填充聚四氟乙烯配方原则

　　PTFE 具有许多优越性能,有着广泛的用途。但PTFE的线膨胀系数较大,在连续载荷作用下易发生变形;其回弹性差,弯曲和压缩强度低,熔体粘度极高,成形和二次加工困难;且在负荷长期作用下,蠕变较大,易发生冷流现象,这种冷流现象是目前限制其更为广泛应用的主要原因之一。近年来国内外学者对纯PTFE进行改性,提高它的综合性能,以满足不同要求。

成形技术

　　聚四氟乙烯的加工成形技术的发展是其应用领域迅速扩大的关键,半个世纪以来已发展成了一套特有的、多样化的加工成形工艺,包括模压成形、推压成形、压延成形、柱塞挤压成形、螺杆挤出成形、等压成形、液压成形、浸渍成形、层压成形、热压成形、复合喷涂、二次成形、焊接、车削,以及近年来德国Hoechst公司开发成功的真空成形与热吹塑成形技术等 。

聚四氟乙烯密封材料的研究进展

改性聚四氟乙烯密封材料

　　尽管聚四氟乙烯性能优良,但其压缩回弹性较差、蠕变大及“冷流现象”等缺点都影响了聚四氟乙烯的密封性能。因此,对聚四氟乙烯进行改性,进一步提高其综合性能是研究的重点。目前,对聚四氟乙烯的改性,主要是与其他材料进行复合,利用复合材料的特性,弥补聚四氟乙烯自身的不足,从而达到改性的目的。主要方法有:表面处理改性、填充改性、共混改性等。

表面处理改性

　　PTFE极低的表面活化性和不粘性限制了它与其它材料的复合。对PTFE 材料进行表面改性即要提高表面活化性,常用的PTFE 表面改性技术有以下3种:

(1) 表面活化技术

　　1)等离子体活化法。用氩气、氦气、氢气、氮气等气体的等离子体处理PTFE材料,提高其表面的自由能,改善其湿润性和粘接性,使其表面形成可胶接的表面活化层;

　　2)辐照活化法。通过高能射线的辐照使其表面脱氟,从而和其他材料产生胶接作用;

　　3) 电晕放电活化法。PTFE在一定气氛中经过适当时间的电晕处理,可在其表面形成可胶接的活化层；

　　4) 醋酸钾活化法。将PTFE浸入特定温度的熔融醋酸钾中,经过一定时间的处理后,在其表面会形成具有一定活化性的活化层;

　　5) 特定混合液处理活化法。例如PTFE在一定配比的氢氧化钠、二丙烯基聚氰胺混合液中加热处理一定时间即可提高其表面活化性。还有一些其他活化处理法,如泰斯拉空心变压器放电活化法、准分子激光活化法等。

(2) 化学腐蚀表面改性

　　PTFE经一些化学药剂对其表面进行腐蚀也可达到改性的目的,常用的表面腐蚀剂如下:

　　1) 金属钠的氨溶液。PTFE经一定浓度的该溶液处理后,可使其接触角从108°降为52°,从而可用环氧粘结剂与其他材料复合;

　　2) 钠萘四氢呋喃溶液。将PTFE经一定浓度的钠、萘、四氢呋喃溶液处理即可达到表面改性目的。其他一些腐蚀剂,如碱金属汞齐腐蚀剂、饿酸腐蚀剂、五碳基铁腐蚀剂等。

(3) 表面沉积改性

　　将PTFE浸入一些金属氢氧化物的胶体溶液中,使胶体粒子沉积在PTFE表面,从而增大其润湿角,达到改善其表面活化性的目的。上述的一些方法主要适用于PTFE薄膜的表面改性。这些方法各有优缺点,合理应用或寻找新的表面活化处理方法是扩大PTFE 薄膜应用的主要途径。

填充改性

　　在聚四氟乙烯中加入不同的填料制成填充聚四氟乙烯,能有效地改进其性能。常用的填料有碳纤维、玻璃纤维、青铜粉、石墨、二硫化钼以及一些聚合物填剂。

　　(1)碳纤维。碳纤维可改进聚四氟乙烯的机械性能、耐热性和耐摩擦性,碳纤维填充聚四氟乙烯的线膨胀系数小,导热率高,其模压强度、耐蠕变性以及在水中的耐磨耗性均有大幅度提高。

　　(2)玻璃纤维。一般填充到聚四氟乙烯的玻璃纤维直径为10～13μm ,平均长度为80μm ,长径比为5～10 ,填充量一般为15 %～25%。加玻璃纤维,将使其耐蠕变性和抗冷流性得到较为显著的改善,耐磨性能也会大大提高。但随着玻璃纤维含量的提高,其拉伸强度、伸长率及韧性会逐渐下降;摩擦系数逐渐增大。
(3) 石墨。石墨可分为极性石墨、核石墨和油石墨三种。在聚四氟乙烯中填充前两种较为有效,其用量一般为15 %～30%。石墨填充的聚四氟乙烯尺寸稳定性较好,并具有良好的耐化学药品性、压缩蠕变性和较佳的导热性。

　　(4) 青铜粉。青铜粉单独填充聚四氟乙烯用量为60%左右,也可以与碳纤维、玻璃纤维以及氧化铅等混合使用。填充前,青铜粉需进行表面氧化处理,以减少热分解和着火的危险。青铜粉的加入提高了其抗蠕变性和耐压性,增加了散热性,特别适用于发生摩擦热的场合。

　　(5)二硫化钼。二硫化钼的填充量较少,一般与其他填料一起使用,其含量一般为5%。二硫化钼的加入可提高填充聚四氟乙烯的刚性、硬度,降低摩擦系数和磨耗量,改进耐蠕变性和电绝缘性,大量加入二硫化钼能提高聚四氟乙烯的导热性。

　　(6) 氮化硼。氮化硼可分为AP 型、GP型和中间型三种。主要采用GP 型填充PTFE。填充品级的耐磨性、耐蜕变性和耐化学药品性好。

　　(7) 铝粉。铝粉应和青铜粉混合使用。铝粉填充PTFE的*大特点是摩擦系数低。

　　(8)聚合物填剂。将一些聚合物填剂加到聚四氟乙烯中,可起到取长补短的效果。目前采用的聚合物主要有聚酰亚胺、聚苯脂和聚苯硫醚等。聚酰亚胺填充聚四氟乙烯,可降低填充聚四氟乙烯的摩擦系数,改进耐磨性,而且不易损伤对磨材料。聚苯脂填充聚四氟乙烯可以使其具有优良的自润滑性、电绝缘性和耐药品性,能大大改进聚四氟乙烯的压缩强度、弯曲强度和耐磨耗性。聚苯硫醚填充后可使填充聚四氟乙烯具有优良的耐蠕变性和尺寸稳定性,对于对磨材料的磨耗也很小,聚苯硫醚还可提高玻璃纤维、碳纤维等无机填料与填充聚四氟乙烯的粘附性,并提高其机械性能、硬度和耐磨耗性。聚苯硫醚的用量一般为20%～40 %。

　　由于上述这些填料对于改性聚四氟乙烯性能有着各自的特点,在实际应用中常常根据工况条件的需要,将这些填料按照一定的比例共同填充于聚四氟乙烯中,制得综合性能良好、满足实际工况的聚四氟乙烯密封材料。例如:利用8 %～10 %的玻璃纤维、3 %～5 %的二硫化钼和85 %～90%聚四氟乙烯制成的改性聚四氟乙烯具有优异的耐高低温、自润滑性,具有高度的化学稳定性、小的透气性和良好的力学性能,被广泛用作汽车工业和机械工业的特殊工况下的密封元件,可以制成O形、Y形、U 形、L 形、J 形等各种形式的密封圈,可以在30～40MPa 的条件下使用。

共混改性

　　PTFE的共混改性与填充改性基本原理相同,但在共混改性中,通常PTFE仅作为填加剂使用,一般多指与其他有机聚合物共混,以提高其加工性能和使用性能。共混材料的加工通常采用主体材料的加工方法加工。

　　PTFE 共混改性的工程塑料主要有聚苯硫醚(PPS)、聚碳酸酪(PC) 、聚甲醛(POM) 、尼龙66(PJ 16)等。改性后的工程塑料既保持了其原有特性,特别是加工性能,又能改善其耐磨性,提高临界PV 值; PTFE改性的橡胶主要是硅橡胶、氟橡胶。改性后的橡胶其耐磨性大大提高。在一些合成橡胶及其涂料中, PTFE的共混将大大提高橡胶的化学稳定性、耐油性和耐溶剂性。

膨胀聚四氟乙烯密封材料

　　膨胀聚四氟乙烯密封材料,是采用独特的加工工艺制造而成的一种低密度连续性纯白色聚四氟乙烯制品,它改变了普通聚四氟乙烯密封材料存在的过硬、恢复性差、热膨胀系数大、易蠕变等缺点。经特殊处理,聚四氟乙烯有了高度的柔韧性、可压缩性、优异的抗酸、碱耐腐蚀性、不老化、耐蠕变性、自润滑性好、低摩擦系数和很高的抗张强度等特点,从形式上彻底改变了传统的静密封使用方式,现场可随意变更成任何直径、任何截面积的垫片和阀函填料,无需提前加工和制作,摆脱了固有形式和预先设计及大量库存的模式。操作方便、易行、快捷、随意性强。该密封材料的出现,解决了工程应用中不可回避的难题,尤其在检修、替换、现场施工、高空管路、应急事件中具有重要的作用。其性能特别适合在化工、石化、石油、天然气开发输送、*药等具有大量管道、塔类、容器、换热、蒸发、浓缩、洗涤、非金属类的装置中使用。膨胀聚四氟乙烯密封材料可在-218～320 ℃的温度范围内**使用,使用压力可达20MPa ,可适用p H 值0～14的环境,它不受绝大多数化学物质腐蚀(除熔融碱金属和游离氟原子以外),适用介质可为酸、碱、油类等腐蚀或非腐蚀性的无极及有机介质。可用于生物、化工、食品、酿酒、制药等行业。

纳米聚四氟乙烯密封材料

　　聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物,分子量从14 万到50万,它是以碳原子为主干,氟原子围绕着主干结合起来的流线型高分子化合物,是一种优良的固体润滑材料。聚四氟乙烯分子的流线型结构和极低的分子内聚力使得分子间很容易相对滑动,因而显示出极低的摩擦系数。作为21世纪主导技术之一的纳米技术的应用已初见端倪,纳米聚四氟乙烯密封材料的出现,为开发新型的密封材料提供了一种新的思路与方法。

聚四氟乙烯密封材料的应用领域

　　PTFE广泛用于机械设备、电子电器、化工、建筑、密封领域,具有一系列独特的性能,是其他工程塑料所无法比拟的。它在国防科研和民用工业中占有重要的地位,尤其是在密封领域,由于PTFE摩擦系数低、自润滑能力强,所以大量用于制造转动轴油封、密封圈和盘根等。转动轴用PTFE制造,能在260℃下长期使用。该种轴封不仅能耐各种介质,而且能在缺油或无油情况下工作。另外,泵轴、搅拌轴、活塞杆等传动和滑动部位用PTFE制成的盘根和密封垫片也特别有效 。PTFE还可用来制作内燃机气缸盖等的密封垫片,以及桥梁、管道、钢结构屋架、大型金属结构的支承滑块等。

　　近年来,许多**国家用填充PTFE制造的滑动式组合密封,产品已系列化,如美国霞板公司研制的PTFE 复合密封件满足了设备要求。据称霞板公司的PTFE轴密封与“O”形圈相比,使用寿命提高9 倍,泄漏量为“O”形圈的1/ 10 ,甚至可实现无泄漏。西德Eusaktlyken公司正在生产轴径不同(4～710mm) 的系列产品、美国的Par2ker 公司也有自己的系列产品。

　　除此之外, PTFE串联式组合密封可用于战斗车辆的悬挂装置。国外许多**战斗车辆都应用了PTFE 串联组合密封,如美国的M1A1、英国的“挑战者”号、(前) 苏联的T80等。使用这种串联组合密封的新型悬挂装置取代传统的扭力杆悬挂,可提高战车的作战能力,改善乘员的乘车条件。所以,加强PTFE串联组合密封的研究,对提高产品性能,增强国防力量具有重大的战略意义。但是,目前的产品价格贵,如果科研工作者在开发产品的同时,立足国内的自然资源(如稀土)进行研究,适当降低成本,将会拓宽PTFE的应用领域。

结论

　　聚四氟乙烯是新型的密封材料,无毒、无味且具有很强的化学稳定性,能耐强酸、强碱、强氧化剂、油脂、酮、醚、醇等腐蚀,在流体密封领域得到广泛应用。纯聚四氟乙烯耐热差、蠕变大,会发生“冷流现象”,影响了聚四氟乙烯的密封性能。在聚四氟乙烯中加入不同的填料制成改性的聚四氟乙烯,一方面有效地改进了它的密封性能,同时也降低了成本。经特殊处理的膨胀聚四氟乙烯,进一步改进了聚四氟乙烯密封性能,改变了传统的静密封使用方式,现场可随意变形,无需提前加工和制作,从而得到广泛的应用。纳米聚四氟乙烯材料作为一种新型材料,具有广阔的发展前景。但聚四氟乙烯作为一种新型的密封材料,应用还不久,许多方面还不够成熟,其密封性能还有待进一步提高。加强改性聚四氟乙烯、膨胀聚四氟乙烯和纳米聚四氟乙烯的研究,对提高机械与设备运行的稳定性和**性,降低事故的发生率,促进密封技术的发展,保护环境,发展经济都具有十分重要的作用和意义。