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聚四氟乙烯的知识总结


信息发布:华昊化工设备制造有限公司   发布时间:2014/12/12

PTFE的相关知识  

一、聚四氟乙烯(PTFE)的主要性能

 聚四氟乙烯(PTFE)树脂是美国化学家普伦凯特(Plunket)博士于1938年首先研制出来的,到20世纪50年代国外实现了工业化生产,我国是在20世纪60年代正式投产。PTFE俗称“塑料王”,以其独特的性能而被广泛地应用于各个方面。它具有耐高温、不氧化、不溶解、特别好的化学稳定性和极其优异的介电性能,使其成为化学、机械       等工业为主的几乎所有产业部门不可缺少的重要材料之一。
        PTFE树脂多为粉末状或分散液,具有极高的相对分子质量(8.88×106~3.17×107)和高结晶度(92%--98%),熔点327℃,由于其分子结构中存在强的F-C键,使其具有以下主要性能:①耐化学药品性:除了能与熔融的钠金属、氟和强的氟化介质以及高于300℃的氢氧化钠反应外,几乎对所有的常用化学药品成惰性;②耐热性:260℃以下不发生热老化现象;③电性能:具有良好的电绝缘性,较高的耐电弧性,体积电阻率大于l×1016Ω.m,且不随温度而变化;④润滑性:在较宽的温度范丽内具有低的摩擦系数;⑤耐辐射性:在真空中,辐照剂量为最大值时,仍可保持原有拉伸强度的50%;⑥低渗透性:具有较低的渗透性,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;⑦耐候性:不受气候影响,可在任何气候下暴露10年以上;⑧不燃性:极限氧指数在90以上;⑨不黏性:几乎所有黏性物质都不能黏附在它的表面上;⑩耐高低温性:可在一250~250℃温度范围内使用。由于PTFE具有以上优异性能而被称为“塑料王”,广泛地应用于国防、航空航天、石油化工、电子、机械等各个领域。

二、聚四氟乙烯树脂品级

      聚四氟乙烯树脂有悬浮树脂和分散树脂两种。分散PTFE树脂有良好的成纤性,分子呈电中性,粒子间的凝聚力低,分子链受到很小的剪切作用就会沿粒子长轴方向排列,形成线形结晶,而且烧结成型后的分散聚四氟乙烯较悬浮聚四氟乙烯的结晶度大,在稍高于熔点温度下如340℃~360℃烧结就可得到较高的强度。

三、 聚四氟乙烯的优点

  聚四氟乙烯简称PTFE,它是由单体四氟乙烯经自由基聚合得到的全氟化聚合物,其结构式为 。它是1938年由美国人R.Plunkett发明。它的分子结构中,碳原子周围被4个氟原子包围,由于氟原子的共价半径(0.064nm)大于氢原子的半径(0.028nm),氟原子排列起来可以把碳链包围住,又由于氟原子互相排斥,使整个大分子链不像碳氢分子链一样呈锯齿形,而是呈螺旋结构如图1所示,类似于人类的DNA螺旋,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,使PTFE主链不受外界任何试剂的侵袭,使PTFE具有其他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。该螺旋结构决定了PTFE的耐化学性能。
        聚四氟乙烯是一种具有优异的耐化学性且耐高低温的碳氟化学物,即使暴露在空气中也不会变质,可在-200~250℃范围内长期使用。由于分子结构中含有氟原子吸电子团影响,PTFE表现出高度的化学稳定性,几乎耐一切酸碱等化学物质的侵入,突出的不粘性,异常的润滑性以及优异的电绝缘性能,耐老化性和抗辐射性,极小的吸水率等特点被称为“塑料王”。广泛地应用于航空航天、石油化工、机械、电子、电器、建筑、纺织等诸多领域。正是由于这些特性,它一出现就被秘密应用在军事工业,直到20世纪50年代才应用到静态密封上来,和一般的螺旋密封件相比,它是一种很好的弹性密封材料。

四、聚四氟乙烯的缺点

尽管聚四氟乙烯材料性能稳定,但其缺点也很明显。
(1)聚四氟乙烯具有“冷流性”。即材料制品在长时间连续载荷作用下发生的塑性变形(蠕变),这给它的应用带来一定的限制。如当PTFE用作密封垫时,为密封严密而把螺栓拧得很紧,以致超过特定的压缩应力时,会使垫圈产生“冷流”(蠕变)而被压扁。这些缺点可通过加入适当的填料及改进零件结构等方法来克服。
(2)聚四氟乙烯的熔体粘度很高,在高温下也不流动。它在熔点(327℃)以上,熔体粘度达到1 010 Pa.s,即使加热到分解温度也不流动,这就使它不能采用一般热塑性塑料的成型方法,而要采用类似粉末冶金那样的烧结方法成型。
(3)PTFE具有突出的不粘性,限制了其工业上的应用。它是极好的防粘材料,这种性能又使它与其他物件的表面粘合极为困难。
(4)PTFE的导热系数低,导热性能较差,这不仅妨碍它用作轴承材料,而且使得制造厚壁制品时不能淬火。
(5)PTFE的线膨胀系数为钢的10~20倍,比多数塑料大,其线膨胀系数随着温度的变化而发生很不规律的变化。在应用PTFE时,如果对这方面性能注意不够,很容易造成损失。
(6)在400℃以上加热时,聚四氟乙烯的裂解速度逐渐加快,分解产物主要是四氟乙烯、全氟丙烯和八氟环丁烷。在475℃ 以上,分解产物有极少量剧毒的全氟异丁烯。注意加热温度不能超过400℃,且实验室要有良好的通风系统,利于排除毒性气体。

五、低分子量聚四氟乙烯介绍(PTFE微粉)

低分子量聚四氟乙烯可称为PTFE微粉、PTFE蜡、PTFE干粉润滑剂等。低分子量PTFE其分子量—般只有3~20万,甚至有的不到1万,其平均粒径为1~20um,一般在1~5um用途最大。由于其分子量低,熔点一般在315~320℃,虽然它的耐候性、耐化学药品性、自润滑性和不粘接性与通用PTFE分子量没有区别,但其耐热性下降,结晶度大大提高,抗张强度下降幅度很大,已不适合用来做模压制品。由于低分子量PTFE的分子量低,粒子粒度细且软、有较好的分散能力、能均匀地分散于其他基材中从而改变其特性。因此,它的主要用途是在其他材料中用作为添加剂,改善润滑性、增加剥离性,改善耐磨性,赋予抗污性和耐擦伤,提高阻燃性及增加拒水性。低分子量PTFE粉末加到油墨、油漆、涂料、天然漆、润滑脂、润滑剂、油品、热塑性塑料、热固性树脂和弹性体中。
        低分子量PTFE的制备方法有PTFE聚合、高分子量PTFE热裂解及辐射裂解等方法。制备的方法决定了低分子量PTFE粉末的结构形态、分子量及其分布。

六、备受关注的氟树脂及塑料产品之PTFE超细粉

    PTFE超细粉具有许多特性:① 不粘性能好;②耐化学性能全面;③ 实用温度较宽(一190-260℃ );④不老化;⑤ 耐候和耐紫外线性能好;⑥ 绝缘性好等。PTFE超细粉是白色细粒子状,它有2大品级即分散聚合超细粉和悬浮细粉,超细粉粒径在2~25um,主要应用于添加油、润滑脂、干润滑油、印刷油墨、涂料、热塑性塑料及弹性体。PTFE超细粉因其独特的性能,应用在家用电器、汽车、计算机、电子、食品、复合材料、机械、印刷、军事、办公设备及用品等。

七、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。
4. 1 用作防腐材料
PTFE材料克服了普通塑料、金属等耐腐蚀能力较差的缺点, 以其卓越的耐高低温和耐腐蚀性能, 已经成为石油、化工、纺织等行业的主要耐腐蚀材料。例如, 用于制造输送腐蚀性气体的输送管、排气管、蒸汽管以及作为高压容器、阀门、泵的密封件等。
4. 2 用作无油润滑材料
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( 直接承受载荷) 的最理想材料。例如造纸、食品、纺织等工业领域的设备加润滑油容易使产品受到沾污, 所以使用PTFE 材料就解决了这一难题。
4. 3 用作电子设备的高级介质材料
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: 其独特的多孔结构可以使损耗和失真降至最低并使信号以近光速的速度进行传输, 并且具有热稳定性和机械柔韧性。同时, 聚四氟乙烯还可以降低总体互连的尺寸和重量, 是一种良好的填充介质材料。所以聚四氟乙烯制品被广泛应用于电信、计算机、测试与测量、国防、航空与航天市场等诸多高性能、高挑战性的领域。
4. 4 用作医学材料
由于膨体P TF E 材料优良的机械性能、耐久性、稳定性和生物适应性, 不会引起机体的排斥, 对人体无生理副作用, 而且具有多微孔结构等特点, 从20 世纪70 年代开始首先被制成人造血管应用于临床, 现在, 由于其优异的性能,PTFE在医学上的应用越来越广泛。包括用于软组织再生的人造血管和补片以及用于血管、心脏、普通外科和整形外科的手术缝合等。例如, 比较常见的整容手术隆鼻和整形下颌就是采用PTFE作为填充材料。

4. 5 用作防粘材料
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P TF E 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。
虽然P T F E 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。

八、悬浮聚合与乳液聚合之聚四氟乙烯树脂差异

聚四氟乙烯(PTFE)树脂具有耐酸、耐碱、耐高温、自润滑性等优异性能被广泛地应用于化学工业、机械工业、电子工业及航天航空等领域。聚四氟乙烯树脂可通过本体、悬浮、乳液、溶液聚合方式获得,而在工业上主要采用悬浮聚合和乳液聚合,乳液聚合在工业上称为“分散聚合”。悬浮聚合法比较成熟,是工业上合成PTFE的主要方法。悬浮聚合得到的聚四氟乙烯树脂可成型加工,而分散四氟树脂不能成型加工,但用分散涂料的方法加工或转为粉状用于糊状挤出;反之,悬浮四氟树脂不能进行糊状挤出或涂布。悬浮四氟树脂和分散四氟树脂品质的差异是由于它们的颗粒尺寸、粒径分布以及颗粒形态不同所致,前者颗粒粒径为毫米级,而后者粒径为亚微米级(250—350nm)。聚四氟乙烯难熔,流动性差,其颗粒粒径大小和颗粒形态对熔融流动性以及其加工性能和制品性能有重要影响。乳液聚合生产的“分散四氟树脂”的粒子粒径尺寸小、粒径分布合理、粒子形态可控,因此加工性能和制品性能好。

九、聚四氟乙烯乳液特性介绍

聚四氟乙烯(PTFE)的乳液聚合又称分散聚合,产品是PTFE的水分散液,它固含量60%左右,可用于织物及多孔金属的浸渍、成型薄膜、金属涂层及其它基材的涂层等。
      Fluon通用分散液由非离子型浸润剂稳定,商品名为Fluon GP1,它由悬浮在水中的带负电的胶粒组成。这种胶状颗粒成球状,平均粒径0.15—0.17um。20℃ 时的粘度5 X10-3Pa·s左右、PH值约10左右.它的粘度可由加入浸润
剂或蒸馏水来调节,要使PH值下降可稍加些醋酸之类有机酸。但加酸时务必当心,一旦达到高浓度离子状即会使分散液凝结。PTFE水分散液在20℃下有较长的贮存期,但它会沉析于容器底部因此在放置一周后需慢慢地搅拌一下,而且放置的环境温度不能低于0℃也不能高于30℃。否则它会产生不可逆转的凝结,也应避免快速的搅拌或在分散液中加电解质和其它的水溶性溶剂,否则也会致不可逆的凝结。
      Fluon分散液的固含量与相对密度关系如下:

 

十、PTFE表面性能之溶解度参数

 PTFE表面性能之溶解度参数:溶解度参数在以往的文献资料中,大多提到PTFE与其他物质相容性较差的问题,这是由于2种物质的溶解度参数相差较大造成的。表2是各种塑料的溶解度参数。


表2 :各种聚合物溶解度参数

      由表2可知,在所列的塑料中,PTFE的溶解度参数最小,与其他塑料的溶解度参数差别较大,所以根据相似相容的原理,PTFE与其他塑料的相容性较差,其被粘接的可能性也就最小

十一、PTFE表面性能之接着能

PTFE表面性能之接着能:固体排斥与之接触的液体所做的功即为接着能。表1所示的PTFE具有最小的接着能,这说明PTFE最容易排斥与之接触的液体,胶黏剂液体也就不易黏附其上。

 

十二、PTFE表面性能之表面张力

PTFE表面性能之表面张力:高聚物的表面是用表面张力这一参数表征的,表面张力总是力图缩小物体的表面而趋向稳定。物体的表面张力与物质的相态、分子结构、极性等因素关系密切。不同物质的表面张力的差异性与其分子问的作用力大小相关,相互作用力大的表面张力大,相互作用力小的表面张力小。通常将表面张力高于100×10 N/m的称为高能表面,低于100×10 N/m的称为低能表面。高聚物的表面都属于低能表面。PTFE和氟塑料46的临界表面张力较小,这是由材料的密度和等张比容等因素造成的。

十三、PTFE分散树脂的颜料染色

   分散树脂可以进行染色处理。分散树脂的加工要经过很高的烧结温度,颜料必须能在400℃以上的高温下性能稳定,色泽鲜艳。另外要求:着色力要强,用微量的颜料可获得明显的效果。纯度高,颗粒细腻而均匀,分散性好,混和容易。不会对原料本身造成任何性能的影响。因此符合上述要求的大部分颜料为无机颜料,有机颜料只有塑料永固红,有机永固绿,有机永固黄等少数几种。无机颜料比较多如:镉红,镉黄,哈巴粉,碳黑,酞青蓝等等。
      随着分散树脂应用的不断扩大,分散树脂可加工的产品也越来越多。

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