聚四氟乙烯的性能、加工及应用

聚四氟乙烯的性能、成型加工以及应用

摘要：聚四氟乙烯是氟的重要化合物, 它是目前化工行业最新型的工程塑料之一。本文介绍了聚四氟乙烯的基本结构性能、成型加工和应用。

关键词：聚四氟乙烯、性能、成型加工及应用

一、概述

聚四氟乙烯是工程塑料的一个重要品种。自1938年美国科学家R.S.Plunkett在研究氟里昂致冷剂时,合成了具有“塑料王”之称的聚四氟乙烯（PTFE）以来,聚四氟乙烯的研制、生产、加工和应用得到了很大发展。聚四氟乙烯产量虽然不算太大,但应用面非常广泛。它具有优异的高低温性能和化学稳定性,极好的电绝缘性、非粘附性、耐候性、不燃性和良好的润滑性。由于其独特的性能,目前己被广泛应用于航空航天、石油化工、机械、电子、建筑、轻纺等工业部门,并日益深入到人们的日常生活中,成为现代科学技术军工和民用中解决许多关键技术和提高生产技术水平不可或缺的材料。

二、聚四氟乙烯的结构、组成及物理化学特性

1、聚四氟乙烯的分子结构特点

聚四氟乙烯分子结构式为：

是完全对称而且无支链的线型高分子,分子不具有极性。从聚四氟乙烯的分子结构可以看出PTFE分子所具有的特点。

PTFE的分子是碳氟两种元素以共价键相结合。在PTFE中,氟原子取代了聚乙烯中的氢原子,由于氟原子半径(0.064nm)明显大于氢原子半径(0,028nm),使得聚四氟乙烯中未成键原子间的德华力大于聚乙烯,有较大的排斥力,这就引起碳一碳链由聚乙烯的平面的、充分伸展的

曲折构象渐渐扭转到PTFE的螺旋构象(如图1-1)。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,这使聚合物的主链不受外界任何试剂的侵袭,使PTFE具有其它材料无法比拟的耐溶剂性、化学稳定性以及低的聚能密度;同时,碳-氟键极牢固,其键能达460.2kJ/mol,远比碳-氢键(410kJ/mol)和碳-碳键(372kJ/mol)高的多,由于分子的化学键能越高,其分子越稳定,这使PTFE具有较好的热稳定性和化学惰性;另外氟原子的电负性极大,加之四氟乙烯单体具有完美的对称性而使PTFE分子间的吸引力和表面能较低,从而使PTFE具有极低的表面摩擦系数和低温时较好的延展性,但这也导致PTFE的耐蠕变能力较差,容易出现冷流现象;PTFE的无分支对称主链结构也使得它具有高度的结晶性,使PTFE的加工比较困难。

２、聚四氟乙烯的性能

PTFE的组成和结构决定其具有如下特性：

(１)．高度的化学稳定性

PTFE能承受除熔融碱金属、氟元素和强氟化介质以及高于300℃的氢氧化钠以外的所有强酸、强碱、强氧化剂、还原剂等的作用。它的耐化学腐蚀性能超过贵金属、玻璃、瓷、搪瓷和合金等,即使原子能工业中的强腐蚀剂上氟化铀对它也不腐蚀。

(２)．广泛的使用温度围

PTFE可在-250～260℃的宽广区域使用,即使在-260℃的超低温下仍还以可保持一定的挠曲性;在260℃时其断裂强度仍保持5MPa左右(约为室温的1/5),抗屈强度达1.4MPa。

(３)．突出的不粘性

PTFE是目前已知表面能最小的一种固体材料,表面力仅0.019N/m,几乎所有的固体材料都不能粘附在其表面,只有表面力在0.02N/m以下的液体才能完全浸润其表面。

(４)．异常的润滑性

由于PTFE大分子间的相互引力小,且表面对其他分子的吸引力也很

小,因此其摩擦系数非常小,是目前发现的摩擦系数最低的自润滑材料。

(５)．优异的电绝缘性能

PTFE为高度非极性材料,具有极优良的介电性;耐电弧性极好,在高压放电时,仅仅放出一些裂解的不导电气体而不会碳化引起短路。具有极优良的介电性,其击穿电压为25～40kV/mm;电阻极大,体积比电阻在200℃时仍高达1016Ψ·cm。

(６)．优异的耐老化性能和抗辐射性能

PTFE分子中没有光敏基团,所以不仅在低温与高温下尺寸稳定,在苛刻环境下性能也不变,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。

(７)．极小的吸水率

PTFE的吸水率一般在0.001％～0.005％左右,而且它的渗透率也较低。

PTFE具有上述优点使其成为其它物质无法替代的防腐和摩擦材料。同时,PTFE的组成和结构也产生了如下一些缺点:

(l)机械性能较差PTFE的机械强度较低,仅为14～32MPa,回弹性差, 硬度较低,但断裂延伸率较大。

(2)线膨胀系数较大在之间,PTFE线膨胀系数达

,是钢铁的13倍,故与其它材料复合易发生变形、开裂等现象。

(3)成型和二次加工困难由于聚四氟乙烯具有非常高的熔融粘

度,380℃时可达这就不能用塑料.常用的注射成型、压延成型等加工工艺成型。同时,PTFE的成型收缩率较大,用模压法成型收缩率达１%～5%。

(4)耐蠕变性差PTFE在负荷长期作用下,蠕变较大,易发生冷流现象。PTFE的冷流现象是目前限制其广泛应用的主要原因之一。

(5)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,如作轴承时PV值不大于

(6)导热性几差导热系数仅易造成热膨胀、热疲劳和热变形。

(7)与其他材料的粘接性差。PTFE的表面能极低,不利于进行粘接,对印染、涂装等。

三、聚四氟乙烯的加工成型

聚四氟乙烯的融点为327℃,它的熔融粘度极高,在380℃时,熔融粘度为l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。另外,PTFE对于在无定形状态下的剪切很敏感,容易产生熔体破裂。因此,聚四氟乙烯不能采用熔融挤压、注射成型等常规的热塑性塑料的成型工艺,只能采用类似粉末冶金的方法成型,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型相,形成密集、连续、透明的弹性体,再通过降温转变为结晶相的过程。