远比碳-氢键(410kJ/mol)和碳-碳键(372kJ/mol)高的多,由于分子的化学键能越高,其分子越稳定,这使PTFE具有较好的热稳定性和化学惰性;另外氟原子的电负性极大,加之四氟乙烯单体具有完美的对称性而使PTFE分子间的吸引力和表面能较低,从而使PTFE具有极低的表面摩擦系数和低温时较好的延展性,但这也导致PTFE的耐蠕变能力较差,容易出现冷流现象;PTFE的无分支对称主链结构也使得它具有高度的结晶性,使PTFE的加工比较困难。２、聚四氟乙烯的性能PTFE的组成和结构决定其具有如下特性：(１)．高度的化学稳定性PTFE能承受除熔融碱金属、氟元素和强氟化介质以及高于300℃的氢氧化钠以外的所有强酸、强碱、强氧化剂、还原剂等的作用。它的耐化学腐蚀性能超过贵金属、玻璃、陶瓷、搪瓷和合金等,即使原子能工业中的强腐蚀剂上氟化铀对它也不腐蚀。(２)．广泛的使用温度范围PTFE可在-250～260℃的宽广区域内使用,即使在-260℃的超低温下仍还以可保持一定的挠曲性;在260℃时其断裂强度仍保持5MPa左右(约为室温的1/5),抗屈强度达1.4MPa。(３)．突出的不粘性PTFE是目前已知表面能最小的一种固体材料,表面张力仅0.019N/m,几乎所有的固体材料都不能粘附在其表面,只有表面张力在0.02N/m以下的液体才能完全浸润其表面。(４)．异常的润滑性由于PTFE大分子间的相互引力小,且表面对其他分子的吸引力也很小,因此其摩擦系数非常小,是目前发现的摩擦系数最低的自润滑材料。(５)．优异的电绝缘性能PTFE为高度非极性材料,具有极优良的介电性;耐电弧性极好,在高压放电时,仅仅放出一些裂解的不导电气体而不会碳化引起短路。具有极优良的介电性,其击穿电压为25～40kV/mm;电阻极大,体积比电阻在200℃时仍高达1016Ψ·cm。(６)．优异的耐老化性能和抗辐射性能PTFE分子中没有光敏基团,所以不仅在低温与高温下尺寸稳定,在苛刻环境下性能也不变,潮湿状态下不受微生物侵袭,而且对各种射线辐射具有极高的防护能力。(７)．极小的吸水率PTFE的吸水率一般在0.001％～0.005％左右,而且它的渗透率也较低。PTFE具有上述优点使其成为其它物质无法替代的防腐和摩擦材料。同时,PTFE的组成和结构也产生了如下一些缺点:(l)机械性能较差PTFE的机械强度较低,仅为14～32MPa,回弹性差,硬度较低,但断裂延伸率较大。(2)线膨胀系数较大在之间,PTFE线膨胀系数达,是钢铁的13倍,故与其它材料复合易发生变形、开裂等现象。(3)成型和二次加工困难由于聚四氟乙烯具有非常高的熔融粘度,380℃时可达这就不能用塑料.常用的注射成型、压延成型等加工工艺成型。同时,PTFE的成型收缩率较大,用模压法成型收缩率达１%～5%。(4)耐蠕变性差PTFE在负荷长期作用下,蠕变较大,易发生冷流现象。PTFE的冷流现象是目前限制其广泛应用的主要原因之一。(5)耐磨性差PTFE硬度较低,磨耗较大,当负荷(P)和滑动速度(V)超过一定条件时,其摩耗会变得很大,因此在应用中PV值有一定限制,如作轴承时PV值不大于(6)导热性几差导热系数仅易造成热膨胀、热疲劳和热变形。(7)与其他材料的粘接性差。PTFE的表面能极低,不利于进行粘接,对印染、涂装等。三、聚四氟乙烯的加工成型聚四氟乙烯的融点为327℃,它的熔融粘度极高,在380℃时,熔融粘度为l这比普通热塑性塑料要高一百万倍。在熔融状态下,它仍能保持原来的形状,即使加热到415℃,它也不会从高弹态变成粘流态。另外,PTFE对于在无定形状态下的剪切很敏感,容易产生熔体破裂。因此,聚四氟乙烯不能采用熔融挤压、注射成型等常规的热塑性塑料的成型工艺,只能采用类似粉末冶金的方法成型,即在室温下使聚四氟乙烯成型成密实的预成型品,加热到熔点以上,使其由结晶相转变为无定型相,形成密集、连续、透明的弹性体,再通过降温转变为结晶相的过程。１、悬浮聚合PTFE的加工成型方法悬浮聚合PTFE的加工方法基本步骤包括预成型、烧结和冷却三部分。预成型是将粉末状PTFE树脂压成具有一定形状的预成品;烧结是将预成品加热至树脂熔点使树脂粒子密集为均相结构;冷却是在一定的冷却速度下降温以获取一定形状的的聚四氟乙烯材料。２、乳液聚合PTFE的分散加工成型方法分散PTFE是PTFE分散粒子经凝聚后形成的次级粒子,直径为500um,粉状,比表面积大,吸收有机溶剂后,经剪切力的作用形成糊膏状,通常采用挤压成型工艺,故称糊膏挤压成型。采用糊膏挤压成型的PTFE制品品种较多,有小口径棒、电线、薄壁管、异型材、生料带、生料棒和PTFE膨体制品,如弹性带、膨体生料带、膨体纤维及膨体膜等。３、乳液聚合的PTFE分散液成型加工方法PTFE分散液是平均粒径为的PTFE树脂悬浮在水中形成的,胶体溶液粘度为浓度为60%左右,PH值为9～10。利用PTFE分散液可以浸渍纤维和多孔物质,也可通过湿法混合工艺加工制备新型材料。４、PTFE的二次加工方法对于形状复杂、特殊用途的PTFE制品,采用冷压成型的加工方法难以制造,只能将简单制品如棒、管、板等通过拉伸、加热膨胀、加热压延、热真空成型、热吹塑成型、机械加工PTFE的加工。除上述的一次加工工艺外,还有很多二次加工方法。PTFE的二次加工指的是将PTFE半成品:PTFE板、膜、管、棒等,采用热变形、焊接、车削、复合等加工工艺制成多种规格与形状的PTFE制品。四、聚四氟乙烯的应用１、聚四氟乙烯在防腐减磨方面的应用PTFE材料克服了普通塑料、金属、石墨、陶瓷等耐腐蚀能力,柔韧性较差等缺点,以其卓越的耐高低温和耐腐蚀性能,可以在条件苛刻的温度、压力和介质等情况下使用,已经成为石油、化工、纺织等行业的主要耐腐蚀材料。而PTFE管主要用作腐蚀性气体、液体、蒸汽或化学药品的输送管、排气管。由PTFE分散树脂成型的推压管衬入钢管中形成衬里,或在PTFE推压内管外缠绕玻璃纤维增强,或在PTFE推压管外用钢丝编织缠绕增强后可在高压下传递液体介质,作为液压传动不可缺少的部件,并且可以大大提高在高温下的破裂强度同时具有良好的弯曲疲劳性。因为PTFE材料的摩擦系数是已知固体材料中最低的,所以这就使填充PTFE材料成为机械设备零件无油润滑的最理想材料。例如造纸、纺织、食品等工业领域的设备加润滑油容易使产品受到污染,所以填充PTFE材料就解决了这一难题。另外,实验证明,机油中添加一定数量的固体添加剂可有效地节约发动机燃料油5%左右。2、聚四氟乙烯的耐腐蚀密封材料由于聚四氟乙烯综合性能良好,是任何一种密封材料都不可比拟的,它可用于各种苛刻场合的密封,尤其是对于高温、耐腐蚀性要求较高时。比如聚四氟乙烯生料带纤维长、强度高,而且塑性大、压延性好,施加较小的压紧力就可完全密封,操作应用方便,用在凹凸不平或结构精密的表面更显其高效,具有很好的密封性能并且可提高抗腐蚀能力,扩大其使用范围。滑动部件的密封使用PTFE填料,可以获得良好的耐腐蚀稳定性,而且它具有一定压缩性回弹性、滑动时阻力小。填充PTFE密封材料使用温度范围广泛,是目前传统石棉垫片材料的主要替代物,更兼有高模量、高强度、抗蠕变、耐疲劳、以及导热率高、热膨胀系数和摩擦系数小等性能,加入不同的填充料更可扩大应用范围。3、聚四氟乙烯防粘性的应用PTFE材料具有固体材料中最小的表面张力,不粘附任何物质,同时还具有耐高低温、无毒的优良特性,所以PTFE作为涂料常用作餐具的防粘内衬,主要用于不粘锅和微波炉的内胆。在纺织行业中大量采用化学浆料进行纱的上浆,尤其当使用丁苯乳皎、酸甲基纤维素、聚醋酸乙烯等粘性非常强的为浆料时,会发生严重的粘辊现象,此时需要清除粘疤才能进行继续生产,这不仅增加了劳动量,生产效率低,并且影响产品质量,采用PTFE粘包辊筒后,防粘作用效果显著,同理它还可以应用于各种塑料包装封口机械。4、电气方面的应用PTFE固有的低损耗与介电常数使其成为电线和电缆的理想绝缘材料。PTFE用作电线包覆层的理由:具有优良的电学性能,它的体积电阻率可达1017Ω,表面电阻率大于1016Ω,在100％相对湿度下也保持不变;介电常数低达2.0,介电损耗正切约为2且均与温频率无关;耐热性好,在260℃下长期使用,绝缘性好,可以达到H级以上;具有强韧性和可挠曲性,即使低至-90℃韧性依然没影响;耐老化,耐气候性优良,高度的化学稳定性;具有不燃和低发烟性。用其制成的印刷线路基板在航空航天领域已有广泛应用,所以PTFE制品特别适用于电信、计算机、测试与测量、国防等诸多高性能、高挑战性的领域。5、建筑方面的应用随着国内外经济的发展,许多文化娱乐设施在建造中纷纷把它作为顶蓬材料,这在国外早已大量采用,采用这种材料的第一个建筑物在70年代建于美国加利福尼亚州。近两年来国内也开始使用,如:上海八万人体育场、虹口体育场的顶蓬,东方明珠塔,北京奥运鸟巢等。PTFE作为建筑用膜材料耐用年数在20年以上(现在通用的高装饰性、高耐侯性的丙烯酸聚氨酯涂料、丙烯酸有机硅涂料和有机硅涂料,其耐用年数一般在5～10年,有机硅聚酯涂料最高也只有10～15年);而且其自洁性好,不吸附灰尘和脏物,雨水可冲刷掉表面的附着物,可降低涂装清扫费用,所以适合于高洁净性要求的场合。6、医疗卫生方面的应用近代医疗方面广泛使用各种各样的聚合物制品,大大排挤和替代了金属及其他材料在医疗领域的应用。这些制品不仅用于人体及与人体内组织相接触,也用于医疗领域的各种设备。近年来聚合物PTFE具有良好的柔韧性和生物相容性,正逐渐成为生物功能材料的重要组成部分。PTFE表面张力小、不亲水、生物相容性好,可以用于人造血管,此种人造血管壁内表面势能的增加会促使内皮细胞的沉降和凝结,这是微孔PTFE制品表面能的改变导致周围组织明显的生物反应结果,利用此性能可以防止在移植物间隙中的血栓形成过程。利用膨体PTFE和橡胶塑料薄膜组成胃镜钳导管,由于其可随意弯曲变形,与人体接触无异物反应,用于对人体胃进行即时取样、取异物、息肉摘除等,能做到操作自如,使病人免受不必要的痛苦。另外聚PTFE在医学上可制成人工十字韧带、关节、食道和气管、尿道、胆汁管等。还可用于整形、骨组织替代、促进骨折愈合,皮肤或器官