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漫谈聚四氟乙烯(PTFE)介绍

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漫谈聚四氟乙烯(PTFE)介绍

  • 分类:行业动态
  • 作者:PFA管小姐姐
  • 来源:丹凯
  • 发布时间:2022-12-05 14:08
  • 访问量:

漫谈聚四氟乙烯(PTFE)介绍

  • 分类:行业动态
  • 作者:PFA管小姐姐
  • 来源:丹凯
  • 发布时间:2022-12-05 14:08
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在氟塑料品种中,产量最大、用途最广的为聚四氟乙烯。其用量占世界氟塑料总用量的70%~80%。聚四氟乙烯的一系列特性均优于其他聚合物

 

材料,具有优异的综合性能。本文介绍了聚四氟乙烯的结构,基于分子结构的分析,阐述了它所具有的物理化学特性;综述了聚四氟乙烯在各方

 

面的应用,并对该材料的应用前景进行了展望。

 

聚四氟乙烯(Polytetrafluoro ethylene,PTFE),简称F4,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。美国杜邦公司在1945年注册了Teflon®(特富龙®)商标,1948年实现了聚四氟乙烯的工业化

 

生产。四氟乙烯常压下是无色无嗅的气体,沸点-76.3℃,熔点-142.5℃,易爆,易自聚。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-(-CF2-CF2-)-结构单元重复连接而成,是目前各行业中应用的最新型的工程塑料。

 

1、聚四氟乙烯的结构和特点

 

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。

 

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,耐热性高。长期使用温度为-250℃~260℃,

 

而C-C键的键长为1.54×10-10m,C-F键的键长为1.41×10-10m,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 。

 

大分子主链上没有支链,整体内不形成交链,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。

 

2、聚四氟乙烯的组成和结构决定其具有如下性能

 

2.1力学性能

 

2.1.1应力-应变性能

 

在应力作用下,聚四氟乙烯的结晶带存在两类畸变方式,第一类畸变发生在低应力下,伸长较小时,条纹就与带轴分离进行横向滑动,由于在作

 

用力方向上的转动,一些条纹变斜,这种畸变属于非结晶畸变;在很低的温度下,非结晶区被冻结,不发生此类畸变。第二类畸变发生在高应力

 

下,条纹指向应力方向而扭曲成人字形纹,这属于晶体的实际应变。急速冷却的聚四氟乙烯由于结晶带的尺寸小,发生第一类畸变的情况多,因

 

此有较高的强度和伸长率。

 

2.1.2蠕变和应力松弛

 

聚四氟乙烯的蠕变和应力松弛性质不仅与温度、时间和负荷等因素有关,而且还与结晶度和分子量有关。聚四氟乙烯的最佳刚性所对应的结晶度

 

为75%-80%,高于这个结晶度时,聚四氟乙烯的耐蠕变性随结晶度的增大而降低,蠕变的增加可能与较短聚合物链的存在有关。

 

2.1.3冷拉伸行为

 

在室温附近,低结晶度的聚四氟乙烯在冷拉伸时比高结晶度的硬,说明聚四氟乙烯的结晶区是塑性的,因此在应力下易屈服,而在无定形区域内

 

分子链沿应力方向排列和取向,而且很小的微晶也能这样取向,这样就容易变硬而阻止塑性变形。

 

2.1.4疲劳行为

 

聚四氟乙烯可以因疲劳而重复的破坏,但是仍然保持物理的完整性,维持着一个剩余的疲劳强度。

 

2.2热性能

 

聚四氟乙烯具有优良的耐热性和耐寒性,长期使用温度范围很宽(-195~250℃),在250℃高温下经240h老化后,其力学性能基本不变。聚四

 

氟乙烯的玻璃化温度约为115℃,结晶熔点为327℃,加热到熔点以上仍无粘流态转变,温度上升到390℃时开始分解。聚四氟乙烯的导热系数为

 

0.20-0.25W/m•K。线膨胀系数在(10-15)×10-5m/(m•K)之间,比多数塑料大,是钢材的10-20倍,并随着温度的增加而增大。

 

2.3电性能

 

聚四氟乙烯是一种高度非极性材料,具有及其优异的电性能,而且不受温度、湿度和频率的影响。聚四氟乙烯分子链上的氟原子是对称的,碳-氟

 

键又结合得相当牢固,因此分子中没有游离的电子,整个聚四氟乙烯分子呈电中性。在室温条件下的电性能见表1。在0℃以上时,其介电常数不

 

随温度和频率变化。随着温度的升高,聚四氟乙烯的体积电阻率稍有变化,即使在220℃下,仍有较高的体积电阻率。

 

2.4耐化学药品和溶剂性质

 

聚四氟乙烯中的C-F键的键能高且稳定,分子为螺旋形构型,C-C主链完全被体积较大的氟原子遮蔽。所以,浓酸、强碱、强氧化剂即使在高温时

 

也不能对聚四氟乙烯起作用。聚四氟乙烯的耐化学品性能甚至超过贵金属。除全氟烷烃和全氟氯烷烃使聚四氟乙烯有轻微的溶胀现象外,酮类、

 

醚类等有机溶剂均不能对它起作用。目前,发现能对它起作用的仅为熔融状态的碱金属、三氟化氯及氟元素等,但是只在高温高压下这种作用才

 

明显。由于聚四氟乙烯的润湿性极小,所以它对酸和溶剂的吸收率极低,在高温下长期接触,一般仅增加1%左右。但是,由于聚四氟乙烯不能熔

 

融加工,在制品中含有孔隙,有利于溶剂的渗透,预成型压力越小,孔隙越多,渗透越大。

 

2.5耐辐射性

 

对PTFE而言,F原子具有较大的原子半径及最大的电负性,因而PTFE分子链是一种螺旋型的僵直链。在通常条件下辐照,所产生的不同大分子链

 

自由基之间很难复合形成交联结构,从而使降解反应成为主反应。PTFE接受辐射能后,是在C—C部位断裂而生成两个大分子自由基,很少在C~

 

F部位断裂。形成的自由基具有较高的稳定性,可以在断裂点附近实现诸如结构重排或分子间的歧化反应。

 

断裂端迅速稳定下来,最终得到无规的小分子量分布的聚合物。因此,PTFE辐射降解属于自由基降解机理。辐射作用下,PTFE分子量迅速下降,

 

性能发生很大变化。PTFE降解受辐照条件的影响,不同辐照条件可以得到不同的高价值降解产物。在氧气中辐射降解可以得到高氟酸衍生物,在

 

惰性气体中辐照可以得到全氟烯烃和全氟烷烃;在空气中或氧、氮比例经过调解的大气中辐射降解,可以得到纯PTFE或改性PTFE超细粉。

 

2.6不沾性

 

PTFE 具有螺旋型结构, 所以分子较僵硬, 分子间的吸引力很微弱, 因而分子很容易滑动。其摩擦因数是塑料中最低的一种, 动、静摩擦因数较接

 

近。如钢对它的动、静摩擦因数可低至0.04 , 其自身的摩擦因数可低至0.01 , 接近于冰块。对于由100 % PTFE 纤维制成的过滤材料, 它的摩擦因

 

数低, 对滤料的清灰时可降低能耗。

 

 

                                                                                 图一: PTFE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、不粘性、耐候性、不燃性和良好的润滑性,应用从航天领域到日用商品,成为现代

 

科学技术、军工和民用中解决许多关键技术问题不可或缺的材料。

 

3.1防腐减磨方面的应用

 

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,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 。

 

3.2耐腐蚀密封材料方面的应用

 

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

 

化,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。虽然PTFE材料具有其它材料无法替的优异性能,但是本身也存在着一定的缺点,例如:难熔融加工性、难焊接性和冷

 

流性。随着材料应用技术的不断发展,这些缺点正在逐渐被克服,从而使它在石油化工、电子、医学、光学等多种领域的应用前景更加广阔。

 

3.4电气方面的应用

 

PTFE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

 

采用PTFE作为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:北京奥运鸟巢,铁路上海站北广场站房, 上海世

 

博会挪威馆等。PTFE作为建筑用膜材料耐用年数在20年以上,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

 

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,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。比较常见的整容手术隆鼻和整形下颌也是采用PTFE作为填充材

料。

 

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。

 

本文由铁氟龙管小姐姐原创,欢迎关注,带你一起长知识!

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