填充聚四氟乙烯配方原則

　　PTFE 具有許多優越性能,有著廣泛的用途。但PTFE的線膨脹係數較大,在連續載荷作用下易發生變形;其回彈性差,彎曲和壓縮強度低,熔體粘度極高,成形和二次加工困難;且在負荷長期作用下,蠕變較大,易發生冷流現象,這種冷流現象是目前限製其更為廣泛應用的主要原因之一。近年來國內外學者對純PTFE進行改性,提高它的綜合性能,以滿足不同要求。

成形技術

　　聚四氟乙烯的加工成形技術的發展是其應用領域迅速擴大的關鍵,半個世紀以來已發展成了一套特有的、多樣化的加工成形工藝,包括模壓成形、推壓成形、壓延成形、柱塞擠壓成形、螺杆擠出成形、等壓成形、液壓成形、浸漬成形、層壓成形、熱壓成形、複合噴塗、二次成形、焊接、車削,以及近年來德國Hoechst公司開發成功的真空成形與熱吹塑成形技術等 。

聚四氟乙烯密封材料的研究進展

改性聚四氟乙烯密封材料

　　儘管聚四氟乙烯性能優良,但其壓縮回彈性較差、蠕變大及“冷流現象”等缺點都影響了聚四氟乙烯的密封性能。因此,對聚四氟乙烯進行改性,進一步提高其綜合性能是研究的重點。目前,對聚四氟乙烯的改性,主要是與其他材料進行複合,利用複合材料的特性,彌補聚四氟乙烯自身的不足,從而達到改性的目的。主要方法有:表麵處理改性、填充改性、共混改性等。

表麵處理改性

　　PTFE極低的表麵活化性和不粘性限製了它與其它材料的複合。對PTFE 材料進行表麵改性即要提高表麵活化性,常用的PTFE 表麵改性技術有以下3種:

(1) 表麵活化技術

　　1)等離子體活化法。用氬氣、氦氣、氫氣、氮氣等氣體的等離子體處理PTFE材料,提高其表麵的自由能,改善其濕潤性和粘接性,使其表麵形成可膠接的表麵活化層;

　　2)輻照活化法。通過高能射線的輻照使其表麵脫氟,從而和其他材料產生膠接作用;

　　3) 電暈放電活化法。PTFE在一定氣氛中經過適當時間的電暈處理,可在其表麵形成可膠接的活化層；

　　4) 醋酸鉀活化法。將PTFE浸入特定溫度的熔融醋酸鉀中,經過一定時間的處理後,在其表麵會形成具有一定活化性的活化層;

　　5) 特定混合液處理活化法。例如PTFE在一定配比的氫氧化鈉、二丙烯基聚氰胺混合液中加熱處理一定時間即可提高其表麵活化性。還有一些其他活化處理法,如泰斯拉空心變壓器放電活化法、準分子激光活化法等。

(2) 化學腐蝕表麵改性

　　PTFE經一些化學藥劑對其表麵進行腐蝕也可達到改性的目的,常用的表麵腐蝕劑如下:

　　1) 金屬鈉的氨溶液。PTFE經一定濃度的該溶液處理後,可使其接觸角從108°降為52°,從而可用環氧粘結劑與其他材料複合;

　　2) 鈉萘四氫呋喃溶液。將PTFE經一定濃度的鈉、萘、四氫呋喃溶液處理即可達到表麵改性目的。其他一些腐蝕劑,如堿金屬汞齊腐蝕劑、餓酸腐蝕劑、五碳基鐵腐蝕劑等。

(3) 表麵沉積改性

　　將PTFE浸入一些金屬氫氧化物的膠體溶液中,使膠體粒子沉積在PTFE表麵,從而增大其潤濕角,達到改善其表麵活化性的目的。上述的一些方法主要適用於PTFE薄膜的表麵改性。這些方法各有優缺點,合理應用或尋找新的表麵活化處理方法是擴大PTFE 薄膜應用的主要途徑。

填充改性

　　在聚四氟乙烯中加入不同的填料製成填充聚四氟乙烯,能有效地改進其性能。常用的填料有碳纖維、玻璃纖維、青銅粉、石墨、二硫化鉬以及一些聚合物填劑。

　　(1)碳纖維。碳纖維可改進聚四氟乙烯的機械性能、耐熱性和耐摩擦性,碳纖維填充聚四氟乙烯的線膨脹係數小,導熱率高,其模壓強度、耐蠕變性以及在水中的耐磨耗性均有大幅度提高。

　　(2)玻璃纖維。一般填充到聚四氟乙烯的玻璃纖維直徑為10～13μm ,平均長度為80μm ,長徑比為5～10 ,填充量一般為15 %～25%。加玻璃纖維,將使其耐蠕變性和抗冷流性得到較為顯著的改善,耐磨性能也會大大提高。但隨著玻璃纖維含量的提高,其拉伸強度、伸長率及韌性會逐漸下降;摩擦係數逐漸增大。
(3) 石墨。石墨可分為極性石墨、核石墨和油石墨三種。在聚四氟乙烯中填充前兩種較為有效,其用量一般為15 %～30%。石墨填充的聚四氟乙烯尺寸穩定性較好,並具有良好的耐化學藥品性、壓縮蠕變性和較佳的導熱性。

　　(4) 青銅粉。青銅粉單獨填充聚四氟乙烯用量為60%左右,也可以與碳纖維、玻璃纖維以及氧化鉛等混合使用。填充前,青銅粉需進行表麵氧化處理,以減少熱分解和著火的危險。青銅粉的加入提高了其抗蠕變性和耐壓性,增加了散熱性,特彆適用於發生摩擦熱的場合。

　　(5)二硫化鉬。二硫化鉬的填充量較少,一般與其他填料一起使用,其含量一般為5%。二硫化鉬的加入可提高填充聚四氟乙烯的剛性、硬度,降低摩擦係數和磨耗量,改進耐蠕變性和電絕緣性,大量加入二硫化鉬能提高聚四氟乙烯的導熱性。

　　(6) 氮化硼。氮化硼可分為AP 型、GP型和中間型三種。主要采用GP 型填充PTFE。填充品級的耐磨性、耐蛻變性和耐化學藥品性好。

　　(7) 鋁粉。鋁粉應和青銅粉混合使用。鋁粉填充PTFE的*大特點是摩擦係數低。

　　(8)聚合物填劑。將一些聚合物填劑加到聚四氟乙烯中,可起到取長補短的效果。目前采用的聚合物主要有聚酰亞胺、聚苯脂和聚苯硫醚等。聚酰亞胺填充聚四氟乙烯,可降低填充聚四氟乙烯的摩擦係數,改進耐磨性,而且不易損傷對磨材料。聚苯脂填充聚四氟乙烯可以使其具有優良的自潤滑性、電絕緣性和耐藥品性,能大大改進聚四氟乙烯的壓縮強度、彎曲強度和耐磨耗性。聚苯硫醚填充後可使填充聚四氟乙烯具有優良的耐蠕變性和尺寸穩定性,對於對磨材料的磨耗也很小,聚苯硫醚還可提高玻璃纖維、碳纖維等無機填料與填充聚四氟乙烯的粘附性,並提高其機械性能、硬度和耐磨耗性。聚苯硫醚的用量一般為20%～40 %。

　　由於上述這些填料對於改性聚四氟乙烯性能有著各自的特點,在實際應用中常常根據工況條件的需要,將這些填料按照一定的比例共同填充於聚四氟乙烯中,製得綜合性能良好、滿足實際工況的聚四氟乙烯密封材料。例如:利用8 %～10 %的玻璃纖維、3 %～5 %的二硫化鉬和85 %～90%聚四氟乙烯製成的改性聚四氟乙烯具有優異的耐高低溫、自潤滑性,具有高度的化學穩定性、小的透氣性和良好的力學性能,被廣泛用作汽車工業和機械工業的特殊工況下的密封元件,可以製成O形、Y形、U 形、L 形、J 形等各種形式的密封圈,可以在30～40MPa 的條件下使用。

共混改性

　　PTFE的共混改性與填充改性基本原理相同,但在共混改性中,通常PTFE僅作為填加劑使用,一般多指與其他有機聚合物共混,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體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) 、尼龍66(PJ 16)等。改性後的工程塑料既保持了其原有特性,特彆是加工性能,又能改善其耐磨性,提高臨界PV 值; PTFE改性的橡膠主要是矽橡膠、氟橡膠。改性後的橡膠其耐磨性大大提高。在一些合成橡膠及其塗料中, PTFE的共混將大大提高橡膠的化學穩定性、耐油性和耐溶劑性。

膨脹聚四氟乙烯密封材料

　　膨脹聚四氟乙烯密封材料,是采用獨特的加工工藝製造而成的一種低密度連續性純白色聚四氟乙烯製品,它改變了普通聚四氟乙烯密封材料存在的過硬、恢複性差、熱膨脹係數大、易蠕變等缺點。經特殊處理,聚四氟乙烯有了高度的柔韌性、可壓縮性、優異的抗酸、堿耐腐蝕性、不老化、耐蠕變性、自潤滑性好、低摩擦係數和很高的抗張強度等特點,從形式上徹底改變了傳統的靜密封使用方式,現場可隨意變更成任何直徑、任何截麵積的墊片和閥函填料,無需提前加工和製作,擺脫了固有形式和預先設計及大量庫存的模式。操作方便、易行、快捷、隨意性強。該密封材料的出現,解決了工程應用中不可回避的難題,尤其在檢修、替換、現場施工、高空管路、應急事件中具有重要的作用。其性能特彆適合在化工、石化、石油、天然氣開發輸送、*藥等具有大量管道、塔類、容器、換熱、蒸發、濃縮、洗滌、非金屬類的裝置中使用。膨脹聚四氟乙烯密封材料可在-218～320 ℃的溫度範圍內**使用,使用壓力可達20MPa ,可適用p H 值0～14的環境,它不受絕大多數化學物質腐蝕(除熔融堿金屬和遊離氟原子以外),適用介質可為酸、堿、油類等腐蝕或非腐蝕性的無極及有機介質。可用於生物、化工、食品、釀酒、製藥等行業。

納米聚四氟乙烯密封材料

　　聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物,分子量從14 萬到50萬,它是以碳原子為主乾,氟原子圍繞著主乾結合起來的流線型高分子化合物,是一種優良的固體潤滑材料。聚四氟乙烯分子的流線型結構和極低的分子內聚力使得分子間很容易相對滑動,因而顯示出極低的摩擦係數。作為21世紀主導技術之一的納米技術的應用已初見端倪,納米聚四氟乙烯密封材料的出現,為開發新型的密封材料提供了一種新的思路與方法。

聚四氟乙烯密封材料的應用領域

　　PTFE廣泛用於機械設備、電子電器、化工、建築、密封領域,具有一係列獨特的性能,是其他工程塑料所無法比擬的。它在國防科研和民用工業中占有重要的地位,尤其是在密封領域,由於PTFE摩擦係數低、自潤滑能力強,所以大量用於製造轉動軸油封、密封圈和盤根等。轉動軸用PTFE製造,能在260℃下長期使用。該種軸封不僅能耐各種介質,而且能在缺油或無油情況下工作。另外,泵軸、攪拌軸、活塞杆等傳動和滑動部位用PTFE製成的盤根和密封墊片也特彆有效 。PTFE還可用來製作內燃機氣缸蓋等的密封墊片,以及橋梁、管道、鋼結構屋架、大型金屬結構的支承滑塊等。

　　近年來,許多**國家用填充PTFE製造的滑動式組合密封,產品已係列化,如美國霞板公司研製的PTFE 複合密封件滿足了設備要求。據稱霞板公司的PTFE軸密封與“O”形圈相比,使用壽命提高9 倍,泄漏量為“O”形圈的1/ 10 ,甚至可實現無泄漏。西德Eusaktlyken公司正在生產軸徑不同(4～710mm) 的係列產品、美國的Par2ker 公司也有自己的係列產品。

　　除此之外, PTFE串聯式組合密封可用於戰鬥車輛的懸掛裝置。國外許多**戰鬥車輛都應用了PTFE 串聯組合密封,如美國的M1A1、英國的“挑戰者”號、(前) 蘇聯的T80等。使用這種串聯組合密封的新型懸掛裝置取代傳統的扭力杆懸掛,可提高戰車的作戰能力,改善乘員的乘車條件。所以,加強PTFE串聯組合密封的研究,對提高產品性能,增強國防力量具有重大的戰略意義。但是,目前的產品價格貴,如果科研工作者在開發產品的同時,立足國內的自然資源(如稀土)進行研究,適當降低成本,將會拓寬PTFE的應用領域。

結論

　　聚四氟乙烯是新型的密封材料,無毒、無味且具有很強的化學穩定性,能耐強酸、強堿、強氧化劑、油脂、酮、醚、醇等腐蝕,在流體密封領域得到廣泛應用。純聚四氟乙烯耐熱差、蠕變大,會發生“冷流現象”,影響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製成改性的聚四氟乙烯,一方麵有效地改進了它的密封性能,同時也降低了成本。經特殊處理的膨脹聚四氟乙烯,進一步改進了聚四氟乙烯密封性能,改變了傳統的靜密封使用方式,現場可隨意變形,無需提前加工和製作,從而得到廣泛的應用。納米聚四氟乙烯材料作為一種新型材料,具有廣闊的發展前景。但聚四氟乙烯作為一種新型的密封材料,應用還不久,許多方麵還不夠成熟,其密封性能還有待進一步提高。加強改性聚四氟乙烯、膨脹聚四氟乙烯和納米聚四氟乙烯的研究,對提高機械與設備運行的穩定性和**性,降低事故的發生率,促進密封技術的發展,保護環境,發展經濟都具有十分重要的作用和意義。