聚四氟乙烯加工技術(shù)、填充改性及應(yīng)用進展

廖 立

聚四氟乙烯加工技術(shù)、填充改性及應(yīng)用進展

廖 立

（浙江安諾芳胺化學品有限公司，浙江 上虞 312369）

選擇聚四氟乙烯(PTFE)為論述對象，概述了聚四氟乙烯的特性和相關(guān)的成型加工技術(shù)，綜述了目前聚四氟乙烯材料的主要填充改性方法，并簡述了聚四氟乙烯材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后還對聚四氟乙烯材料的發(fā)展方向及其應(yīng)用前景進行了展望。

聚四氟乙烯；加工；改性；應(yīng)用

聚四氟乙烯(PTFE)為四氟乙烯單體經(jīng)自由基聚合而生成的高結(jié)晶聚合物，享有“塑料王”之美譽。自1938年P(guān)lankett博士發(fā)明PTFE后，經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，PTFE已成為目前產(chǎn)量最大的氟樹脂[1]。由于該樹脂無色、無毒、且具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，極強的耐高低溫性能，較好的非粘附性、自潤滑性和低溫延展性，耐老化性和高度絕緣性等性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、機械電子、建筑和輕紡等諸多領(lǐng)域[2-5]。但因機械性能較差、線膨脹系數(shù)較大，尺寸穩(wěn)定性差，熱導率低，耐蠕變性差，易冷流，耐磨損性差、硬度低，成型和二次加工困難等缺陷，使其實用化和功能化應(yīng)用受到限制。本文選擇聚四氟乙烯為對象，就PTFE 的特性、成型加工技術(shù)、填充改性方法及應(yīng)用進行闡述。

1 聚四氟乙烯成型加工技術(shù)

由于PTFE的特殊分子結(jié)構(gòu)特征，使其具有極高的熔融粘度(380 ℃時熔融粘度為1×1010Pa·s)、剪切敏感(易產(chǎn)生熔體破裂)、大的收縮性蠕變性以及低的摩擦因數(shù)(是金屬及所有塑料中摩擦因數(shù)最低的)等成型特殊性，難以采用常規(guī)的熔融擠壓、注射成型等普通熱塑性塑料成型方法來進行加工[6]。

基于PTFE的特殊成型加工性，經(jīng)過幾十多年的發(fā)展，人們摸索和發(fā)明諸多PTFE的各種特殊加工方法，主要有燒結(jié)成型、推壓成型、模壓成型、壓延成型、液壓成型、柱塞擠出成型、螺桿擠出成型、注射成型、浸漬成型、復(fù)合噴涂成型、二次加工成型、冷拉伸-熱收縮成型以及近年出現(xiàn)的超臨界CO2輔助擠出成型等[7]。

2 PTFE的填充改性方法

在PTFE中加入不同的填料，在保持其原有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，可以克服PTFE的缺陷，改善其綜合性能。目前用于PTFE復(fù)合材料所用填料品種很多，大致可分為金屬、金屬氧化物及硫化物、無機物、有機物和納米粒子等。

2.1 金屬填充PTFE

金屬的加入能很大程度改善 PTFE的機械性能、摩擦性能和尺寸穩(wěn)定性[8]。通常采用銅、鐵、鉛和銀等金屬粉末來填充改性 PTFE，尤其以銅及合金最為常用。

張招柱等[9]研究了金屬Cu、Pb及Ni對PTFE的摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明，金屬的加入大大改善了PTFE復(fù)合材料的耐磨性。

2.2 金屬氧化物及硫化物填充

PTFE金屬氧化物的加入可以提高 PTFE復(fù)合材料的承載能力，還可以改善轉(zhuǎn)移膜在對偶件表面的附著力，減少摩擦系數(shù)，大幅度降低PTFE復(fù)合材料的磨損率。

李飛[10]等研究了不同含量納米氧化鋅(ZnO)填充的PTFE基復(fù)合材料的摩擦學性能。結(jié)果表明，ZnO/PTFE復(fù)合材料的摩擦性能與純PTFE基本相當，但耐磨性明顯優(yōu)于后者。

2.3 無機物填充PTFE無機填料

作為PTFE填料的研究比較活躍。其中石墨、二硫化鉬(MoS2)、氮化硼、碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)在工業(yè)上應(yīng)用較多。

龔俊[11]等對聚四氟乙烯(PTFE)及石墨和 MoS2填充PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能進行了實驗。結(jié)果表明，填加了石墨和MoS2的PTFE，摩擦因數(shù)降低，耐磨性提高。萬芳新[12]等以碳纖維為填料制備 CF/PTFE復(fù)合材料，結(jié)果表明碳纖維能提高PTFE的硬度，耐磨性能明顯優(yōu)于純PTFE。

2.4 有機物填充PTFE

有機物的填充能進一步改善 PTFE的機械性能、摩擦性能和耐熱性能。目前用來填充PTFE的有機材料主要有聚苯酯、液晶聚合物、聚醚醚酮、聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚芳砜和聚甲醛等。

賀曄紅[13]等采用共混-冷壓-燒結(jié)工藝制備了聚苯酯填充聚四氟乙烯復(fù)合材料。結(jié)果表明隨著POB含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強度和斷裂伸長率降低，摩擦因數(shù)增大，磨損率下降。L David[14]研究了PEEK填充改性PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能。結(jié)果表明，PEEK的加入改善了復(fù)合材料的摩擦學性能。楊文娟[15]等研究了不同聚酰亞胺含量的聚四氟乙烯基自潤滑復(fù)合材料的摩擦磨損性能。研究表明：PI的加入能顯著提高復(fù)合材料的減摩性能，且隨著含量的增加效果更加明顯，但其抗磨損作用并不明顯。

2.5 納米粒子填充PTFE

納米粒子填充改性 PTFE，可有效增加 PTFE材料的剛度和強度，改善磨損性能。目前可用填充PTFE的納米粒子主要有納米 CNTs、SiC、ZnO、Al2O3和SiO2等。

曲建俊[16]等研究了不同含量碳納米管改性聚四氟乙烯復(fù)合材料的力學性能和摩擦磨損性能。結(jié)果表明，CNTs能夠提高PTFE復(fù)合材料的硬度和沖擊強度，增加復(fù)合材料的摩擦系數(shù)、降低其磨損量，當其質(zhì)量分數(shù)為10%時，耐磨損性能最佳。路琴[17]等通過冷壓燒結(jié)法制備了碳化硅/聚四氟乙烯納米復(fù)合材料。結(jié)果表明，納米SiC的加入能提高PTFE復(fù)合材料的硬度和耐磨性。Sawyer W G[18]等用粒徑40 nm 的Al2O3顆粒填充PTFE，當Al2O3質(zhì)量分數(shù)為20%時，耐磨性比純PTFE增強600倍。

2.6 填料復(fù)合填充PTFE

王家序[19]等提出石墨與適量的硬質(zhì)填料協(xié)同作用，對PTFE 的改性具有較理想的效果。結(jié)果表明，當石墨和玻璃纖維用量分別為10%和5%時，復(fù)合材料綜合性能較好。Jaydeep K[20]等研究表明，當PTFE中加入20%的玻璃纖維和5%的二硫化鉬時，復(fù)合材料具有較好的抗磨性能。

3 PTFE的應(yīng)用

聚四氟乙烯具有諸多杰出的優(yōu)良綜合性能，被廣泛用作耐腐蝕材料、密封材料、醫(yī)用材料和防粘涂層等。

3.1 聚四氟乙烯在防腐方面的應(yīng)用

聚四氟乙烯具有卓越的耐高低溫和耐腐蝕性能，成為原子能、石油化工和紡織工業(yè)等行業(yè)主要的耐腐蝕性材料[21-22]。例如，PTFE輸送管和排氣管可用來輸送腐蝕性液體和氣體；PTFE軟管、高壓容器、閥門和伸縮接頭等制件可滿足強腐蝕和低溫等苛刻的工作條件。

3.2 聚四氟乙烯在密封方面的應(yīng)用

CF/PTFE密封材料具有高強、高模、耐疲勞、抗蠕變及導熱率高、熱膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù)小諸多優(yōu)異綜合性能，是一種極其理想的高級密封材料[23-24]。膨體聚四氟乙烯密封帶具有較好的柔韌性、壓縮回彈性、耐蠕變性、耐高低溫性及優(yōu)異的耐腐蝕性和自潤滑性，應(yīng)用于各種襯里及法蘭面的密封，性能卓越。此外，填充PTFE制成的密封環(huán)具有潤滑油腔、低摩擦力小、耐磨損和尺寸穩(wěn)定好等優(yōu)點，可用于高壓及高速條件下工作的軸，桿和旋轉(zhuǎn)接頭等部位的動密封。

3.3 聚四氟乙烯在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用

聚合物制品廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的各種設(shè)備和相關(guān)生物相容材料[25-27]。膨體聚四氟乙烯材料具有優(yōu)良的機械性能、穩(wěn)定性和極佳的生物相容性，在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用越來越廣泛。包括用于軟組織再生的人造血管和補片以及用于血管、心臟、普通外科和整形外科的手術(shù)縫合等。此外，膨體聚四氟乙烯和橡膠塑料薄膜組成胃鏡鉗導管，與人體接觸無異物反應(yīng)，可對人體胃進行即時取樣、取異物和息肉摘除等。

3.4 聚四氟乙烯在其它方面的應(yīng)用

聚四氟乙烯材料可以作為造紙、食品和紡織領(lǐng)域的機械設(shè)備零件無油潤滑的最理想材料。PTFE可用作不粘鍋和微波爐的內(nèi)膽。此外，作為一種極佳的絕緣材料，PTFE在電信、計算機、測試與測量、國防、航空與航天市場等諸多高性能、高挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

作為一種特種工程塑料，聚四氟乙烯發(fā)揮著越來越重要的作用。填充改性使聚四氟乙烯的性能不斷得到改善，應(yīng)用范圍越來越廣泛。目前國內(nèi)在PTFE改性技術(shù)、加工成型和制品質(zhì)量方面與國外尚有很大差距。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加強與相關(guān)高等院校及科研機構(gòu)的合作，在完善PTFE生產(chǎn)技術(shù)同時，繼續(xù)改進PTFE復(fù)合材料相關(guān)性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快對PTFE原料檔次、加工技術(shù)、填料及從摩擦學領(lǐng)域的進一步研究；加快開發(fā)新型高效的 PTFE改性材料新品種，使其商品化、系列化和高性能化，以此促進我國PTFE產(chǎn)業(yè)內(nèi)涵提升，保證我國PTFE工業(yè)健康、穩(wěn)定、快速發(fā)展。

[1] 錢知勉. 塑料性能應(yīng)用手冊[M].上海:上海科學技術(shù)文獻出版社,1988:285-286.

[2] V. N. Aderikha, V. A. Shapovalov. Effect of filler surfac-e properties on structure, mechanical and tribological behavior of PTFE-carbon black composites[J].2010, 268(11-12):1455-1464.

[3] 丁美平, 唐玉生, 黨婧,等. BaSO4填充改性 PTFE復(fù)合材料的制備研究[J]. 高分子材料科學與工程, 2009, 25(3):130-133.

[4] G. Y. Xie, G. S. Zhuang, G. X. Sui, et al., Tribological behavior of PEEK/PTFE composites reinforced with potassium titanate whiskers[J]. Wear, 2010, 268(3-4):424-430.

[5] 崔小明. 工程塑料聚四氟乙烯改性研究進展[J]. 有機氟工業(yè),2009, 3:52-58.

[6] 王萍. 聚四氟乙烯的燒結(jié)工藝技術(shù)[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2001,29(3):19-21.

[7] 杜小剛, 劉亞青. 聚四氟乙烯的加工成型方法[J]. 絕緣材料，2007, 40(3):67-69.

[8] 鄧艷文,張小平,楊波. 聚四氟乙烯復(fù)合材料填充改性研究進展[J].化工新型材料, 2005, 33(6):52-54.

[9] 張招柱, 薛群基, 沈維長，等. 金屬填充PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究[J]. 高分子材料科學與工程, 1999, 15(1):68-72.

[10] 李飛, 閻逢元. 納米ZnO填充的PTFE基復(fù)合材料摩擦學性能研究[J]. 潤滑與密封, 2000, 6: 37-39.

[11] 龔俊, 付士軍, 郭精義，等. 聚四氟乙烯及其石墨和MoS2填充復(fù)合材料的摩擦學性能研究[J]. 潤滑與密封, 2006, 12: 146-148.

[12] 萬芳新, 何春霞, 黃曉鵬. 碳纖維填充 PTFE復(fù)合材料摩擦磨損性能研究[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學學報, 2009, 44(2):157-160.

[13] 賀曄紅, 楊堅, 王鴻靈，等. 聚苯酯填充聚四氟乙烯復(fù)合材料的力學及摩擦學性能研究[J]. 潤滑與密封, 2009, 11:83-86.

[14] David L. Burrisa, W. Gregory Sawyer. A low friction and ultra low wear rate PEEK/PTFE composite[J]. Wear, 2006,261(3-4):410-418.

[15] 楊文娟, 馬少波, 解挺. 聚酰亞胺對聚四氟乙烯基自潤滑復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響[J]. 軸承, 2009, 3:26-29.

[16] 曲建俊, 李顯凌, 宋寶玉. 碳納米管改性聚四氟乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能研究[J]. 摩擦學學報, 2005, 25(4): 333-337.

[17] 路琴, 楊明, 何春霞. 偶聯(lián)修飾納米碳化硅/聚四氟乙烯基復(fù)合材料的摩擦磨損性能[J]. 塑料, 2008, 37(4): 26-28；93.

[18] Sawyer W G, Kevin D F, Praveen B. A study on the friction and wear behavior of PTFE filled with alumina nanoparticles[J]. Wear, 2003, 254(5-6):573-580.

[19] 王家序, 陳戰(zhàn), 秦大同，等. 填料對聚四氟乙烯工程塑料改性的影響[J]. 機械工程材料, 2002, 26(10):35-37.

[20] Jaydeep Khedkar, Ioan Negulescu, Efstathios I. Meletis.Sliding wear behavior of PTFE composites[J]. wear, 2002,252(526):361-369.

[21] 錢知勉. 聚四氟乙烯塑料的實用性[J]. 有機氟工業(yè), 2003,1:10-14.

[22] 馬雙林, 馬文崢. 聚四氟乙烯防腐蝕產(chǎn)品簡述[J]. 化工裝備技術(shù), 1997, 18(4):52-54.

[23] 趙建卿. 可隨意成形的新型密封材料-膨脹聚四氟乙烯[J]. 化工新型材料, 1998, 26(1):41-42.

[24] 邱永福. 四氟乙烯在流體密封中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù),2005, 26(3):50-53.

[25] 穆煥文. 聚四氟乙烯在醫(yī)療方面的應(yīng)用[J]. 有機氟工業(yè), 2002,3:61-64.

[26] 葛穎. 膨體聚四氟乙烯應(yīng)用于隆鼻術(shù)的臨床效果[J]. 中華醫(yī)學美容雜志, 2000, 6(1):43-44.

[27] 元清. 含氟高分子材料聚四氟乙烯及其填充材料的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工, 2005, 4:21-24.

Advances in Processing Technology, Modification and Application of Polytetrafluoroethylene

LIAO Li
(Zhejiang Amino-Chem Co., Ltd., Zhejiang Shangyu 312369，China）

Features and processing technology of polytetrafluoroethylene(PTFE) were summarized. Filling modification methods of PTFE were reviewed in detail, and application status of PTFE was discussed. Additionally,application prospect and development trend of PTFE were put forward.

Polytetrafluoroethylene; Processing; Modification; Application

TQ 342+.711

A

1671-0460（2010）06-0723-03

2010-08-16

廖 立（1977-），男，重慶永川人，2001年畢業(yè)于石油大學機電工程學院化工機械專業(yè)，從事化工機械/設(shè)備的研制、調(diào)試與管理工作。E-mail：liaoli25@hotmail.com，電話：13757525197。