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聚四氟乙烯(PTFE)的性能与应用现状

2022-12-02 来源:铁氟龙管小姐姐 浏览数:1

聚四氟乙烯(Polytetrafluoro ethylene)缩写为PTFE,商品名称是“特氟隆”(Teflon),俗称“塑料王”。1938年,美国新泽西州杜邦研究实验室的R.S.Plunkett博士首先发明了聚四氟乙烯,1946年实现商品化。PTFE为四氟乙烯(TFE)单体的高结晶聚合物,白色,无毒,无味。其聚合物分子是由一(一CF2一CF2一)一结构单元重复连接而成,是目前各行业中应用最新型的工程塑料。

1、聚四氟乙烯的结构和特点

(1)在PTFE中,氟原子取代了聚乙烯中的氢原子,由于氟原子体积较大半径为(0.064nm),大于氢原子半径(0.028nm),且相邻大分子的氟原子的负电荷又相互排斥,使得C-C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,并形成一个紧密的完全“氟代”的保护层,这使其具有其他材料无法比拟的化学稳定性以及低的内聚能密度。

(2)C-C键的键能为372kJ/mol,C-F键的键能为347kJ/mol,是已知键能中较强的,因此分子内结合牢固,耐热性高,长期使用温度为-250℃~260℃,而C-C键的键长为1.54×1010m,C-F键的键长为1.41×1010m,又是常见单键中较短的,所以化学性质稳定,很难和其他物质发生化学反应,显示出优异的耐候性、耐沾污性和耐化学品性。

(3)大分子主链上没有支链,整体内部形成交链,故其分子轮廓光滑,加之TFE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,所以PTFE具有极低的表面摩擦系数,且容易在滑动过程中转移到对偶面上形成薄的转移膜。

图一:聚四氟乙烯管 来源:丹凯

2、聚四氟乙烯的组成和结构决定其具有如下性能

2.1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、陶瓷、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。

2.2广泛地使用温度范围
PTFE可在-250~260℃的宽广区域内使用,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。

2.3突出的不粘性
PTFE是目前表面能最小的一种固体材料,表面张力仅0.019N/m,几乎所有的固体材料都不能粘附在其表面,只有表面张力在0.02N/m以下的液体才能完全浸润其表面。

2.4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。

2.5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。

2.6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。

2.7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。

图二:聚四氟乙烯管 来源:丹凯

3、聚四氟乙烯的应用
PTFE具有优异的高低温性能和化学稳定性,很好的电绝缘性、非粘附性、耐候性、不燃性和良好的润滑性,应用从航天领域到广泛的日用商品,成为现代科学技术、军工和民用中解决许多关键技术平不可或缺的材料。下面主要介绍PTFE在防腐减磨、密封、耐蚀、防粘、电气、建筑和医学上的应用。

3.1聚四氟乙烯在防腐减磨方面的应用
据发达国家的有关统计,在当今工业化国家中每年由腐蚀而造成的经济损失约占国民经济总产值4%。化工生产上的事故有相当数量是由于设备腐蚀,介质渗漏引发的化学反应所致。由此可见,由于腐蚀所造成的损失好危害问题严重,并引起了人们的广泛重视。PTFE材料克服了普通塑料、金属、石墨、陶瓷等耐腐蚀能力,柔韧性较差等缺点,以其卓越的耐高低温和耐腐蚀性能,可以在条件苛刻的温度、压力和介质等情况下使用,已经成为石油、化工、纺织等行业的主要耐腐蚀材料。

PTFE管主要用作腐蚀性气体、液体、蒸汽或化学药品的输送管、排气管。由PTFE分散树脂成型的推压管衬入钢管中形成衬里,或在PTFE推压内管外缠绕玻璃纤维增强,或在PTFE推压管外用钢丝编织缠绕增强后可在高压下传递液体介质,作为液压传动不可缺少的部件,并且可以大大提高在高温下的破裂强度同时具有良好的弯曲疲劳性。

因为PTFE材料的摩擦系数是已知固体材料中最低的,所以这就使填充PTFE材料成为机械设备零件无油润滑的最理想材料。例如造纸、纺织、食品等工业领域的设备加润滑油容易使产品受到污染,所以填充PTFE材料就解决了这一难题。另外,实验证明,机油中添加一定数量的固体添加剂可有效地节约发动机燃料油5%左右。

图三:聚四氟乙烯管 来源:丹凯

3.2聚四氟乙烯的耐腐蚀密封材料
PTFE在化工中的另一大应用是密封材料。由于聚四氟乙烯综合性能良好,是任何一种密封材料都不可比拟的,它可用于各种苛刻场合的密封,尤其是对于高温、耐腐蚀性要求较高时。

聚四氟乙烯生料带纤维长、强度高,而且塑性大、压延性好,施加较小的压紧力就可完全密封,操作应用方便,用在凹凸不平或结构精密的表面更显其高效,具有很好的密封性能并且可提高抗腐蚀能力,扩大其使用范围。

滑动部件的密封使用PTFE填料,可以获得良好的耐腐蚀稳定性,而且它具有一定压缩性回弹性、滑动时阻力小。填充PTFE密封材料使用温度范围广泛,是目前传统石棉垫片材料的主要替代物,更兼有高模量、高强度、抗蠕变、耐疲劳、以及导热率高、热膨胀系数和摩擦系数小等性能,加入不同的填充料更可扩大应用范围。

3.3聚四氟乙烯防粘性的应用
PTFE材料具有固体材料中最小的表面张力,不粘附任何物质,同时还具有耐高低温、无毒的优良特性,所以PTFE作为涂料常用作餐具的防粘内衬,主要用于不粘锅和微波炉的内胆。

在纺织行业中大量采用化学浆料进行纱的上浆,尤其当使用丁苯乳皎、酸甲基纤维素、聚醋酸乙烯等粘性非常强的为浆料时,会发生严重的粘辊现象,此时需要清除粘包才能进行继续生产,这不仅增加了劳动量,生产效率低,并且影响产品质量,采用PTFE粘包辊筒后,防粘作用效果显著,同理它还可以应用于各种塑料包装封口机械。

3.4电气方面的应用
PTFE固有的低损耗与介电常数使其成为电线和电缆的理想绝缘材料。PTFE用作电线包覆层的理由:具有优良的电学性能,它的体积电阻率可达1017Ω,表面电阻率大于1016Ω,在100%相对湿度下也保持不变;介电常数低达2.0,介电损耗正切约为2×10-4且均与温频率无关;耐热性好,在260℃下长期使用,绝缘性好,可以达到H级以上;具有强韧性和可挠曲性,即使低至-90℃韧性依然没影响;耐老化,耐气候性优良,高度的化学稳定性;具有不燃和低发烟性。用其制成的印刷线路基板在航空航天领域已有广泛应用,所以PTFE制品特别适用于电信、计算机、测试与测量、国防等诸多高性能、高挑战性的领域。

3.5建筑方面的应用
随着国内外经济的发展,许多文化娱乐设施在建造中纷纷把它作为顶蓬材料,这在国外早已大量采用,采用这种材料的第一个建筑物在70年代建于美国加利福尼亚州。近两年来国内也开始使用,如:上海八万人体育场、虹口体育场的顶蓬,东方明珠塔,北京奥运鸟巢等。PTFE作为建筑用膜材料耐用年数在20年以上(现在通用的高装饰性、高耐候性的丙烯酸聚氨酯涂料、丙烯酸有机硅涂料和有机硅涂料,其耐用年数一般在5~10年,有机硅聚酯涂料最高也只有10~15年);而且其自洁性好,不吸附灰尘和脏物,雨水可冲刷掉表面的附着物,可降低涂装清扫费用,所以适合于高洁净性要求的场合。

3.6医疗卫生方面的应用
近代医疗方面广泛使用各种各样的聚合物制品,大大排挤和替代了金属及其他材料在医疗领域的应用。这些制品不仅用于人体及与人体内组织相接触,也用于医疗领域的各种设备。近年来聚合物PTFE具有良好的柔韧性和生物相容性,正逐渐成为生物功能材料的重要组成部分。

PTFE表面张力小、不亲水、生物相容性好,可以用于人造血管,此种人造血管壁内表面势能的增加会促使内皮细胞的沉降和凝结,这是微孔PTFE制品表面能的改变导致周围组织明显的生物反应结果,利用此性能可以防止在移植物间隙中的血栓形成过程。利用膨体PTFE和橡胶塑料薄膜组成胃镜钳导管,由于其可随意弯曲变形,与人体接触无异物反应,用于对人体胃进行即时取样、取异物、息肉摘除等,能做到操作自如,使病人免受不必要的痛苦。

另外聚PTFE在医学上可制成人工十字韧带、关节、食道和气管、尿道、胆汁管等。还可用于整形、骨组织替代、促进骨折愈合,皮肤或器官移植、牙周组织再生等。

3.7其他方面的应用
PTFE还具有很多方面的应用,如利用其膜具有多孔性,作为过滤材料可以有选择地透过气体或液体,用于气液分离、气气分离及液液分离的过滤膜;在其中加入导电炭黑压还可制作发热体,如电热毯的中间发热层等。

4、结语
随着材料应用技术的不断发展,近几年国外对PTFE及其改性材料应用研究,已使其成为一种十分成熟的材料,我国虽已有一定发展,但在改性研究和加工成型工艺方面与国外的差距还很大。聚四氟乙烯在多方面具有优异的性能,是其它材料不可比拟的,应用领域十分广阔。

 

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