改性聚四氟乙烯制件的熔接方法

張心予

（松下家電研究開發(fā)（杭州）有限公司，杭州 310018）

改性聚四氟乙烯制件的熔接方法

張心予

（松下家電研究開發(fā)（杭州）有限公司，杭州 310018）

為解決聚四氟乙烯（PTFE）因其極高的化學(xué)穩(wěn)定性和不粘性而相互間熔接困難，特別是大直徑PTFE的管材等其他結(jié)構(gòu)裝置不可能用注射或糊擠出等方法制得的問題，介紹了改性PTFE介在下的PTFE制件間的熔接技術(shù)和改性PTFE制件間直接熔接技術(shù)。認(rèn)為目前國內(nèi)還缺少熔接用的改性PTFE生產(chǎn)技術(shù)、熔接技術(shù)和裝置，而國內(nèi)對(duì)該改性PTFE和由該樹脂制造的設(shè)備需求日趨增多、用途逐漸廣大，因此要加大研發(fā)力度，盡快滿足市場(chǎng)需求。

熔接；改性聚四氟乙烯；制件；

聚合物中部分或全部氫原子被氟原子取代后，具有很多其他聚合物無法比擬的優(yōu)越性能。聚四氟乙烯（PTFE）是含氟聚合物中最主要的產(chǎn)品，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化性，可制成管、棒、帶、板、薄膜等制品，一般用于性能要求較高的耐腐蝕的管道、容器、泵、閥以及制雷達(dá)、高頻通訊器材、無線電器材等。但PTFE材料本身具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性與不粘性，表面張力非常低和熔融粘度非常高，相互間熔接比較困難，限制了用途范圍。

改性PTFE是指四氟乙烯（TEF）聚合時(shí)添加少量改性單體的共聚物[1]。PTFE的改性單體為X(CF2)nOCF=CF2（X為氫、氟或氯，n為1～6的整數(shù)）或C3F7(OCF2CF2CF2)m[OCF(CF3)CF2]pOCF=CF2（m和p為0～4的整數(shù)，但不能同時(shí)為0）的氟烷基乙烯基醚、CF3CF=CF2、CF2=CFH、CF2=CFCl、CF2=CH2、RfCY=CH2（Rf為碳原子數(shù)3～21的多氟烷基，Y為氫或氟）等TFE除外的含氟不飽和單體，常用的是全氟烷基乙烯基醚。通常用量為TFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.01%～1.0%。可熔性PTFE（PFA）雖是TFE與全氟烷基乙烯基醚的共聚物，但為全氟烷基乙烯基醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8%～4.0%的共聚物，不屬于上述的改性PTFE。

改性PTFE能用聚合得到的粉末或用該粉末經(jīng)造粒的造粒料，也包括改性PTFE中含適量如玻璃纖維、碳纖維、青銅粉等各種填充劑。本文介紹有關(guān)改性PTFE熔接技術(shù)。

1 改性PTFE介在下的熔接

Shimoda Yutaka等人提出了熔接裝置和方法[2]。該裝置設(shè)有將氟樹脂熔接面面對(duì)面地固定，并通過對(duì)熔接面及附近加熱到氟樹脂材料的熔融溫度以上的加熱，和在該加熱段2側(cè)設(shè)置比熔融溫度低的余熱氟樹脂的手段。將難熔氟樹脂熔接面之間插入改性PTFE，通過加熱熔接面或其附近的融著熔接方法。用該裝置和方法，加熱熔接后不發(fā)生收縮變形。加熱溫度為335～400℃，余熱溫度為200～300℃。加熱段長度為10 mm～100 m，余熱段長度為10～100 mm比較合適。如50 mm×50 mm的角材端面相互熔接。在這2個(gè)角材熔接面之間插入改性PTFE熔接材料，熔接部位及附近保持比PTFE成形體熔融溫度高的溫度，而熔接部位及附近以外的PTFE成形體的部位保持比其熔融溫度低的溫度進(jìn)行熔接。經(jīng)測(cè)定，質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%玻璃纖維的PTFE材料（母材）的拉伸強(qiáng)度為23.0 MPa，經(jīng)上述方法熔接后拉伸強(qiáng)度為18.6 MPa，只低于PTFE材料（母材）的81%，而用以往通常的方法，拉伸強(qiáng)度低于PTFE材料（母材）的54%。

Shimoda Yutaka等人針對(duì)PTFE制件、改性PTFE制件、PTFE制件間界面的熔接強(qiáng)度還是比較小，即使在熔接面加壓也不能提高熔接強(qiáng)度，使用時(shí)要引起變形和彎曲等，甚至突然破裂等情況，將PTFE等難熔著性氟樹脂材料的熔接面相互對(duì)牢，其在熔接面之間插入改性PTFE材料，經(jīng)加熱壓著，得到熔著的熔著構(gòu)造體，然后在熔接面雙方形成凹面，嵌入芯材，確保大彎曲強(qiáng)度[3]。

另外，PTFE板材熔接面熔接這樣的簡單結(jié)構(gòu)在熔接的裝置上是能完成的。但如制作框架與有底結(jié)構(gòu)組成的藥劑槽這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，要在熔接部位給予高壓而且均一的加工裝置和設(shè)備上完成。制作這樣的裝置和設(shè)備的費(fèi)用直接攤派到制品上，使制品成本提高。

Takaya Yoshiharu等人在PTFE壓縮成形制件之間介入改性PTFE壓縮成形制件，經(jīng)燒結(jié)熔接。該方法提供了不失去耐藥品性、電性能、耐熱性等優(yōu)異性能PTFE制件，同時(shí)消除了PTFE制件之間熔接困難的缺點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)。認(rèn)為PTFE壓縮制件和改性PTFE壓制件中粒子間有細(xì)微空隙，加熱后漸漸膨脹（壓縮制件雖然本身有空隙，加熱熔融體積在減少，實(shí)際上是膨脹的），超過熔點(diǎn)，膨脹劇烈，如接近400℃，膨脹率接近10%。膨脹時(shí)在PTFE壓縮制件和改性PTFE壓縮制件的界面上，熔融的分子相互進(jìn)入粒子間的空隙，使雙方的分子相互纏繞。改性PTFE比PTFE熔融粘度稍低，改性PTFE分子容易進(jìn)入到PTFE的空隙形成纏繞。在纏繞狀態(tài)下繼續(xù)加熱，雙方形成熔融狀態(tài)，燒結(jié)后形成融著結(jié)構(gòu)[4]。

2 直接熔接

Kondou Shiyousaku提出比熔融黏度1～104MPas的改性PTFE制件相互熔接的方法。如在375℃壓機(jī)中放置200 mm×200 mm×2 mm的鋁板，在該鋁板上放置要熔接的2塊200 mm×25 mm×2 mm樣板，長邊對(duì)住。樣板和鋁板在375℃無壓力條件下保持約5 min，然后加壓到0.3 MPa，保持5 min，樣板間就可熔接。熔接后鋁板和樣板從壓機(jī)中取出，冷卻到室溫。經(jīng)測(cè)定，與PTFE制件的熔接體或在PTFE制件間介入PFA的熔接體比較，剝離強(qiáng)度大，熔接狀態(tài)也良好[5]。

Ishioka Seigo等人在模具中填充改性PTFE的原料粉末，經(jīng)壓縮，形成與容器本體及蓋體對(duì)應(yīng)的預(yù)制件，燒結(jié)成制件，然后車削成形體內(nèi)部表面，再用熔融用模具將容器成形體與蓋成形體一起熔融再燒結(jié)，制成貯存藥液的密封中空容器[6]。制得的該容器不僅沒有污染痕跡，而且清洗性優(yōu)異、強(qiáng)度高，適用于高純?cè)噭┑谋４妗?/p>

Shirasaki Osamu等人將熱收縮率不同的2個(gè)改性PTFE預(yù)制件熔接面相互對(duì)接或接近，然后燒結(jié)預(yù)制件，形成一體的改性PTFE制件的焊接方法[7]。用該方法得到的厚壁制品的熔接部位有足夠高的熔接強(qiáng)度，次品比例減少，成型制件尺寸精度提高。加工操作簡單，批量生成能力大幅度提高。如將平均粒徑28 μm的改性PTFE粉末在30 MPa壓力下成型得到外徑100 mm、內(nèi)徑50 mm和高70 mm的管狀預(yù)成型制件。另外，改性PTFE在相同壓力條件下成型得到直徑50 mm和厚15 mm的圓片狀預(yù)成型制件。把圓片狀預(yù)成型制件插入管狀預(yù)成型制件的中空部分的最下部作底，把此預(yù)成型制件的復(fù)合體在360℃下加熱6 h。冷卻后，圓筒和圓片熔接在一起。

Shirasaki Osamu等人將有密閉的內(nèi)周長熔接面第1改性PTFE預(yù)制件如圓筒，與適合上述內(nèi)熔接面形狀的外周長熔接面的第2改性PTFE預(yù)制如圓板的熔接方法。第1的預(yù)成型部件內(nèi)熔接面比第2預(yù)成型部件的外側(cè)熔接面相對(duì)或稍大，經(jīng)加熱、膨脹、將第2預(yù)制件嵌入第1預(yù)制件的內(nèi)側(cè)，然后升溫、保持，冷卻，使其成為一體。采用該方法，即使是非常大的制件，熔接部位有非常大的熔接強(qiáng)度。如有底圓筒狀容器的制作[1]：1）將改性PTFE在30 MPa下壓縮成形，制得外徑110 mm、內(nèi)徑80 mm、高100 mm圓筒狀預(yù)成型制件；2）用同樣方法制得直徑80.5 mm、厚度15 mm圓板狀預(yù)成型制件；3）將圓筒狀預(yù)成型制件移至電爐內(nèi)，以50℃/h的速度升溫，在100℃保持40 min、200℃保持30 min、250℃保持20 min、280℃保持20 min，將常溫下的底部用圓板狀部件插入圓筒狀部件下面的內(nèi)部，然后以50℃/h的速度升到360℃，在這溫度條件下保持6 h，然后再以50℃/h的速度冷卻后，在25℃放置1 d。

3 小結(jié)

PTFE或以PTFE為主的材料因有卓越的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，廣泛用于熱交換器、塔及容器這類化學(xué)裝置上的耐腐蝕內(nèi)襯。大直徑PTFE的管材不可能用注射或糊擠出的方法制得，特別是對(duì)于有比較大內(nèi)徑的裝置需要?dú)饷?、液密相互熔接。目前國?nèi)還缺少熔接用的改性PTFE生產(chǎn)技術(shù)、熔接技術(shù)和裝置，而國內(nèi)對(duì)該改性PTFE和由該樹脂制造的設(shè)備需求日趨增多，用途逐漸廣大。因此，要加大研發(fā)力度，盡快滿足市場(chǎng)需求。 參考文獻(xiàn)

[1]Shirasaki Osamu,Tanigawa Shingo.Method for producing modified polytetrafluoroethylene moldings by joint molding: WO9962696[P].1999-12-09.

[2]ShimodaYutaka,TomizawaTakeo,YamagishiEishin.Welding apparatus and welding method:JP2006-068909[P].2006-03-16.

[3]Shimoda Yutaka,Tomizawa Takeo,Yamagishi Eishin.Welded structure of fluoroplastic resin materials:JP2006-068910[P]. 2006-03-16.

[4]Takaya Yoshiharu,Matsumoto Hidemasa,Fujii Tomoya. Method for manufacturing polytetrafluoroethylene-based composite fused structure and polytetrafluoroethylene-based composite fused structure:JP2014-004743[P].2014-004743

[5]KondouShiyousaku.Bondedarticleofmodifiedpolytetrafluoroethylene molding:JP61-136525[P].1986-6-24.

[6]Ishioka Seigo,Minase Kazuo.Hermetically sealed hollow container,and its manufacture:JP2000-140067[P].2000-05 -23.

[7]Shirasaki Osamu,Kawachi Shoji,Tanigawa Shingo.Method for bonding and molding modified polytetrafluoroethylene moldings:WO9824612[P].1998-06-11.

TQ050.4+5

ADOI10.3969/j.issn.1006-6829.2016.03.005

2016-02-28