PTFE 具有許多優(yōu)越性能,有著廣泛的用途。但PTFE的線膨脹系數(shù)較大,在連續(xù)載荷作用下易發(fā)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(fā)生冷流現(xiàn)象,這種冷流現(xiàn)象是目前限制其更為廣泛應用的主要原因之一。近年來國內(nèi)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(fā)展是其應用領域迅速擴大的關鍵,半個世紀以來已發(fā)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、螺桿擠出成形、等壓成形、液壓成形、浸漬成形、層壓成形、熱壓成形、復合噴涂、二次成形、焊接、車削,以及近年來德國Hoechst公司開發(fā)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

　　盡管聚四氟乙烯性能優(yōu)良,但其壓縮回彈性較差、蠕變大及“冷流現(xiàn)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復合,利用復合材料的特性,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:表面處理改性、填充改性、共混改性等。

表面處理改性

　　PTFE極低的表面活化性和不粘性限制了它與其它材料的復合。對PTFE 材料進行表面改性即要提高表面活化性,常用的PTFE 表面改性技術有以下3種:

(1) 表面活化技術

　　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,提高其表面的自由能,改善其濕潤性和粘接性,使其表面形成可膠接的表面活化層;

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

　　3) 電暈放電活化法。PTFE在一定氣氛中經(jīng)過適當時間的電暈處理,可在其表面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(jīng)過一定時間的處理后,在其表面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面活化性。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) 化學腐蝕表面改性

　　PTFE經(jīng)一些化學藥劑對其表面進行腐蝕也可達到改性的目的,常用的表面腐蝕劑如下:

　　1) 金屬鈉的氨溶液。PTFE經(jīng)一定濃度的該溶液處理后,可使其接觸角從108°降為52°,從而可用環(huán)氧粘結(jié)劑與其他材料復合;

　　2) 鈉萘四氫呋喃溶液。將PTFE經(jīng)一定濃度的鈉、萘、四氫呋喃溶液處理即可達到表面改性目的。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) 表面沉積改性

　　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表面,從而增大其潤濕角,達到改善其表面活化性的目的。上述的一些方法主要適用于PTFE薄膜的表面改性。這些方法各有優(yōu)缺點,合理應用或?qū)ふ倚碌谋砻婊罨幚矸椒ㄊ菙U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制成填充聚四氟乙烯,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系數(shù)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;摩擦系數(shù)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(wěn)定性較好,并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,青銅粉需進行表面氧化處理,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,特別適用于發(fā)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,降低摩擦系數(shù)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*大特點是摩擦系數(shù)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系數(shù),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(yōu)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。聚苯硫醚填充后可使填充聚四氟乙烯具有優(yōu)良的耐蠕變性和尺寸穩(wěn)定性,對于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,并提高其機械性能、硬度和耐磨耗性。聚苯硫醚的用量一般為20%～40 %。

　　由于上述這些填料對于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(jù)工況條件的需要,將這些填料按照一定的比例共同填充于聚四氟乙烯中,制得綜合性能良好、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%聚四氟乙烯制成的改性聚四氟乙烯具有優(yōu)異的耐高低溫、自潤滑性,具有高度的化學穩(wěn)定性、小的透氣性和良好的力學性能,被廣泛用作汽車工業(yè)和機械工業(yè)的特殊工況下的密封元件,可以制成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。改性后的工程塑料既保持了其原有特性,特別是加工性能,又能改善其耐磨性,提高臨界PV 值; PTFE改性的橡膠主要是硅橡膠、氟橡膠。改性后的橡膠其耐磨性大大提高。在一些合成橡膠及其涂料中, PTFE的共混將大大提高橡膠的化學穩(wěn)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制造而成的一種低密度連續(xù)性純白色聚四氟乙烯制品,它改變了普通聚四氟乙烯密封材料存在的過硬、恢復性差、熱膨脹系數(shù)大、易蠕變等缺點。經(jīng)特殊處理,聚四氟乙烯有了高度的柔韌性、可壓縮性、優(yōu)異的抗酸、堿耐腐蝕性、不老化、耐蠕變性、自潤滑性好、低摩擦系數(shù)和很高的抗張強度等特點,從形式上徹底改變了傳統(tǒng)的靜密封使用方式,現(xiàn)場可隨意變更成任何直徑、任何截面積的墊片和閥函填料,無需提前加工和制作,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(xiàn),解決了工程應用中不可回避的難題,尤其在檢修、替換、現(xiàn)場施工、高空管路、應急事件中具有重要的作用。其性能特別適合在化工、石化、石油、天然氣開發(fā)輸送、*藥等具有大量管道、塔類、容器、換熱、蒸發(fā)、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 ℃的溫度范圍內(nèi)**使用,使用壓力可達20MPa ,可適用p H 值0～14的環(huán)境,它不受絕大多數(shù)化學物質(zhì)腐蝕(除熔融堿金屬和游離氟原子以外),適用介質(zhì)可為酸、堿、油類等腐蝕或非腐蝕性的無極及有機介質(zhì)。可用于生物、化工、食品、釀酒、制藥等行業(yè)。

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,它是以碳原子為主干,氟原子圍繞著主干結(jié)合起來的流線型高分子化合物,是一種優(yōu)良的固體潤滑材料。聚四氟乙烯分子的流線型結(jié)構(gòu)和極低的分子內(nèi)聚力使得分子間很容易相對滑動,因而顯示出極低的摩擦系數(shù)。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(xiàn),為開發(fā)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廣泛用于機械設備、電子電器、化工、建筑、密封領域,具有一系列獨特的性能,是其他工程塑料所無法比擬的。它在國防科研和民用工業(yè)中占有重要的地位,尤其是在密封領域,由于PTFE摩擦系數(shù)低、自潤滑能力強,所以大量用于制造轉(zhuǎn)動軸油封、密封圈和盤根等。轉(zhuǎn)動軸用PTFE制造,能在260℃下長期使用。該種軸封不僅能耐各種介質(zhì),而且能在缺油或無油情況下工作。另外,泵軸、攪拌軸、活塞桿等傳動和滑動部位用PTFE制成的盤根和密封墊片也特別有效 。PTFE還可用來制作內(nèi)燃機氣缸蓋等的密封墊片,以及橋梁、管道、鋼結(jié)構(gòu)屋架、大型金屬結(jié)構(gòu)的支承滑塊等。

　　近年來,許多**國家用填充PTFE制造的滑動式組合密封,產(chǎn)品已系列化,如美國霞板公司研制的PTFE 復合密封件滿足了設備要求。據(jù)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(xiàn)無泄漏。西德Eusaktlyken公司正在生產(chǎn)軸徑不同(4～710mm) 的系列產(chǎn)品、美國的Par2ker 公司也有自己的系列產(chǎn)品。

　　除此之外, PTFE串聯(lián)式組合密封可用于戰(zhàn)斗車輛的懸掛裝置。國外許多**戰(zhàn)斗車輛都應用了PTFE 串聯(lián)組合密封,如美國的M1A1、英國的“挑戰(zhàn)者”號、(前) 蘇聯(lián)的T80等。使用這種串聯(lián)組合密封的新型懸掛裝置取代傳統(tǒng)的扭力桿懸掛,可提高戰(zhàn)車的作戰(zhàn)能力,改善乘員的乘車條件。所以,加強PTFE串聯(lián)組合密封的研究,對提高產(chǎn)品性能,增強國防力量具有重大的戰(zhàn)略意義。但是,目前的產(chǎn)品價格貴,如果科研工作者在開發(fā)產(chǎn)品的同時,立足國內(nèi)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(jié)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(wěn)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(fā)生“冷流現(xiàn)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制成改性的聚四氟乙烯,一方面有效地改進了它的密封性能,同時也降低了成本。經(jīng)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(tǒng)的靜密封使用方式,現(xiàn)場可隨意變形,無需提前加工和制作,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(fā)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,許多方面還不夠成熟,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(wěn)定性和**性,降低事故的發(fā)生率,促進密封技術的發(fā)展,保護環(huán)境,發(fā)展經(jīng)濟都具有十分重要的作用和意義。