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聚四氟乙烯(PTFE)的后处理工艺

编辑: 祥健四氟 阅读数: 发布日期: 2019/11/20 13:36:41
信息摘要:
聚四氟乙烯是一种无极性直链型结晶聚合物,为白色、无臭、无味、无毒的粉状物,浓缩分散液为乳白色液体。目前,聚四氟乙烯以其良好的耐化学腐蚀性和耐高低温作为垫片以及其他密封元件被广泛应用在石油、化工、食品、医药等设备和装置上,但其易蠕变的缺点严重限制了该种材料的应用。本文分析了后处理工艺对PTFE密封材料性能的影响,选择合适的后处理工艺,设计试验用夹具,对PTFE改性起到良好的作用。
   聚四氟乙烯(PTFE)是美国杜邦公司于1938年首先开发的,1941年进行中间试验,1949年实现工业化。它是目前氟塑料中最先进的一种,应用最广泛,产量最大,约占世界氟塑料产量的89~95%。聚四氟乙烯是一种无极性直链型结晶聚合物,为白色、无臭、无味、无毒的粉状物,浓缩分散液为乳白色液体。目前,聚四氟乙烯以其良好的耐化学腐蚀性和耐高低温作为垫片以及其他密封元件被广泛应用在石油、化工、食品、医药等设备和装置上,但其易蠕变的缺点严重限制了该种材料的应用。本文分析了后处理工艺对PTFE密封材料性能的影响,选择合适的后处理工艺,设计试验用夹具,对PTFE改性起到良好的作用。

  聚四氟乙烯(PTFE)的后处理工艺包括拉伸工艺和热处理工艺,下面具体介绍两种工艺的特点。

  一、拉伸工艺

  复合材料的晶体结构从根本上保证了制品的性能,采用的拉伸工艺是对现有的PTFE成型加工工艺的改进,它能从根本上改变PTFE的晶体结构和形貌结构。因此,制备改性聚四氟乙烯垫片密封材料时,拉伸工艺参数的正确选用十分重要。选用拉伸工艺参数时,必须综合考虑拉伸速率、拉伸比、拉伸温度等因素对制品性能的影响。

  拉伸工艺分单向拉伸和双向拉伸。

  1、单向拉伸

  在实际应用中,单向拉伸会使聚四氟乙烯在拉伸方向的性能有所提高,但性能改善的程度依然有限。但是,单向拉伸工艺简单,可以在试验中采用。

  在进行单项拉伸时,聚四氟乙烯节点开始延伸,微细纤维与拉伸方向平行。在高温及高速条件下进行拉伸所得的聚四氟乙烯结构中可以得到具有均匀空间结构的节点,这些节点与大量聚四氟乙烯纤维相连构成一种高质量的网状物,而且在高温高速下拉伸可以增加制品的强度。

  2、双向拉伸

  双向拉伸包括从纵向拉伸和横向拉伸,在一定的温度和设定的速度下,同时或分步在垂直的两个方向(纵向、横向)上进行的拉伸,之后还要经过适当的热处理,通过双向拉伸的PTFE,在垂直的两个方向上性能提高较大,综合性能达到实际应用的需要。双向拉伸的方法有许多种类,实际应用中要根据产品的性能要求、生产的规模及生产技术、设备特点来确定。通过改变工艺条件,及立场和温度场,可以获得纵横两个方向的物理机械性能相同(各向同性)的板材,也可以制出一个方向的机械性能高于另一个方向的各向异性板材。这是由于在双向拉伸中,纵向与横向哪一个方向用的力大,那么在那个方向上纤维就较长,数目也较多。增加拉伸比可以增加纤维的长度。节点的大小和形状与拉伸比有关,单向拉伸的制品节点形状呈细长的扁球体,双向拉伸的制品节点接近球形。纤维长短、粗细与拉伸、热定型条件有关,而纤维的性质又影响着制品的机械性能,总之,通过控制拉伸方向、拉伸比、拉伸速率等因素,可以控制聚四氟乙烯垫片制品的结构,进而控制其机械性能。

  在双向拉伸聚四氟乙烯板材的过程中,由于聚合物在纵、横两个方向经历了一定的拉伸,改变了分子和链段的排列,因此,拉伸板材的主要性能比非拉伸板材有明显的变化。机械性能、抗蠕变性能、回弹性能和柔韧性都有明显增加。

  3、常温拉伸和高温拉伸

  板材的拉伸,可以从室温到接近聚四氟乙烯熔点(327)的范围内进行。一般地说,温度较低时,拉伸比及拉伸速率均受一定限制,这是由高分子的力学性能所决定的。温度高时,高分子链易于变形,拉伸比及速率均可相应提高。高温拉伸一般在250~300℃之间进行。

  4、拉伸比和拉伸速率

  拉伸比的大小是影响性能的重要因素之一。拉伸比用拉伸后试样长度与拉前试样长度之比来表示。随拉伸比的增加,制品的拉伸强度、伸长率和柔软性增加,表观密度下降,所以提高拉伸比对制品的性能有益。但拉伸比过大,制品易断、成型困难。拉伸比主要受树脂种类、干燥温度、制品截面积等方面的影响。通常拉伸比应在2~7之间选择。

  拉伸速率一般不唱歌1m/min,如要求有较高的抗拉强度时,就要增加拉伸速度。

  二、热处理工艺

  选择适宜的热处理方法和条件是改进聚四氟乙烯板材性能的主要途径。试样拉伸后都要经过热处理,其目的是加速聚合物的二次结晶或结晶过程,使分子链取向转变为结晶取向,消除内应力,提高结晶度,使晶体结构趋于完善,使尺寸稳定化等。但是,在高温处理时,温度越高,材料的机械性能下降越明显。因此,必须根据试样的性能要求来选择合适的热处理条件。

  1、热定型

  板材拉伸后必须采用热定型处理。高分子拉伸后,受热会引起分子链回复拉伸前状况,宏观即引起板材的翘曲。所以热定型时,在材料拉伸方向上要保持一定拉力,以免影响材料的性能和外观。如完全无拉力下加热,会使板材发生严重的变形。本研究采用夹具夹紧,以保持拉力,使板材在加热时,在拉伸方向上保持一定拉力。 

 

  当被拉伸的预成型加热到熔点以上时,结晶相渐渐转变成无定型相,结晶结构中的无定型部分沿着结晶轴做较大的滑动,由于纤维和节点的阻碍,在应力下阻止了这种滑动。因此,热定型过程可看作是无定型部分的固定过程。聚四氟乙烯的微观结构在无定型相固定阶段没有发生本质的变化,但是,如果无定型部分长时间处于过高的温度下,微观结构会发生变化,节点增加,纤维破坏,导致制品强度降低。热处理温度高于390℃时,一分钟内就可能引起分解、失强。

  2、冷却

  冷却过程是一个由无定型相转变为结晶相的过程,是大分子链段重新排入晶格并由无序变为有序的松弛过程。冷却速度决定着制品的结晶度,影响到制品的各种物理机械性能。聚四氟乙烯的最大结晶度出现在比熔点低10~20℃的温度下,即是在310~315℃的温度范围内出现。冷却方法包括两种:缓慢冷却(不淬火);快速冷却(淬火)

  缓慢冷去即在空气中按合适的速度直接冷却,所得制品的结晶度较大,收缩率较大,制品收缩率较大。

  快速冷却即把拉伸后的试样置于水中或空气中以最快的速度通过结晶速度最大的温度区域进行冷却,使制品内保存有大量非晶区,这种方法所获得的制品结晶度低、韧性好、硬度低、拉伸强度大、制品收缩率较小;但容易出现裂纹,造成废品,此外,由于聚四氟乙烯的导热性查,在淬火过程中会产生较大的应力而使制品挠曲或变形,但如果在快速冷却时加压冷却,即把拉伸后的试样压入冷模腔,在1/3的预成型压力下冷却,所得制品将不会出现快速冷去给制品造成的缺陷且质量接近缓慢冷却所得到的制品。

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本文由无锡市祥健四氟制品有限公司于2019年11月20日整理发布。

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