膨體聚四氟乙烯的性能與應(yīng)用現(xiàn)狀

楊俊秋 ，周飛 ，陳少艾 ， 武峰，田甜，王世山

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ,湖北武漢,430050）

（武漢市工程塑料有限公司,湖北武漢, 430050）

1 前言

聚四氟乙烯（Polytetrafluoro ethylene）縮寫(xiě)為PTFE,俗稱(chēng)“塑料王”（簡(jiǎn)稱(chēng)F4）。是一種結(jié)晶性的高分子化合物。化學(xué)穩(wěn)定性極高,即使在高溫下也不與強(qiáng)酸、強(qiáng)堿起作用，其穩(wěn)定性超過(guò)貴金屬,不受任何化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。PTFE分子是由-（-CF2-CF2-）-結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接聚合而成的高分子材料, 有密封性、高潤(rùn)滑不粘性、良好的電絕緣性和抗老化能力、耐溫優(yōu)異能在+250℃至-180℃的溫度下長(zhǎng)期工作，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、電器、通信、環(huán)保、橋梁、航天工業(yè)、新能源等領(lǐng)域。

膨體聚四氟乙烯（Expamded PTFE）縮寫(xiě)為e-PTFE，是將分散的PTFE樹(shù)脂經(jīng)一定的生產(chǎn)加工工藝膨脹為一種多孔、低密度且高韌性的材料。由于e-PTFE具有PTFE材料的優(yōu)良綜合性能，且使用溫度范圍更大，機(jī)械強(qiáng)度更高，并具有多孔性、透氣性、疏水性和極好的柔韌性等一些新特性，在醫(yī)療、環(huán)保、紡織服裝、石油、化工、新能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此外，將e-PTFE與特定的基布材料復(fù)合制備性能優(yōu)異的高分子復(fù)合材料,還可成功地應(yīng)用于節(jié)能減排、PM2.5顆粒物過(guò)濾、水凈化、人造器官等方面，目前e-PTFE引起越來(lái)越多的關(guān)注和重視。

2 e-PTFE的結(jié)構(gòu)與性能

2.1 PTFE分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PTFE的分子結(jié)構(gòu)式是:

聚四氟乙烯（PTFE）為四氟乙烯（TFE）單體的高結(jié)晶聚合物,其性狀白色、無(wú)毒、無(wú)臭，是目前工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中最為廣泛的工程塑料之一。PTFE分子具有穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，其中氟含量和極性的C-F鍵密度含量較高，聚合物鏈結(jié)構(gòu)不活潑，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極好，分子的特殊結(jié)構(gòu)決定了PTFE具有諸多優(yōu)越的性能。

2.2 PTFE的物化特性

PTFE具有優(yōu)異的耐溫性，其熔點(diǎn)為326℃，在+250℃至-180℃溫度范圍內(nèi)可以長(zhǎng)期使用，甚至瞬間可耐300℃高溫，而且即使溫度下降到-196℃，也可保持5%的伸長(zhǎng)率。PTFE優(yōu)異的耐溫性不愧為塑料之王的美譽(yù)。

PTFE還具有諸多優(yōu)異的物理性能，如高潤(rùn)滑性，其自潤(rùn)滑性能十分優(yōu)良，靜摩擦系數(shù)在各種塑料中是最小的；高耐磨性；非親水性，PEFE制成的薄膜不會(huì)滲水；優(yōu)良的電絕緣性，不受工作環(huán)境包括溫度和濕度的影響。PTFE除在高壓、高溫等苛刻條件下F元素和熔融狀態(tài)的堿金屬對(duì)其有侵蝕作用以外，大多數(shù)化學(xué)藥品和溶劑，表現(xiàn)出惰性、能耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、水和各種有機(jī)溶劑都不會(huì)對(duì)PTFE造成腐蝕。此外，PTFE的表面不粘性也相當(dāng)突出，但是PTFE熔體的粘度卻很高，該性質(zhì)限制了通過(guò)某些常用的熱塑加工方法對(duì)其加工及成型，只有通過(guò)專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)工藝及設(shè)備對(duì)其加工及成型。

2.3 e-PTFE的特點(diǎn)和性能

e-PTFE是將PTFE樹(shù)脂通過(guò)一定的生產(chǎn)加工工藝膨脹為一種多孔、低密度且高韌性的材料。所謂“膨化”，是一種加工方法，它是讓原料在加熱、加壓的情況下突然減壓而使之膨脹。美國(guó)化學(xué)研究員威爾伯特戈?duì)栐谒?972年的專(zhuān)利中使用了“膨化”這一詞，在其“膨化”的描述中，材料在加工后比重降低，這樣的微觀結(jié)構(gòu)被形容為“纖維的”。對(duì)于該項(xiàng)專(zhuān)利，威爾伯特戈?duì)柕某踔允巧a(chǎn)出一種便于使用的且保留PTFE優(yōu)異品質(zhì)的密封材料，但使用了較少的起始原料。在戈?duì)柕牡谝豁?xiàng)專(zhuān)利中介紹了通過(guò)擠出機(jī)來(lái)制作帶狀PTFE， 隨后轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在稱(chēng)之為膨體聚四氟乙烯（e-PTFE）的產(chǎn)品。其實(shí)早在1969年，戈?duì)柧桶l(fā)現(xiàn)了PTFE可制成多孔狀材料，而強(qiáng)度幾乎保持不變，且具有均一的截面形狀，他還發(fā)現(xiàn)，高溫下快速拉伸作用能生產(chǎn)出性能優(yōu)越的產(chǎn)品。1976年，戈?duì)柼岢鰧?duì)多孔狀的產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，但是減少對(duì)填料的需求，戈?duì)柦忉尲庸み^(guò)程中減少填料不僅可以使加工成本更低，而且可降低雜質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。戈?duì)栄芯堪l(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始聚合物的結(jié)晶度超過(guò)98%時(shí)，可大幅改善膨化工藝。戈?duì)柾ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單軸拉伸特別是在高比率擴(kuò)張下不但可增加膨化聚四氟乙烯的孔隙率，同時(shí)也可增加聚合物強(qiáng)度。在PTFE最低結(jié)晶熔點(diǎn)條件下拉伸，結(jié)晶的聚合物無(wú)序程度增加，使非晶態(tài)結(jié)構(gòu)含量增加。鎖定晶粒和纖維，增強(qiáng)抗蠕變性，結(jié)果是材料的強(qiáng)度得到提高。在戈?duì)栄芯康幕A(chǔ)上，研究人員現(xiàn)在可以用膨體材料制成薄膜，用于從其它的材料中分離出濕潤(rùn)性和非潤(rùn)濕性液體，包括腐蝕性的液體。與未膨化聚四氟乙烯相比，膨化聚四氟乙烯可以更容易與其它材料粘合，由此證明膨體材料耐熱性得到增強(qiáng)。

3 膨體聚四氟乙烯的應(yīng)用

隨著工業(yè)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，膨體聚四氟乙烯的應(yīng)用日益廣泛，擁有越來(lái)越光明的發(fā)展前景，從日常生活用品到高科技產(chǎn)業(yè)包括：軍工、航天等領(lǐng)域成為不可或缺的材料。本文主要介紹膨體聚四氟乙烯在濾料除塵、過(guò)濾PM2.5顆粒物、紡織服裝、水凈化、醫(yī)療領(lǐng)域等方面的應(yīng)用。

3.1 在濾料除塵方面的應(yīng)用

2013年底以來(lái)，環(huán)境保護(hù)部的數(shù)據(jù)顯示，已陸續(xù)有25個(gè)省份、100多座大中城市不同程度出現(xiàn)霧霾天氣，覆蓋了中國(guó)將近一半的國(guó)土，面對(duì)來(lái)勢(shì)洶洶的霧霾，各地紛紛拉響應(yīng)急響應(yīng)。包括高速封路，機(jī)場(chǎng)“停擺”，工地停工，學(xué)校停課，大氣污染已經(jīng)成為嚴(yán)重影響民眾正常生產(chǎn)生活和身體健康的重要民生問(wèn)題，采取有效措施治理大氣污染刻不容緩。專(zhuān)家分析稱(chēng)，空氣質(zhì)量達(dá)到重污染的狀況，首要污染物為細(xì)顆粒物（PM2.5）,天氣因素是觸發(fā)和加劇霧霾影響的直接因素，但根本因素是持續(xù)的污染物排放，主要大氣污染排放總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了環(huán)境容量。

PM2.5（particulate matter）含義為2.5μm及以下的人體可吸入肺的顆粒物，對(duì)人體有很大的危害現(xiàn)越來(lái)越為國(guó)內(nèi)外所關(guān)注。工業(yè)粉塵排放是大氣中PM2.5的主要來(lái)源之一，控制工業(yè)粉塵中PM2.5的排放對(duì)減少大氣污染、保障廣大民眾的健康具有實(shí)際意義。

作為治理粉塵污染主要設(shè)備的袋式除塵器是一種傳統(tǒng)、高效的過(guò)濾式除塵設(shè)備，而將膨體聚四氟乙烯膜應(yīng)用于袋式除塵器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型、高效的空氣過(guò)濾除塵技術(shù)，在防治煙塵和超細(xì)粉塵以及大氣污染等方面效果顯著。由膨體聚四氟乙烯膜制成的袋式除塵器是由兩種性能各異的材料經(jīng)特殊工藝加工而成，表層為膨體聚四氟乙烯，薄且致密、光滑又多微孔，主要起過(guò)濾作用，改變了傳統(tǒng)的過(guò)濾概念,被稱(chēng)為為薄膜表面過(guò)濾，底層濾料為傳統(tǒng)的濾料或采用純PTFE纖維做成的基布，基布主要起到支撐表面薄膜的作用，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。這種新型濾料與傳統(tǒng)濾料相比具有微孔孔徑更加均勻、穩(wěn)定性更好、運(yùn)行阻力更低、過(guò)濾效率更高等優(yōu)點(diǎn)，即使對(duì)于亞微米級(jí)粉塵，過(guò)濾效率仍超過(guò)99.9%。此外，膨體聚四氟乙烯濾料能在高濕條件下長(zhǎng)期工作，清灰處理也很容易。加之聚四氟乙烯本身具有極好的耐酸、堿腐蝕、 耐高溫、 耐高濕、耐油、 耐壓、耐水解和抗氧化的優(yōu)異特點(diǎn)，因而具有其它纖維膜所不可比的優(yōu)勢(shì)，在建材水泥行業(yè)爐窯和電站燃煤鍋爐、垃圾焚燒爐、除塵凈化、空氣過(guò)濾等的煙氣除塵特別是過(guò)濾PM2.5領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用

隨著科技的快速發(fā)展，功能性紡織品特別是聚四氟乙烯纖維織物日益受到企業(yè)的重視。聚四氟乙烯纖維織物是由聚四氟乙烯微孔薄膜經(jīng)裂膜、紡紗、織造而成的織物，具有強(qiáng)度高、耐久性好、防水透濕、防火難燃、不受紫外光線(xiàn)影響、自潔性好而且使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用到紡織服裝行業(yè)，并進(jìn)一步擴(kuò)展到醫(yī)療、建筑、國(guó)防、航天等領(lǐng)域。利用聚四氟乙烯薄膜生產(chǎn)的服裝，具有不透水、只透氣、防風(fēng)保暖、輕便等與一般服裝完全不同的特殊功效。人穿上這樣的衣服，當(dāng)人體散發(fā)水蒸汽時(shí)可以輕易散發(fā)，而穿著這種服裝的人在雨天行走卻可以防水，如消防服的使用就是一個(gè)很好的例子。

3.3 在水凈化處理方面的應(yīng)用

因PTFE材料結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)，不含活性基團(tuán)，結(jié)晶度高， 表面能低，表面不易潤(rùn)濕、疏水性很強(qiáng)，只有對(duì)這種薄膜經(jīng)特殊處理才能使其應(yīng)用范圍更加廣泛。隨著e-PEFE膜應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)外研究人員圍繞PEFE膜的表面改性已進(jìn)行了大量研究，通過(guò)等離子體處理、功能單體聚合、化學(xué)處理和濺涂等處理方法都能有效提高其濕潤(rùn)性和黏結(jié)性，以提高它的表面能，改善其親水性，與一般的e-PTFE微孔膜憎水性能不同，改性后的e-PTFE微孔膜可使水通過(guò)，而水中的微粒子懸浮物被分離，從而擴(kuò)大了其在水凈化、醫(yī)療、衛(wèi)生等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.4 在醫(yī)療領(lǐng)域方面的應(yīng)用

膨體聚四氟乙烯由于具有無(wú)毒、無(wú)致敏、無(wú)致癌等副作用可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、器械及組織填充材料等方面。膨體聚四氟乙烯具有特殊的微孔結(jié)構(gòu)，人體組織細(xì)胞、血管可在其微孔中生長(zhǎng)并形成組織連接，連接后的組織接近自體組織，這種組織生長(zhǎng)愈合的方式，從醫(yī)學(xué)角度來(lái)看比傳統(tǒng)的硅橡膠纖維包裹的組織愈合方式更為優(yōu)越。隨著技術(shù)的發(fā)展，膨體聚四氟乙烯已經(jīng)成為醫(yī)療上重要的填充物，是目前生物組織替代品最為理想的材料之一。

以鼻部整形應(yīng)用為例，首先根據(jù)鼻部具體特點(diǎn)，將膨體聚四氟乙烯雕刻成所需形狀，將其置于鼻部相應(yīng)部位構(gòu)建鼻部假體支架，從而改善鼻部形態(tài)，實(shí)踐標(biāo)明整形效果良好。特別在最為關(guān)鍵的鼻背部和鼻尖部，植入和人體組織相融性極佳的長(zhǎng)條體結(jié)構(gòu)膨體聚四氟乙烯，人體自身組織細(xì)胞長(zhǎng)入長(zhǎng)條體膨體聚四氟乙烯微孔內(nèi)部，而不會(huì)發(fā)生材料的移動(dòng)、破潰或排異等不良反應(yīng)，同時(shí)還可防止對(duì)光的反射作用，使整形后的面部形態(tài)更自然更逼真。以固體硅橡膠為基座以膨體聚四氟乙烯為基體的復(fù)合鼻假體，有一定的硬度便于切削和植入，制作時(shí)還可預(yù)制成特定形狀，使之更符合臨床的需求。目前該發(fā)明由于價(jià)格合理，符合一般人群的經(jīng)濟(jì)承受能力，更易被接受。

在心臟瓣膜手術(shù)中的應(yīng)用方面，研究者首先將片狀超微孔膨體聚四氟乙烯材料縫制在特定的彈性支架上做成人工合成的心臟瓣膜，測(cè)試結(jié)果表明：膨體聚四氟乙烯合成的人工二尖瓣在周期內(nèi)的循環(huán)中均能夠完全開(kāi)放與閉合，每個(gè)膨體聚四氟乙烯人工二尖瓣的腱索均處于張緊狀態(tài)，瓣膜大小瓣之間對(duì)合嚴(yán)密，無(wú)肉眼可見(jiàn)的隙縫，由此表明膨體聚四氟乙烯人工二尖瓣具有良好的流體力學(xué)特性及體外耐久性。

膨體聚四氟乙烯在人體其他部位的醫(yī)療應(yīng)用中也取得了相當(dāng)?shù)某晒ΑＯ轮o脈曲張是常見(jiàn)的人體外科多發(fā)病，據(jù)統(tǒng)計(jì)在靜脈性疾病中，原發(fā)性下肢深靜脈瓣膜功能不全約占55.3%，以往由于對(duì)病因認(rèn)識(shí)不足， 采用傳統(tǒng)的大隱靜脈高位結(jié)扎加抽剝術(shù)等治療手段，術(shù)后復(fù)發(fā)率相當(dāng)高，隨著膨體聚四氟乙烯在人體醫(yī)療中應(yīng)用的推廣，研究者采用膨體聚四氟乙烯人工合成血管片，在行股淺靜脈瓣膜環(huán)縮術(shù)治療原發(fā)性下肢深靜脈瓣膜功能不全方面取得了十分滿(mǎn)意的效果。采用膨體聚四氟乙烯人工合成材料還可作為肺切除后消除殘腔的填塞材料。膨體聚四氟乙烯補(bǔ)片在老年腹股溝疝置入手術(shù)中應(yīng)用安全有效，復(fù)發(fā)率較低，并發(fā)癥少，而且膨體聚四氟乙烯補(bǔ)片較傳統(tǒng)的聚丙烯類(lèi)補(bǔ)片更為舒適。采用明肝素--海藻酸鈉凝膠修飾的膨體聚四氟乙烯具還有良好的血液相容性及組織相容性，可應(yīng)用于小口徑人工血管等方面。用膨體聚四氟乙烯作為創(chuàng)面覆蓋材料，置于受損創(chuàng)面上未見(jiàn)不良反應(yīng)，引起的炎性反應(yīng)及異物反應(yīng)較小，同樣可以將其作為創(chuàng)面覆蓋材料。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然膨體聚四氟乙烯濾料在除塵、過(guò)濾PM2.5、紡織服裝、水凈化、人體鼻部整形、心臟瓣膜手術(shù)、消除肺部殘腔、人造血管等方面都取得了相當(dāng)?shù)某晒?，?yīng)用前景廣闊，目前我國(guó)生產(chǎn)ePTFE薄膜的企業(yè)也很多，但還存在著一些問(wèn)題，如大多工藝單一、設(shè)備較簡(jiǎn)陋、自動(dòng)化程度較低、規(guī)模較小、檢測(cè)手段不夠完備，產(chǎn)品合格率不高、孔徑尺寸不夠均勻、成本較高等，若用進(jìn)口膜成本更高，使得在過(guò)濾PM2.5細(xì)顆粒物行業(yè)應(yīng)用推廣受限。隨著人們對(duì)空氣質(zhì)量的密切關(guān)注，國(guó)家環(huán)保部門(mén)對(duì)大氣污染物排放制定了越來(lái)越嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)部門(mén)及企業(yè)正投入大量的人力物力進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，本課題組采取校企合作方式，目前正從理論及加工成型中研究、探討、實(shí)驗(yàn)成型工藝及加工設(shè)備、完善檢測(cè)方式，力爭(zhēng)使產(chǎn)品孔徑更均勻、合格率更高，努力提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，使ePTFE薄膜復(fù)合濾料在過(guò)濾PM2.5等領(lǐng)域中的應(yīng)用效果更好。作為一種新型的高分子材料，膨體聚四氟乙烯在諸多方面具有其它材料不可比擬的優(yōu)異性能, 隨著研究的進(jìn)一步深入，其應(yīng)用前景必將越來(lái)越廣泛。

［1］張林等.聚四氟乙烯的性能與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（4）：111-112.

［2］沈雅菲等.聚四氟乙烯微孔薄膜（ PTFE） 制造技術(shù)及應(yīng)用［J］.山東化工，2012（ 12） : 51-53,56.

［3］王海.膨體聚四氟乙烯從構(gòu)思到生物醫(yī)療器械［J］.有機(jī)氟工業(yè)，2012（2）：57-59.

［4］黃斌香等.覆膜濾料袋除塵器對(duì)工業(yè)粉塵中PM2.5的排放控制［J］.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，

［5］王庚等.膨化聚四氟乙烯膜濾料在袋式除塵器中除塵效率的研究［J］.工程與技術(shù)，2

［6］孫海翔等.聚四氟乙烯膜的親水化改性研究進(jìn)展［J］. 化工進(jìn)展，2006（4）378-382.

［7］張明霞等.聚四氟乙烯膜裂紗的性能分析［J］.棉紡織技術(shù)，2009（2）：74-77.

［8］李樂(lè)凡等.膨體聚四氟乙烯在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用與研究［J］. 化學(xué)工程師，2011（12）：46-48.