聚四氟乙烯的性能、加工及應(yīng)用剖析

1、.聚四氟乙烯的性能、成型加工以及應(yīng)用摘要：聚四氟乙烯是氟的重要化合物, 它是目前化工行業(yè)最新型的工程塑料之一。本文介紹了聚四氟乙烯的基本結(jié)構(gòu)性能、成型加工和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：聚四氟乙烯、性能、成型加工及應(yīng)用1、 概述聚四氟乙烯是工程塑料的一個重要品種。自1938年美國科學(xué)家R.S.Plunkett在研究氟里昂致冷劑時,合成了具有“塑料王”之稱的聚四氟乙烯（PTFE）以來,聚四氟乙烯的研制、生產(chǎn)、加工和應(yīng)用得到了很大發(fā)展。聚四氟乙烯產(chǎn)量雖然不算太大,但應(yīng)用面非常廣泛。它具有優(yōu)異的高低溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性,極好的電絕緣性、非粘附性、耐候性、不燃性和良好的潤滑性。由于其獨(dú)特的性能,目前己被廣泛應(yīng)用于航空航

2、天、石油化工、機(jī)械、電子、建筑、輕紡等工業(yè)部門,并日益深入到人們的日常生活中,成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)軍工和民用中解決許多關(guān)鍵技術(shù)和提高生產(chǎn)技術(shù)水平不可或缺的材料。2、 聚四氟乙烯的結(jié)構(gòu)、組成及物理化學(xué)特性1、 聚四氟乙烯的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)聚四氟乙烯分子結(jié)構(gòu)式為：是完全對稱而且無支鏈的線型高分子,分子不具有極性。從聚四氟乙烯的分子結(jié)構(gòu)可以看出PTFE分子所具有的特點(diǎn)。PTFE的分子是碳氟兩種元素以共價鍵相結(jié)合。在PTFE中,氟原子取代了聚乙烯中的氫原子,由于氟原子半徑(0.064nm)明顯大于氫原子半徑(0,028nm),使得聚四氟乙烯中未成鍵原子間的范德華力大于聚乙烯,有較大的排斥力,這就引起碳一碳鏈由

3、聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折構(gòu)象漸漸扭轉(zhuǎn)到PTFE的螺旋構(gòu)象(如圖1-1)。該螺旋構(gòu)象正好包圍在PTFE易受化學(xué)侵襲的碳鏈骨架外形成了一個緊密的完全“氟代”的保護(hù)層,這使聚合物的主鏈不受外界任何試劑的侵襲,使PTFE具有其它材料無法比擬的耐溶劑性、化學(xué)穩(wěn)定性以及低的內(nèi)聚能密度;同時,碳-氟鍵極牢固,其鍵能達(dá)460.2kJ/mol,遠(yuǎn)比碳-氫鍵(410kJ/mol)和碳-碳鍵(372kJ/mol)高的多,由于分子的化學(xué)鍵能越高,其分子越穩(wěn)定,這使PTFE具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性;另外氟原子的電負(fù)性極大,加之四氟乙烯單體具有完美的對稱性而使PTFE分子間的吸引力和表面能較低,從而使PTFE具

4、有極低的表面摩擦系數(shù)和低溫時較好的延展性,但這也導(dǎo)致PTFE的耐蠕變能力較差,容易出現(xiàn)冷流現(xiàn)象;PTFE的無分支對稱主鏈結(jié)構(gòu)也使得它具有高度的結(jié)晶性,使PTFE的加工比較困難。、 聚四氟乙烯的性能PTFE的組成和結(jié)構(gòu)決定其具有如下特性：()高度的化學(xué)穩(wěn)定性PTFE能承受除熔融堿金屬、氟元素和強(qiáng)氟化介質(zhì)以及高于300的氫氧化鈉以外的所有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、還原劑等的作用。它的耐化學(xué)腐蝕性能超過貴金屬、玻璃、陶瓷、搪瓷和合金等,即使原子能工業(yè)中的強(qiáng)腐蝕劑上氟化鈾對它也不腐蝕。()廣泛的使用溫度范圍PTFE可在-250260的寬廣區(qū)域內(nèi)使用,即使在-260的超低溫下仍還以可保持一定的撓曲性;在26

5、0時其斷裂強(qiáng)度仍保持5MPa左右(約為室溫的1/5),抗屈強(qiáng)度達(dá)1.4MPa。()突出的不粘性PTFE是目前已知表面能最小的一種固體材料,表面張力僅0.019N/m,幾乎所有的固體材料都不能粘附在其表面,只有表面張力在0.02N/m以下的液體才能完全浸潤其表面。()異常的潤滑性由于PTFE大分子間的相互引力小,且表面對其他分子的吸引力也很小,因此其摩擦系數(shù)非常小,是目前發(fā)現(xiàn)的摩擦系數(shù)最低的自潤滑材料。()優(yōu)異的電絕緣性能PTFE為高度非極性材料,具有極優(yōu)良的介電性;耐電弧性極好,在高壓放電時,僅僅放出一些裂解的不導(dǎo)電氣體而不會碳化引起短路。具有極優(yōu)良的介電性,其擊穿電壓為2540kV/mm;電

6、阻極大,體積比電阻在200時仍高達(dá)1016·cm。()優(yōu)異的耐老化性能和抗輻射性能PTFE分子中沒有光敏基團(tuán),所以不僅在低溫與高溫下尺寸穩(wěn)定,在苛刻環(huán)境下性能也不變,潮濕狀態(tài)下不受微生物侵襲,而且對各種射線輻射具有極高的防護(hù)能力。()極小的吸水率PTFE的吸水率一般在0.0010.005左右,而且它的滲透率也較低。PTFE具有上述優(yōu)點(diǎn)使其成為其它物質(zhì)無法替代的防腐和摩擦材料。同時,PTFE的組成和結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了如下一些缺點(diǎn):(l)機(jī)械性能較差PTFE的機(jī)械強(qiáng)度較低,僅為1432MPa,回彈性差,硬度較低,但斷裂延伸率較大。(2)線膨脹系數(shù)較大在之間,PTFE線膨脹系數(shù)達(dá),是鋼鐵的13倍

7、,故與其它材料復(fù)合易發(fā)生變形、開裂等現(xiàn)象。(3)成型和二次加工困難由于聚四氟乙烯具有非常高的熔融粘度,380時可達(dá)這就不能用塑料.常用的注射成型、壓延成型等加工工藝成型。同時,PTFE的成型收縮率較大,用模壓法成型收縮率達(dá)%5%。(4)耐蠕變性差PTFE在負(fù)荷長期作用下,蠕變較大,易發(fā)生冷流現(xiàn)象。PTFE的冷流現(xiàn)象是目前限制其廣泛應(yīng)用的主要原因之一。(5)耐磨性差PTFE硬度較低,磨耗較大,當(dāng)負(fù)荷(P)和滑動速度(V)超過一定條件時,其摩耗會變得很大,因此在應(yīng)用中PV值有一定限制,如作軸承時PV值不大于(6)導(dǎo)熱性幾差導(dǎo)熱系數(shù)僅易造成熱膨脹、熱疲勞和熱變形。(7)與其他材料的粘接性差。PTFE

8、的表面能極低,不利于進(jìn)行粘接,對印染、涂裝等。三、聚四氟乙烯的加工成型聚四氟乙烯的融點(diǎn)為327,它的熔融粘度極高,在380時,熔融粘度為l這比普通熱塑性塑料要高一百萬倍。在熔融狀態(tài)下,它仍能保持原來的形狀,即使加熱到415,它也不會從高彈態(tài)變成粘流態(tài)。另外,PTFE對于在無定形狀態(tài)下的剪切很敏感,容易產(chǎn)生熔體破裂。因此,聚四氟乙烯不能采用熔融擠壓、注射成型等常規(guī)的熱塑性塑料的成型工藝,只能采用類似粉末冶金的方法成型,即在室溫下使聚四氟乙烯成型成密實(shí)的預(yù)成型品,加熱到熔點(diǎn)以上,使其由結(jié)晶相轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型相,形成密集、連續(xù)、透明的彈性體,再通過降溫轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相的過程。、懸浮聚合PTFE的加工成型方法

9、懸浮聚合PTFE的加工方法基本步驟包括預(yù)成型、燒結(jié)和冷卻三部分。預(yù)成型是將粉末狀PTFE樹脂壓成具有一定形狀的預(yù)成品;燒結(jié)是將預(yù)成品加熱至樹脂熔點(diǎn)使樹脂粒子密集為均相結(jié)構(gòu);冷卻是在一定的冷卻速度下降溫以獲取一定形狀的的聚四氟乙烯材料。、 乳液聚合PTFE的分散加工成型方法分散PTFE是PTFE分散粒子經(jīng)凝聚后形成的次級粒子,直徑為500um,粉狀,比表面積大,吸收有機(jī)溶劑后,經(jīng)剪切力的作用形成糊膏狀,通常采用擠壓成型工藝,故稱糊膏擠壓成型。采用糊膏擠壓成型的PTFE制品品種較多,有小口徑棒、電線、薄壁管、異型材、生料帶、生料棒和PTFE膨體制品,如彈性帶、膨體生料帶、膨體纖維及膨體膜等。、乳液

10、聚合的PTFE分散液成型加工方法PTFE分散液是平均粒徑為的PTFE樹脂懸浮在水中形成的,膠體溶液粘度為濃度為60%左右,PH值為910。利用PTFE分散液可以浸漬纖維和多孔物質(zhì),也可通過濕法混合工藝加工制備新型材料。、 PTFE的二次加工方法對于形狀復(fù)雜、特殊用途的PTFE制品,采用冷壓成型的加工方法難以制造,只能將簡單制品如棒、管、板等通過拉伸、加熱膨脹、加熱壓延、熱真空成型、熱吹塑成型、機(jī)械加工PTFE的加工。除上述的一次加工工藝外,還有很多二次加工方法。PTFE的二次加工指的是將PTFE半成品:PTFE板、膜、管、棒等,采用熱變形、焊接、車削、復(fù)合等加工工藝制成多種規(guī)格與形狀的PTFE

11、制品。4、 聚四氟乙烯的應(yīng)用、聚四氟乙烯在防腐減磨方面的應(yīng)用PTFE材料克服了普通塑料、金屬、石墨、陶瓷等耐腐蝕能力,柔韌性較差等缺點(diǎn),以其卓越的耐高低溫和耐腐蝕性能,可以在條件苛刻的溫度、壓力和介質(zhì)等情況下使用,已經(jīng)成為石油、化工、紡織等行業(yè)的主要耐腐蝕材料。而PTFE管主要用作腐蝕性氣體、液體、蒸 汽 或化學(xué)藥品的輸送管、排氣管。由PTFE分散樹脂成型的推壓管襯入鋼管中形成襯里,或在PTFE推壓內(nèi)管外纏繞玻璃纖維增強(qiáng),或在PTFE推壓管外用鋼絲編織纏繞增強(qiáng)后可在高壓下傳遞液體介質(zhì),作為液壓傳動不可缺少的部件,并且可以大大提高在高溫下的破裂強(qiáng)度同時具有良好的彎曲疲勞性。因?yàn)镻TFE材料的摩擦

12、系數(shù)是已知固體材料中最低的,所以這就使填充PTFE材料成為機(jī)械設(shè)備零件無油潤滑的最理想材料。例如造紙、紡織、食品等工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備加潤滑油容易使產(chǎn)品受到污染,所以填充PTFE材料就解決了這一難題。另外,實(shí)驗(yàn)證明,機(jī)油中添加一定數(shù)量的固體添加劑可有效地節(jié)約發(fā)動機(jī)燃料油5%左右。2、聚四氟乙烯的耐腐蝕密封材料由于聚四氟乙烯綜合性能良好,是任何一種密封材料都不可比擬的,它可用于各種苛刻場合的密封,尤其是對于高溫、耐腐蝕性要求較高時。比如聚四氟乙烯生料帶纖維長、強(qiáng)度高,而且塑性大、壓延性好,施加較小的壓緊力就可完全密封,操作應(yīng)用方便,用在凹凸不平或結(jié)構(gòu)精密的表面更顯其高效,具有很好的密封性能并且可提高抗

13、腐蝕能力,擴(kuò)大其使用范圍?；瑒硬考拿芊馐褂肞TFE填料,可以獲得良好的耐腐蝕穩(wěn)定性,而且它具有一定壓縮性回彈性、滑動時阻力小。填充PTFE密封材料使用溫度范圍廣泛,是目前傳統(tǒng)石棉墊片材料的主要替代物,更兼有高模量、高強(qiáng)度、抗蠕變、耐疲勞、以及導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù)小等性能,加入不同的填充料更可擴(kuò)大應(yīng)用范圍。3、聚四氟乙烯防粘性的應(yīng)用 PTFE材料具有固體材料中最小的表面張力,不粘附任何物質(zhì),同時還具有耐高低溫、無毒的優(yōu)良特性,所以PTFE作為涂料常用作餐具的防粘內(nèi)襯,主要用于不粘鍋和微波爐的內(nèi)膽。在紡織行業(yè)中大量采用化學(xué)漿料進(jìn)行紗的上漿,尤其當(dāng)使用丁苯乳皎、酸甲基纖維素、聚醋酸乙烯等

14、粘性非常強(qiáng)的為漿料時,會發(fā)生嚴(yán)重的粘輥現(xiàn)象,此時需要清除粘疤才能進(jìn)行繼續(xù)生產(chǎn),這不僅增加了勞動量,生產(chǎn)效率低,并且影響產(chǎn)品質(zhì)量,采用PTFE粘包輥筒后,防粘作用效果顯著,同理它還可以應(yīng)用于各種塑料包裝封口機(jī)械。4、電氣方面的應(yīng)用PTFE固有的低損耗與介電常數(shù)使其成為電線和電纜的理想絕緣材料。PTFE用作電線包覆層的理由:具有優(yōu)良的電學(xué)性能,它的體積電阻率可達(dá)1017,表面電阻率大于1016,在100相對濕度下也保持不變;介電常數(shù)低達(dá)2.0,介電損耗正切約為2且均與溫頻率無關(guān);耐熱性好,在260下長期使用,絕緣性好,可以達(dá)到H級以上;具有強(qiáng)韌性和可撓曲性,即使低至-90韌性依然沒影響;耐老化,耐

15、氣候性優(yōu)良,高度的化學(xué)穩(wěn)定性;具有不燃和低發(fā)煙性。用其制成的印刷線路基板在航空航天領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用,所以PTFE制品特別適用于電信、計算機(jī)、測試與測量、國防等諸多高性能、高挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。5、建筑方面的應(yīng)用隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,許多文化娛樂設(shè)施在建造中紛紛把它作為頂蓬材料,這在國外早已大量采用,采用這種材料的第一個建筑物在70年代建于美國加利福尼亞州。近兩年來國內(nèi)也開始使用,如:上海八萬人體育場、虹口體育場的頂蓬,東方明珠塔,北京奧運(yùn)鳥巢等。PTFE作為建筑用膜材料耐用年數(shù)在20年以上(現(xiàn)在通用的高裝飾性、高耐侯性的丙烯酸聚氨酯涂料、丙烯酸有機(jī)硅涂料和有機(jī)硅涂料,其耐用年數(shù)一般在510年,有機(jī)硅

16、聚酯涂料最高也只有1015年);而且其自潔性好,不吸附灰塵和臟物,雨水可沖刷掉表面的附著物,可降低涂裝清掃費(fèi)用,所以適合于高潔凈性要求的場合。6、醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用近代醫(yī)療方面廣泛使用各種各樣的聚合物制品,大大排擠和替代了金屬及其他材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。這些制品不僅用于人體及與人體內(nèi)組織相接觸,也用于醫(yī)療領(lǐng)域的各種設(shè)備。近年來聚合物PTFE具有良好的柔韌性和生物相容性,正逐漸成為生物功能材料的重要組成部分。PTFE表面張力小、不親水、生物相容性好,可以用于人造血管,此種人造血管壁內(nèi)表面勢能的增加會促使內(nèi)皮細(xì)胞的沉降和凝結(jié),這是微孔PTFE制品表面能的改變導(dǎo)致周圍組織明顯的生物反應(yīng)結(jié)果,利用此性

17、能可以防止在移植物間隙中的血栓形成過程。利用膨體PTFE和橡膠塑料薄膜組成胃鏡鉗導(dǎo)管,由于其可隨意彎曲變形,與人體接觸無異物反應(yīng),用于對人體胃進(jìn)行即時取樣、取異物、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在醫(yī)學(xué)上可制成人工十字韌帶、關(guān)節(jié)、食道和氣管、尿道、膽汁管等。還可用于整形、骨組織替代、促進(jìn)骨折愈合,皮膚或器官移植、牙周組織再生等。7、其他方面的應(yīng)用PTFE還具有很多方面的應(yīng)用,如利用其膜具有多孔性,作為過濾材料可以有選擇地透過氣體或液體,用于氣液分離、氣氣分離及液液分離的過濾膜;在其中加入導(dǎo)電炭黑壓還可制作發(fā)熱體,如電熱毯的中間發(fā)熱層等。*;書是我們時代的生命別林