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聚四氟乙烯板的加工制作和应用安装
点击次数:618 发布时间:2017-10-06

聚四氟乙烯的制备和应用

 

1. 

聚四氟乙烯的简述

  

随着社会文明的进步和科学技术的发展,材料化学也在日新月异地发展,许

多新型的无机材料越来越多地被使用在日常生活中。聚四氟乙烯(

PTFE

)作为

一种新型的无机非金属材料,

在人们的生活和生产实践中起着举足轻重的作用。

  

四氟乙烯(

TFE

)的发现首先是被用于冰箱的制冷剂。

1938

4

6

日,杜

邦公司(

Do Pont

)的研究员

Plunkett

和他的助手首次从装有

TFE

的钢瓶中得到

了粉末状的聚四氟乙烯(

PTFE

,引起杜邦公司的重视,并探索其聚合条件及材

料的性能和应用前景。在第二次世界大战中,

PTFE

以其优异的性能被列为军需

品,同时其专利也被保护起来。直到

1946

JAC

才报导了杜邦公司在聚四氟乙

烯的研究工作,同时美国专利局批准了多项专利。

 

聚四氟乙烯的性能特点主要有耐高低温性、耐化学腐蚀和耐候性、摩擦系数

低、

优异的电气绝缘性、

自润滑性和非粘附性等众多优良品质,

因此聚四氟乙烯

被用于防腐材料、无油润滑材料、电子设备的高级介质材料、医学材料、防粘材

料等。虽然

PTFE

材料具有其它材料无法替代的优异性能,但是本身也存在着一

定的缺点,例如:难熔融加工性、难焊接性和冷流性。随着材料应用技术的不断

发展,这些缺点正在逐渐被克服,从而使它在石油化工、电子、医学、光学等多

种领域的应用前景更加广阔。

  

2. 

聚四氟乙烯的制备

  

聚四氟乙烯由四氟乙烯经自由基聚合而生成。工业上的聚合反应是在大量水

存在下搅拌进行的,用以分散反应热,并便于控制温度。聚合一般在

40

80

℃,

0.3

2.6MPa

压力下进行,可用无机的过硫酸盐、有机过氧化物为引发剂,也可

以用氧化还原引发体系。

每摩尔四氟乙烯聚合时放热

171.38kJ

分散聚合须添加

全氟型的表面活性剂,

例如全氟辛酸或其盐类。

聚四氟乙烯的聚合方法包括本体

聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合

亦称分散聚合

等,工业生产中主要采

用悬浮聚合和乳液聚合。

 

2.1. 

悬浮聚合

  

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

形状的聚四氟乙烯材料。

  

1

PTFE

挤压成型工艺。挤压成型是将聚四氟乙烯树脂加入挤压机的料腔

中加压,挤入口模使它形成密实的管材、棒材等制品,然后经烧结、冷却制成具

有一定规格的产品,挤压成型的特点在于可连续成型,是模压成型工艺的连续

化。

  

2

PTFE

等压成型。

等压成型又称为液压成型,

用于制造体积较大的

PTFE

的套筒、贮槽、半球壳体、大圆板、塔柱、圆管和用于切削大张薄板的大毛坯、

方坯等,也可制造整体的内衬

PTFE

复合结构的三通弯头、导流管等形状复杂的

制品。

PTFE

等压成型具有设备简单、投产快、模具结构简单操作方便、制品受

压均匀、质量好、节约树脂等特点。

  

3

PTFE

模压成型。模压成型是

PTFE

zui常用的方法,一些形状简单的制

品如板、棒、套管、薄膜毛坯、垫板等都可用模压成型。模压成型方法基本上包

括混料、预成型、烧结、冷却四步组成。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形相,形成密集、连续、

透明的弹性体,在通过降温转变为结晶相的过程。

  

聚四氟乙烯的烧结过程由升温、保温、降温三个阶段组成。升温是将预成型

品由室温加热到烧结温度的过程,

是从结晶相转变为无定形相的过程。

聚四氟乙

烯受热后体积膨胀,

在熔点时体积膨胀

25%

左右。

保温是将达到烧结温度的预成

型品在此温度下保持一段时间,

使整个制件达到完全透明的过程。

在保温过程中,

聚四氟乙烯的分子运动加剧,

颗粒间的界面消失,

成为密实的连续的整体。

聚四

氟乙烯的烧结温度一般为

375

℃。

降温是将以烧结的预成型品从保温温度降至室

温的过程。

在此过程中,

树脂由无定形转变为结晶相,

降温速度的快慢受到制品

大小的限制。

降温时在其结晶速度zui快的温度范围中保温一段时间,

使预成型品

的内外温度趋于平衡,

这种制品称为不淬火制品。

采取快速冷却方式的制品称为

淬火制品。

 

2.2. 

乳液聚合(分散聚合)

  

分散

PTFE

PTFE

分散粒子经凝聚后形成的次级粒子,

直径为

500

μ

m

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、导型材、

生料带、

生料棒和

PTFE

膨体制品,如弹性带、

膨体生料带、膨体纤维和膨体膜等。

  

1

PTFE

分散液浸渍。用

PTFE

分散液浸渍石棉、玻璃纤维、玻璃布、多

孔金属等材料所制得的制品具有优良的性能,

如不吸水、

良好的不粘性、

润滑性

与气密性,及在高温时仍具有优良的耐化学腐蚀性。

  

2

PTFE

分散液的涂覆成型。

PTFE

分散液在金属、陶瓷、木材、塑料表

面形成涂层,

使这些材料表面具有防粘、

低摩擦系数和防湿性能,

从而大大开拓

了这些材料的应用范围。涂覆工艺有静电喷涂、等离子喷涂等。

  

3

)湿法混合与填充

PTFE

。湿法混合就是将

PTFE

分散液和填充剂均匀混

合后使其共凝聚。用此法制得的

PTFE

制品力学强度较高,耐磨性及介电性能较

好,但由于乳液聚合树脂热稳定性较差,仅限于制造薄壁小型制品。

  

4

PTFE

分散液流延成型。

PTFE

分散液流延成型是在一条连续运转的高

度抛光的金属带上持续不断地用

PTFE

分散液涂布,然后将涂布好的

PTFE

送入

高温塔进行烘焙,

在水分及表面活性剂完全挥发后再在

360-380

℃下烧结成制品,

用该方法加工的制品为

PTFE

流延薄膜,表面光滑、柔软,用作电容器的绝缘材

料。

  

3. 

聚四氟乙烯的结构和特点

  

PTFE

的分子构形在温度低于

19

℃时呈三棱体形,

螺旋形大分子中每

13

个碳

原子扭转

180

°,其轴向间距为

117nm

;温度高于

19

℃时呈六面体形,每

15

碳原子扭转

180

°,轴向间距为

2nm

。这种由温度变化引起的大分子链型式的转

变可以引起聚合物的比容有

1%

的突然变化。

  

PTFE

分子的主链由

C - C

键构成,所有的侧键都为氟原子取代,

C - F 

键结

合能很大,所以

PTFE

有很高的耐热性能;氟原子较氢原子半径大,且带负电,

对主链碳原子的正电荷起有效的屏蔽作用,

而相邻大分子上的氟原子的负电荷具

有排斥作用,导致了

PTFE

极低的内聚能,分子间结合力很弱;氟原子体积大,

又相互排斥,使

PTFE

分子链不能呈平面锯齿形而呈螺旋形,并且比较僵硬。

  

由于

PTFE

的特殊分子结构特征,使其具有如下的特点:

  

1

.

摩擦系数小。由于

PTFE

大分子间的相互引力小,且表面对其它分子的

吸引力也很小,因此其摩擦系数非常小,是已知固体工程材料中zui低的,仅为

0.04 (

静摩擦系数

小于其动摩擦系数,

在极低的滑动速度下也不会出现爬行现

象,是金属摩擦学中从未出现的奇特现象。

  

2

.

优异的耐老化性能和抗辐射性能。在苛刻环境下性能不变,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,

在真空中,

辐照剂

量为

×

10

7

 rad

时,仍可保持原有拉伸强度的

50%

  

3

.

极佳的化学稳定性。

PTFE

不与环境介质发生反应,

能承受大部分强酸

(

括王水、氢氟酸、浓盐酸、发烟硫酸、有机酸等

)

、强碱、强氧化剂、还原剂和

各种有机溶剂的作用。

  

4

.

极小的吸水率

( 0.001% 

0.005% ) 

。渗透率较低,除了对其组成相似的

氟碳化合物有较高的渗透率外,对大部分气体和液体的渗透性较小。

  

5

.

良好的电性能。

PTFE 

为高度非极性材料,具有极优良的介电性,并且不

随频率和温度而变化,也不受湿度和腐蚀性气体的影响。

  

6).

宽广的使用温度

(

- 250

℃到

260

  

7).

突出的表面不粘性和良好的自润滑性。

 

8).PTFE

表面张力小

( 0.019N /m)

,是目前表面能zui小的一种固体材料,几乎

所有的固体材料都不能粘附在其表面。

  

9).

极好的热稳定性。

PTFE

熔点

327

℃,高于其它一般高聚物。在

260

℃时其

断裂强度仍保持

5MPa

左右

(

约为室温的

1 /5) 

,抗屈服强度达

114MPa

。同时,

它还具有极可贵的不燃性,

其限氧指数

(LO I)

95 

以上,

在火焰上只能熔融,

生成液滴,zui终只被碳化。

  

在具有以上优异性能的同时,

PTFE

的结构也产生了如下一些缺点:

  

1).

成型和二次加工困难。

PTFE

的成型收缩率较大,熔体粘度极高,不能用

塑料常用的注射成型、压延成型等二次加工工艺。

  

2).

机械性能和承载能力差。

PTFE

的机械强度仅为

14

25MPa

,无回弹性,

硬度较低,但断裂延伸率较大。

  

3).

线膨胀系数较大。在

- 50 

250

℃之间,

PTFE

线膨胀系数达

1.13 

×

10

-4

 

2.16 

×

10

-5

 /

℃,是钢铁的

13

倍,故与其它材料复合易发生变形、开裂等现象。

  

4).

导热性差。导热系数仅

0.24kcal/ (m 

·

h

·℃

,易造成热膨胀、热疲劳和

热变形。

  

5).

耐蠕变性差,易冷流。

PTFE

在负荷长期作用下,蠕变较大,易发生冷流

现象。

  

6).

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。

  

7).

生产成本较高。

  

PTFE

的以上缺陷限制了其应用,

为提高其综合性能,

国内外对

PTFE

的研究

重点在于寻找适当的方法对其进行改性,

从而在一定程度上改善其性能,

扩大其

应用范围。

  

4. 

聚四氟乙烯的应用

  

因为聚四氟乙烯在多方面的优异性能,所以它在化工、机械、电子、医学、

纺织等工业中被广泛用作耐高低温材料、耐腐蚀材料、绝缘材料、医用材料、防

粘涂层等。

 

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