聚四氟乙烯管成型方法的研究

楊文光，陳佩民，孫克原

(南京肯特復(fù)合材料有限公司，江蘇 南京 210000)

聚四氟乙烯俗稱“塑料王”，是當(dāng)今世界上耐腐蝕性能最佳的塑料之一，除熔融金屬鈉和液氟外，能耐一切化學(xué)藥品、強(qiáng)酸強(qiáng)堿、各種有機(jī)溶劑等腐蝕，廣泛應(yīng)用于耐腐蝕工程中的密封材料和管道等。同時(shí)由于F－C鏈分子間作用力極低，使聚四氟乙烯成品表面具有高潤(rùn)滑不粘性，在固體材料中表現(xiàn)出張力最小、摩擦系數(shù)最低、不粘附任何物質(zhì)、電絕緣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是理想的C級(jí)絕緣材料。在較寬頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)和節(jié)電損耗都很低，而且擊穿電壓、體積電阻率和耐電弧性都較高，廣泛用作填料。目前各類聚四氟乙烯制品已在化工、機(jī)械、電子、電氣、軍工、航天、環(huán)保等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中起到了舉足輕重的作用[1]。

聚四氟乙烯制品常見的成型方法有:模壓法、推壓法、皮囊法、噴涂法、編織法、滾壓法等，但是聚四氟乙烯制品光靠模具等一次性加工是不能解決的，有的需要二次加工，如:熱壓復(fù)合、機(jī)械加工、焊接、粘接等，才可以制得最終產(chǎn)品[2]。聚四氟乙烯用作工程塑料，可制成聚四氟乙烯管、棒、帶、板、薄膜等，一般應(yīng)用于耐腐蝕性能要求較高的管道、容器、泵、閥門等中。例如內(nèi)襯聚四氟乙烯鋼管，通過采用普通鋼管作為基體，內(nèi)襯化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良的聚四氟乙烯管而成。內(nèi)襯聚四氟乙烯鋼管既具有鋼管的機(jī)械性能，又具有聚四氟乙烯管耐腐蝕性能、不易生長(zhǎng)微生物等特點(diǎn)，是輸送強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、工業(yè)鹽及有強(qiáng)烈腐蝕性氣體等介質(zhì)的理想管道[3]。

1 聚四氟乙烯管的研制

1.1 成型方法的選擇

隨著聚四氟乙烯技術(shù)的不斷成熟，PTFE管成型工藝有多種，如:推壓法、擠壓法、液壓法、焊接法、粘接法、纏繞法等。目前廣泛通用的有纏繞法和擠壓法成型。纏繞法雖然適用于各種不同形狀與尺寸的生產(chǎn)，但其缺點(diǎn)主要集中在影響制品的質(zhì)量因素太多，造成產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度低，產(chǎn)品因容易開裂而導(dǎo)致泄漏。采用擠壓法所制得的產(chǎn)品，雖然有的廠家所制得的產(chǎn)品強(qiáng)度好，質(zhì)量?jī)?yōu)異，但是擠壓成型法的缺點(diǎn)仍然普遍存在:(1)因擠出成型困難而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢率高，擠出的產(chǎn)品主要會(huì)出現(xiàn)密度小、強(qiáng)度低、厚度局限、寬度小、剛性差等缺陷。(2)設(shè)備、模具、輔機(jī)價(jià)格昂貴，模具安裝與拆卸困難，因而導(dǎo)致產(chǎn)品在加工尺寸上有一定的限度[4]。為了解決此類問題，很多技術(shù)也不斷的推成出新，如:粘接法、等壓法、模壓法、焊接法。其中用焊接法制備聚四氟乙烯管的方法有很多，如:熱板焊接、感應(yīng)焊接、摩擦焊接、超聲波焊接、高頻焊接、熱風(fēng)焊接等[5]，但是筆者發(fā)現(xiàn)這些焊接法的共同的缺點(diǎn)在于焊接后焊縫的強(qiáng)度太低，不足原來的50%，容易造成斷裂而泄漏，因此不能滿足工業(yè)要求。經(jīng)過多年的研究，南京肯特復(fù)合材料有限公司解決了焊縫處強(qiáng)度低的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了用雙向加壓焊接法制備聚四氟乙烯管，并使焊縫拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到原先的80%以上，滿足工業(yè)要求。目前此技術(shù)已得到應(yīng)用。

1.2 焊接原理

熱板焊接是最常見的塑料焊接技術(shù)，這種方法特別適用于需要大面積焊接面的大型塑料件的焊接，主要是通過平面電熱板將所需焊接的兩平面熔融軟化后迅速移去電熱板，然后將兩平面合并，加壓至冷卻。這種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)在于其裝置簡(jiǎn)單，工具移動(dòng)方便，操作方便，成本低，焊接制品的形狀設(shè)計(jì)相對(duì)來說比較容易，產(chǎn)品焊接尺寸范圍大。但弊端在于焊接時(shí)，焊接處PTFE熔體在垂直于對(duì)接縫并與PTFE板平行的方向上不能自由流動(dòng)，這樣PTFE板在融合過程中因受到限制而使得PTFE板焊縫處的體積可能會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)表面凹凸不平，從而使接縫(焊縫)處的力學(xué)性能不能滿足要求，焊縫不平整。筆者針對(duì)這種問題，通過不斷的研究和改進(jìn)，采用對(duì)兩塊PTFE板的對(duì)接區(qū)進(jìn)行加熱，同時(shí)再對(duì)PTFE板2進(jìn)行雙向加壓(焊接方法如圖1所示)，這樣焊接處的PTFE熔體在加熱并承受雙向壓力的條件下能夠在垂直于對(duì)接縫并與PTFE板1平行的方向上自由流動(dòng)，從而解決了焊縫處表面凹凸不平的問題，使得焊接后焊縫拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率不低于原PTEE板的80%，并且焊縫平整，非常好地解決了PTFE板1與PTFE板2之間的焊接問題，完全滿足化工、環(huán)保工程、給排水等方面的使用要求。

圖1 雙向加壓焊接方法

1.3 焊接中的創(chuàng)新裝置

圖2 普通焊接方法

普通的加壓裝置不能使焊接處的PTFE熔體在垂直于對(duì)接縫并與PTFE板1平行的方向上自由流動(dòng)(如圖2所示)，而采用新型加壓裝置(如圖3所示)，則能使焊接處的PTFE熔體在承受平行于對(duì)接縫的壓力條件下，同時(shí)保證PTFE熔體在垂直于對(duì)接縫并與PTFE板1平行的方向上自由流動(dòng)。

圖3 加壓裝置

圖3中，懸掛配重的繩索經(jīng)過滑輪與夾緊裝置相連，配重使得被夾緊的PTFE板2沿垂直于對(duì)接縫并與PTFE板1平行的方向上壓緊另一塊固定的PTFE板1。由于夾緊裝置或被夾緊的PTFE板2可以相對(duì)于PTFE板1來回移動(dòng)(滑動(dòng))，所以兩塊PTFE板之間的PTFE熔體如果體積增大，則被夾緊的PTFE板2就可通過人工移動(dòng)而遠(yuǎn)離PTFE板1;兩塊PTFE板之間的PTFE熔體如果體積減小，則被夾緊的PTFE板2就可通過人工移動(dòng)而靠近PTFE板1。這樣就實(shí)現(xiàn)了PTFE熔體的自由流動(dòng)。同時(shí)，配重又使得被夾緊的PTFE板2對(duì)PTFE板1產(chǎn)生一定的壓力，使得對(duì)接區(qū)受壓，從而使得PTFE熔體承受一定的壓力。另外，這種加壓方法還有一個(gè)好處，就是壓力大小容易控制。在焊接試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果在PTFE熔體處設(shè)置壓力傳感器來檢測(cè)熔體的壓力，壓力傳感器始終不能準(zhǔn)確地檢測(cè)出PTFE熔體的壓力(有很大的偏差)，這可能是因?yàn)镻TFE熔體是一個(gè)逐漸熔融、狀態(tài)不斷變化的過程。所以通過設(shè)置壓力傳感器來檢測(cè)PTFE熔體的壓力，再通過檢測(cè)到的壓力數(shù)值來不斷調(diào)整壓力并進(jìn)行焊接試驗(yàn)，然而試驗(yàn)總是以失敗(拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率不得低于原PTEE板物理力學(xué)性能的50%)告終。而采用雙向加壓焊接方法，可使焊接處的PTFE熔體在垂直于對(duì)接縫并與PTFE板平行的方向上承受一定的壓力，很容易實(shí)現(xiàn)壓力大小控制，還可保證PTFE熔體在垂直于對(duì)接縫并與PTFE板平行的方向上能夠自由流動(dòng)，PTFE熔體的融合過程不受限制，從而保證對(duì)接縫(焊縫)的力學(xué)性能滿足要求。

1.4 影響焊接質(zhì)量的因素與工藝流程

影響焊接質(zhì)量的主要因素有壓力、時(shí)間、熔融量，這是確保焊接質(zhì)量最重要的三要素。除了以上三要素，還有其他因素影響著焊接的質(zhì)量，如:焊接面的清潔、塑料本身的性質(zhì)、焊接操作規(guī)范等。

a.壓力。

要嚴(yán)格控制壓力的大小。在焊接過程中緩慢加壓，如果焊接處的PTFE熔體變薄，則應(yīng)給垂直于焊縫的PTEE板加壓;如果表面凸起，則應(yīng)給平行于焊縫的加熱板加壓。壓力要均勻，以促進(jìn)焊接處分子的相互擴(kuò)散并擠出焊縫中的空氣，達(dá)到密封效果。

b.時(shí)間。

要嚴(yán)格控制熱熔時(shí)間和冷卻時(shí)間。在加熱的過程中，時(shí)間不夠會(huì)出現(xiàn)虛焊，時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致焊縫變形，熔渣溢出，有時(shí)還會(huì)因?yàn)闊醾鲗?dǎo)的效應(yīng)使非焊接部位出現(xiàn)熱斑。所以冷卻時(shí)間要充足，才能保證焊縫達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

c.熔融量。

要實(shí)時(shí)觀察焊接處的熔融量，保證有足夠的熔融量，否則會(huì)因焊接時(shí)的熔融量不足而出現(xiàn)表面不平整，或出現(xiàn)裂紋，使強(qiáng)度不能滿足要求。

焊接工藝流程如圖4所示，在焊接過程中進(jìn)行修邊時(shí)要保證焊接縫處平整光滑，無毛刺，沒有雜質(zhì)，這樣才能保證足夠的焊接強(qiáng)度和密封性。裝夾前需用丙酮溶液清洗機(jī)架，以保證機(jī)身清潔而不會(huì)在焊接時(shí)粘到焊縫。

圖4 焊接工藝流程

1.5 性能測(cè)試

在焊縫處裁切拉伸樣條A(如圖5所示)，焊線在拉伸試條的中心位置，對(duì)試條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。同樣，在原PTFE板上制取相同規(guī)格的拉伸樣條B(如圖6所示)，再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。參照ASTM D－638板材對(duì)拉伸試條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，來判斷拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同型號(hào)PTFE板在不同焊接條件下的性能測(cè)試

圖5 拉伸樣條A

圖6 拉伸樣條B

由表1可以看出，在焊接過程中加熱區(qū)的壓力及溫度對(duì)焊接管的質(zhì)量(拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率)有很大的影響。

通過對(duì)型號(hào)為TFM1700的PTFE板進(jìn)行計(jì)算可得:

傳統(tǒng)的焊接方法缺點(diǎn):一是強(qiáng)度保留率≤50%;二是焊接后不平整。而采用本文所述的雙向加壓焊接方法后，可使焊縫拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率不低于原PTFE板物理力學(xué)性能的80%，并且外觀平整，無裂紋。

2 聚四氟乙烯管產(chǎn)品性能

通過采用雙向加壓焊接法制備的聚四氟乙烯管具有如下性能:

a.高度的化學(xué)穩(wěn)定性，能承受所有強(qiáng)酸，包括王水、氫氟酸、濃鹽酸、硝酸、有機(jī)酸等，以及強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑、還原劑和各種有機(jī)溶劑的作用。非常適用于各種高溫下腐蝕性氣體，并可用做液體輸送管道內(nèi)襯材料。

b.使用溫度范圍廣泛，可在－90℃ ～260℃的范圍內(nèi)使用。

c.機(jī)械性能優(yōu)良，壓力可達(dá)到2.5MPa，保壓可持續(xù)10min，無泄漏。焊接后的焊縫拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率不低于原PTFE板物理力學(xué)性能的80%。

d.突出的不粘性，抗粘性優(yōu)良，管內(nèi)壁不易粘附膠體及化學(xué)品。

e.優(yōu)良的耐老化和抗輻射性能 ，可長(zhǎng)期在室外使用。

f.極好的熱穩(wěn)定性，具有極可貴的不燃性，其限氧指數(shù)在95以上，在火焰上只能熔融，不生成液滴，最終只能被碳化。

g.優(yōu)良的電絕緣性能，具有良好的介電性能，電阻極大，介電常數(shù)為1.8～2.0，在所有電絕緣材料中是最小的，且溫度和頻率的變化對(duì)聚四氟乙烯管電絕緣性能基本沒有影響。

h.部分管透明度高，容易觀察內(nèi)部流體狀況。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)焊接原理的創(chuàng)新與加壓裝置的改進(jìn)，為聚四氟乙烯管的制備提供了新的思路，推動(dòng)了聚四氟乙烯焊接技術(shù)的進(jìn)步。在焊接過程中，如何采用遠(yuǎn)程控制取代人工觀察焊接處PTFE熔體的形狀，有效及時(shí)地控制焊接處PTFE熔體所受的壓力，是今后要進(jìn)一步研究的主要目標(biāo)。

[1] 錢知勉，包永忠.氟塑料加工與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 張靜政，王文亭.塑料焊接[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[3] 朱新生，楊恒喜.模壓聚四氟乙烯塑料襯里管件的研制與應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù)，1998(5):217－222.

[4] 張靜政.塑料焊接技術(shù)問答[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[5] 陶永亮.塑料焊接加工幾種方法[J].塑料制造，2011(12):75－79.