211022008_聚四氟乙烯垫片的密封性能研究现状及展望

殷小明·聚四氟乙烯垫片的密封性能研究现状及展望
2023年 第49卷
·13·
作者简介：殷小明（1992-），男，助理工程师，硕士研究生，从事压力容器的检验及性能优化研究。

收稿日期：2022-07-20
0　引言
螺栓法兰接头作为生产运输中最常见的一种静态密封形式，尤其在化工、制药、石油及机械行业中被广泛的使用，其主要有螺栓、法兰和垫片组成。

根据GB150.3—2011《压力容器》中螺栓法兰接头使用定义，螺栓法兰接头是通过螺栓提供足够的预紧力压缩垫片，在垫片的密封接触面上产生足够的压缩应力，使结构获得有效的密封。

垫片作为其基本的组成部分，对其要求也很高，需要从不同的角度去合理选择相应的垫片，以满足密封性能。

由于材料的制造工艺及有机合成的新技术不断地发展，产生了许多新型的材料和密封垫片，目前垫片根据材料特性可分为非金属垫片、金属垫片及金属+非金属复合型垫片三大类，只有了解其材料性能，才能在生产过程中选择需要的垫片以满足工业需要，降低企业的安全事故率，增加生产效率。

聚四氟乙烯作为一种有机聚合物，因其高耐腐蚀、物理性能稳定及耐高低温，而被选作密封材料[1]，相关学者对其密封性能进行了相关的研究，并提出了优化的方向。

1　聚四氟乙烯材料特性
聚四氟乙烯（PTFE ）是由单体四氟乙烯聚合而成的一种白色、无毒无味高结晶聚合物，聚合物分子由—CF 2—CF 2—结构单元重复连接而成，其结构和聚
聚四氟乙烯垫片的密封性能研究
现状及展望
殷小明
(上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062）
摘要：聚四氟乙烯垫片作为一种非金属密封元件，因其耐高低温、抗腐蚀性及抗老化等特性，被用于工业设备中机件之间的密封连接，其本身的属性决定了PTFE 垫片的使用场合。

本文基于聚四氟乙烯垫片的密封性能，从聚四氟乙烯材料特性及PTFE 垫片技术要求的角度对其介绍，重点对优化PTFE 垫片的密封性能方法进行论述，为提高聚四氟乙烯垫片的密封性能及减少安全事故提供思路。

关键词：聚四氟乙烯；垫片；密封；性能；方法中图分类号：TQ325.4
文章编号：1009-797X(2023)04-0013-03
文献标识码：B DOI:10.13520/ki.rpte.2023.04.004
乙烯很像，只是聚乙烯中的氢原子全部由氟原子取代，由于C —F 健键能高，分子间内结合牢靠，性能稳定，因此其耐化学腐蚀极佳。

聚四氟乙烯分子链结构中氟原子半径大于氢原子半径，相邻大分子的负电荷互相排斥，使得聚乙烯分子中碳-碳链由平面、充分伸展的曲折构象逐渐扭转成螺旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面，这种分子结构导致其呈现耐溶剂型、化学稳定性、不粘性及低的内聚能密度，且C —F 键中两种元素以共价键结合，分子中没有游离的电子，使整个分子呈中性
[2]
，其介电常数和介电
损耗在较宽频率内都较低，介电性能优良，电绝缘性不受外界环境和频率的影响，聚四氟乙烯单体具有较好的对称性，分子间的作用力和表面能较低，因而具有较低的表面摩擦系数和低温时较好的延展性，大分子链成线性结构，几乎没有支链，易排列有序，结晶度较高，结晶度与分子量有关。

因聚四氟乙烯材料的优良特性，常常被用于密封材料，但聚四氟乙烯的强度较弱，易蠕变，冷流效果明显，且回弹性差也限制其使用[3]，大量的学者为提升聚四氟乙烯的密封性能对其材料改性进行了研究。

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第49卷 第4期
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CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT
橡塑技术与装备
2　聚四氟乙烯垫片技术要求
聚四氟乙烯垫片在使用时，其性能需要满足相应的规范和标准。

根据最新版的标准JB/T 10688—2020《聚四氟乙烯垫片》中，对聚四氟乙烯垫片材料的化学成分、物理和化学性能应符合材料的有关标准规定，标准规定了垫片的主体结构材料为聚四氟乙烯的环形平垫片，尤其对垫片的压缩率、回弹率及泄露率的试验条件和指标做出说明。

试验规格在DN40~DN80，厚度在1.0~3.0 mm ，预紧压力为35 MPa 时，要求压缩率在20±5%,回弹率≥30%，试验规格在DN40~ DN80，厚度在1.0~3.0 mm ，预紧压力为35 MPa ，试验压力为4 MPa ，试验介质为纯度99.9%的氮气（体积分数）时，其泄露率要≤1.0×10-3 cm 3/s 。

垫片的压缩回弹性能对其密封性能起至关重要的作用，对于极度、高度及中毒有害的物质，对其泄露率有极高的要求，且对垫片的外观、尺寸的极限偏差、检验、标志、包装，贮存及运输均需要满足要求。

3　聚四氟乙烯垫片的密封性能优化研究
为实现更好的密封效果和扩大使用范围，需对聚四氟乙烯垫片的密封性能优化进行研究，避免因垫片的密封性能失效导致安全事故发生。

聚四氟乙烯因强度较弱，在用作密封垫片时发现此材料有较大蠕变的特性，使密封垫片寿命缩短，且在温度较低的环境下。

应力作用会导致其分子伸长变形，具有冷流特性，在密封状态会出现应力松弛，而在实际使用下，聚四氟乙烯垫片的蠕变和应力松弛互相作用，最终导致垫片的密封失效，因此需对其进行优化研究，减少密封失效的风险。

3.1　聚四氟乙烯改性技术的研究
聚四氟乙烯改性技术主要有表面改性[4]
、填充改
性
[5]
及共混改性
[6]
等，表面改性主要有物理改性和化
学改性，化学改性主要有还原剂法，利用化学试剂对聚四氟乙烯表面进行化学反应从而改善其表面活性和不粘性，物理改性主要采用高温熔融法、等离子处理法及激光辐射法等；填充改性是最常见、最经济的一种改性技术，其作用机理是填料粒子内外表面上可与高分子链形成吸附点和化学作用点，形成一些网状结构，改变聚四氟乙烯晶体和形貌结构，达到提升聚四氟乙烯综合性能的目的，可分为无机填充和有机填充。

共混改性一般是以聚四氟乙烯为填充剂，与多种有机聚合物共混，以提高加工性能和密封性能。

马伟强
[7]
等探究了不同添加比例的纳米SiO 2/
PTFE 复合材料在不同转速下摩擦磨损情况，研究发现填充纳米SiO 2后的PTFE 摩擦因数升高，但体积磨损率大幅度降低，当其填充质量分数为5%时，改性后的体积磨损率降到最低，在转速为80 r/min 时比纯PTFE 降低了89.5%，但填充量为10%时，改性的材料出现轻微的疲劳磨损。

彭建云
[8]
等对碳纤维用于填充聚四氟乙烯材料进
行了研究，碳纤维改性聚四氟乙烯材料在保有纯聚四氟乙烯优良特性，具有更大的强度。

在三种不同温度下，分别对纯聚四氟乙烯、10%及20%碳纤维改性聚四氟乙烯进行拉压试验，发现三种材料拉伸强度和拉断伸长率随温度和碳纤含量的变化而变化，随温度升高，三种材料拉伸强度更大，玻纤维含量少的材料，受拉伸程度越小。

杨浩
[9]
等对不同含量Al 2O 3改性聚四氟乙烯复合
涂层的摩擦磨损特性进行研究，结果表明:Al 2O 3的添加提高了PTFE 复合涂层的摩擦系数，而且随着Al 2O 3含量的增大，其摩擦系数逐渐增加，耐磨性能越优异。

通过相关学者对聚四氟乙烯改性技术的研究，主要论述了不同填充剂聚四氟乙烯材料下的性能及不同的条件下其性能表现，填充改性技术不仅保留纯聚四氟乙烯的优良特性，也弥补其不足，使聚四氟乙烯拉伸强度、蠕变性能及摩擦性能表现更好，使其密封性能更佳，但填充剂的含量、种类及使用条件等也对改性的聚四氟乙烯材料性能产生较大的影响，需要综合研究填充改性技术，使改性后聚四氟乙烯性能最佳，使用寿命更长，泄露率更低。

3.2　聚四氟乙烯成型方法的研究
聚四氟乙烯成型方法有许多种，主要有模压法、滚压法、挤压法及液压法等，采用不同的成型方法，其性能也会呈现差异，为了提升其性能，相关学者也对聚四氟乙烯成型方法进行了研究，高分子材料成型的原理主要有高聚物拉伸取向理论[10]
和高聚物结晶理
论
[11]
用来指导聚氟四乙烯材料的结构变化。

顾榴俊[12]
等介绍一种新型层压法制备聚四氟乙烯
密封材料的工艺，使用对助剂、聚四氟乙烯膜双向拉伸及层压热处理工艺等方法，制造出一种高弹性聚四氟乙烯密封材料，其压缩率达46%，回弹率达到16%（预紧压力为40 MPa ），蠕变松弛率达到9%,具有良好的压缩回弹特性，使法兰密封效果更好。

张雨果
[3]
等试验研究膨体聚四氟乙烯密封垫片的
性能，膨体聚四氟乙烯是由聚四氟乙烯双向拉膜复合
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而成的一种改性材料，其独特加工工艺极大改善了聚四氟乙烯易蠕变和强度不足等问题。

并研究发现膨体聚四氟乙烯垫片的厚度对其蠕变和密封性能产生显著的影响，并基于蠕变和泄露率的关系，发现特征松弛时间可作为评价其密封性能的重要参数。

吴迪菲
[2]
在模压烧结成型的基础上，对聚四氟乙
烯进行拉伸成型，在应力作用下，采用热处理工艺，高温热定型，最终形成聚四氟乙烯制品。

这种后处理技术是对聚四氟乙烯加工成型方法的创新，改变高分子材料的内部结构，提高材料的性能。

陈旭
[13]
等对聚四氟乙烯进行压制和烧结试验，分
析了成型压力对试件的致密度、压缩强度及压缩模量的影响，研究发现聚四氟乙烯材料的压缩强度随压制压力的升高而减小，压缩模量随所压制压力的升高而增加，并发现聚四氟乙烯的成型临界压力为27.5 MPa 。

聚四氟乙烯的成型工艺直接影响聚合高分子材料的内部结构，从而影响其性能。

成型的温度、压力及成型的方式等都会改变晶体结构和形貌结构，导致其性能呈现较大的差异，而成型的技术不断在升级，控制的精度越来越高，对聚四氟乙烯垫片的形成也产生较大影响，加大对后处理工艺、成型工艺及加工工艺的研究，对改善聚四氟乙烯垫片性能提供新的研究方向。

4　结论
聚四氟乙烯作为密封材料用于螺栓法兰结构中，呈现出优异的性能，但同时也有不足。

本文基于聚四氟乙烯的密封性能，从其分子的结构、连接方式及作用力等方面介绍其材料优异的性能及缺点，也从相关标准指出其满足的技术要求。

重点对聚四氟乙烯材料
性能的优化进行论述，归纳了两种主流的优化方式：聚四氟乙烯改性技术及成型方法，其中改性技术主要介绍了填充改性。

发现这两种优化方式也存在许多因素会影响聚四氟乙烯性能，且研究比较分散，研究条件差异较大，未来需系统对其各种影响因素进行研究，加大新科学技术的应用。

参考文献：
[1] Liz Wllite. Turning PTFE lips around for longer life radial seals[J]. European Rubber Journal, 2001, 183:32-34.[2] 吴迪菲.后处理工艺对改性聚四氟乙烯密封垫片材料性影响的研究[D]，华东理工大学，2007.
[3] 张雨果，谢苏江，胡宏玖.膨体聚四氟乙烯垫片的厚度对力学行为和密封性能的影响[J].流体机械，2015,43(10):11-15.[4] 李志迎，姜兆辉，孙航，等.PTFE 复合材料的研究进展[J].化工新型材料，2016,44(09):7-9.
[5]
O z e k i k , H i r a k u r i k.T h e e f f e c t o f n i t r o g e n a n d o x y g e n plasma on the wear properties and adhesion strength of the diamond-like carbon film coated on PTFE ［J ］.Applied Surface Science,2008，254 (6): 1 614-1 621.[6] 郑振超，寇开昌，张冬娜，等.聚四氟乙烯表面改性技术研究进展[J].工程塑料应用，2013,41(02):105-110.
[7]
马伟强，侯根良，苏勋家，等.纳米SiO 2填充改性聚四氟乙烯复合材料的摩擦磨损性能研究[J].塑料工业，2017,45(05):43-47.[8] 彭建云，魏军会，杜文波，等.改性聚四氟乙烯在不同温度下对泛塞封密封性能影响[J].冶金与材料，2021,41(03):5-7.[9]
杨浩，卞达，郭永信，等. Al 2O 3改性聚四氟乙烯复合涂层的摩擦磨损特性[J].材料保护，2020,53(10):43-46+111.[10] 济奎，马希晨.高分子材料加工原理和技术[J]，河北轻化工
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回素彩.聚四氟乙烯烧结成型的制备工艺[J].塑料工业，2005(10):38-40.
Research status and prospect of sealing performance of PTFE gasket
Yin xiaoming
（Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Research Institute, Shanghai 200062, China ）
Abstract: As a non-metallic sealing element, PTFE gasket is used for sealing connection between parts in industrial equipment due to its high and low temperature resistance, corrosion resistance and aging resistance. Its own properties determine where PTFE gaskets can be used. Based on the sealing performance of PTFE gasket, this paper introduces it from the perspective of PTFE material characteristics and technical requirements of PTFE gasket, focusing on the methods of optimizing the sealing performance of PTFE gasket, providing ideas for improving the sealing performance of PTFE gasket and reducing safety accidents.
Key words: PTFE; gasket; sealing; performance; method
(R-03)
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