聚四氟乙烯成型加工新技术

聚四氟乙烯成型加工新技术

付海梅，王伟明，刘继红

摘要：介绍了聚四氟乙烯（PTFE）成型的特殊性，并对现有各种加工方法的优缺点进行了比较，为了弥补现有各种加工方法的不足，设计了新型聚四氟乙烯加工设备（柱塞冲压式挤出机），并阐述了它的加工工艺过程和成型原理。

关键词：聚四氮乙烯；成型；冲压式柱塞挤出机

2000 年全世界氟塑料的年产量是10 万t ，预计2005 年年产量可稳步上升到12～14 万t ，聚四氟乙烯（PTFE）是氟塑料的一种，其产量占氟塑料总产量的58%。而我国PTFE的产量占氟塑料总生产量的96%。PTFE 具有优异的物理、化学性能，被俗称为“塑料王”。它能够耐各种强酸、强碱和氧化剂，具有良好的化学稳定性、热稳定性、介电性能、非粘附性、耐候性、低的吸湿性和表面能以及不燃烧性和良好的润滑性，并且它的使用温度范围非常广（可达-190～

260e ）。早期PTFE 是为国防和尖端技术的需要开发的，到20 世纪60 年代后期逐渐向民用方面推广，目前它的应用领域己涉及航空航天、石油化工、机械、电子、建筑、轻纺织、医药等各经济领域和国防军事部门，已经成为现代科学技术中解决许多关键技术和提高生产水平不可缺少的材料。虽然它的价格一直比较昂贵，通常是聚乙烯价格的10 倍以上，但由于它突出的物理、化学性能是其它材料难以替代的，因此它的发展前景仍然非常广阔并且它所创造的经济效益也远高于普通的塑料。

1 PTFE 的特性及成型的特殊性

PTFE 是热塑性塑料，但它却难以用普通热塑性塑料的成型方法来加工，它的“难加工性，来自于它特殊的成型性，如PTFE 的熔融粘度大、剪切敏感、大的收缩性蟠变性以及低的摩擦因数。

1 . 1 熔融粘度极高

PTFE 的摩尔质量很大，用一般的方法难以测定，人们曾利用在聚合时将示踪原子引入聚合物分子末端基中的一种极复杂的特殊方法测定过，PTFE 的摩尔质量一般介于5 x 105～50x105g/mol之间。同时，由于PTFE分子链中没有支链，氟原子紧密地排布在碳-碳骨架的周围，氟-碳键又是很强的化学键，由此造成了PTFE 极高的熔融粘度。在380 ℃ 时，熔融粘度为lx1010Pa · s 。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。

1 .

2 剪切比较敏感

熔体破裂时出现的剪切速率称为临界剪切速率，它与聚合物的相对质量成反比。PTFE 的相对分子质量极高，因此它的临界剪切速率就很低。在挤出过程中，

当剪切稍大，对剪切敏感的PTFE材料就会出现竹节、鲨鱼片等缺陷。PTFE的这种性质将影响加工的压力、挤出速度等工艺条件，同时，它对模具的要求也就较高了。

1 . 3 较大的收缩性和蠕变性

当PTFE 受到一定的挤压作用时，竹FE 会产生较大的蠕变，并且蠕变的大小取决于载荷的大小、作用时间的长短和温度的高低，如图1～3 所示。

由于PTFE 的这种性质，如果用螺杆挤出的方法对其进行加工，压力大时体积的收缩较为严重，而压力较小时体积变化不大，这样易使物料在挤出过程中产生断续现象，难以实现连续挤出。同时，由于PTFE 的收缩性和蠕变性还与物料的种类有关，这也限制了物料的选择使用。

图1 PTFE 应力一瞬时压缩应变曲线

图2 PTFE在恒定载荷下曲线压缩应变随时间变化的典型

图3 温度对PTFE蠕变的影响

1 . 4 摩擦因数小

PTFE摩擦因数极低，它是金属及所有塑料中摩擦因数最低的。它随载荷增加而减小，在高速、高载荷的条件下，PTFE 的摩擦因数可低于0.01。因为在螺杆挤出PTFE 时，物料容易与螺杆打滑而无法向前推进。

2 常用加工方法

基于PTFE 以上的特殊成型加工性，经过三十多年的发展，人们摸索和发明了PTFE 的各种特殊加工方法，主要有模压成型！液压成型！推压成型！螺旋挤出成型！柱塞挤出成型以及注射成型、二次加工等。表1 为这几种加工方法的比较。由表1 可知，模塑成型和液压成型不能实现连续生产，效率低；而采用推压成型和螺杆挤出成型虽然可实现连续挤出，但在挤出过程中需要对PTFE 进行均聚改性或加入一定量的填充剂”均聚对PTFE的优异性能有所损伤，它会降低树脂的熔融温度！损害它的热性能和化学稳定性等，而加入填充剂后，由于PTFE 树脂和填充剂之间不存在粘合键，会使PTFE的某些性能下降，有资料表明不管加入何种填充剂每增加一百分体积的填充剂它的拉伸强度就会降低0.5～0.6MPa ，在扯断时的相对伸长率也有较大的下降，影响它的使用性能。为了满足对PTFE制品需求的日益增长同时又不损伤它的各种性能，在加工PTFE 管材时采用了新型的柱塞冲压式挤出机。

表1 几种常用的叮FE 加工方法的比较

3 柱塞冲压式挤出机

传统的柱塞挤出成型法采用低频率、大容量的液压式挤出机进行管材的挤出，但是对于熔点非常高（高达327 ℃ ）而很难熔的PTFE 树脂，需要很长的加热时间，如使用液压式柱塞挤出机就会使制品的加工周期过长！效率低，以至使制品成本增加，且难以保证制品质量的均匀性，容易出现制品不连续和“夹生”等现象。而新开发的冲压式柱塞挤出机，它能以较高的效率在不添加任何填充剂的情况下实现管材的连续挤出。

冲压式柱塞挤出机的成型原理

柱塞冲压式挤出机采用双工位式，它是由一根曲轴连接两套曲柄连杆机构，它们再分别带动一个柱塞实现往复运动，这样不仅大大提高了生产效率，而且还降低了制品的成本。柱塞冲压式挤出机主要利用“锻造”原理通过柱塞的往复运动将物料压入机筒内，在剪切生热及外部热源的作用下使其在机筒内不断熔融，并在压力推动下使其向口模方向前进，最终经口模直接挤出成型的加工方法。其工作原理如图4 所示。

图4 工作原理示意图

1．电机；2.姗旋喂料；3.柱塞；4.预热区；5.导加热区；6.筒体；7.芯棒

柱塞冲压式挤出机采用截面积较小的柱塞，间歇性的将物料推入挤出机机筒内，每次加料量较小。同时柱塞采用较高的运动速度和频率，以使物料在机筒内接近连续流动，同时各段预成型品由于树脂间的相互摩擦以及树脂与机筒壁的摩擦产生的阻力，加上预成型品在口模中烧结时体积膨胀产生的阻力，使多段预成型品在口模出口处实现连续的挤出成型，从而使制品的质量比较均匀，无表面缺陷，产量也相应提高。其工艺流程如下所示。