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聚四氟乙烯密封材料的改性塑料粒子技術研究進展

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聚四氟乙烯密封材料的改性塑料粒子技術研究進展

發布日期:2016-07-16 00:00 來源:http://www.rongshengxiangsu.com 點擊:

       從聚四氟乙烯(PTFE)的結構特點分析了其具有良好密封性能的主要原因及其密封缺陷,針對其缺陷討論了聚四氟乙烯的填充改性技術和化學改性技術及國內外研究現狀,提出了聚四氟乙烯密封改性塑料粒子材料的開發研究方向。

聚四氟乙烯密封材料的改性塑料粒子技術研究進展

  眾所周知,聚四氟乙烯(PTFE)擁有“塑料王”的美稱,,是美國杜邦公司於1938年為國防和尖端技術需要而開發的,1941 年進行中間試驗,1949 年實現工業化,而後逐漸推廣到民用。聚四氟乙烯具有優良的物化性質,是一種較好的密封材料,廣泛應用於國防、航空航天、醫學、石油化工、電子、機械等許多領域的密封裝置上。但是PTFE自身固有的缺陷如耐蠕變性能差、回彈性差等嚴重限製了它的應用範圍,使其良好的密封性能不能得到充分發揮。因此, 國內外研究人員投入大量精力進行了PTFE性能的改進工作,不斷研究PTFE改性技術,開發研製新型PTFE密封材料。


1、聚四氟乙烯的結構特點和物化性質

  聚四氟乙烯是由四氟乙烯單體經自由基聚合而得到的全氟直鏈型熱塑性高聚物,為白色、無臭、無味、無毒的粉狀物, 晶體結構為結晶薄片與無序非晶相間隔排列的帶狀構型。在聚四氟乙烯分子中, 氟原子間相互排斥力很大, 使整個大分子不能像C-H鍵一樣呈鋸齒形, 而使C - F鍵的空間排列呈螺旋形; 由於氟原子共價鍵半徑比氫原子大一倍多, 主鏈上的碳原子被屏蔽起來構成圓柱形外殼, 這層惰性的螺旋形全氟外殼使PTFE具有優良的耐溶劑性、化學穩定性和極低的吸附能密度; 主鏈上碳原子被屏蔽, 加上分子鏈中無雙鍵、無親水基團、無光敏性基團, 使PTFE耐候性、耐大氣老化性很好;同時, C-F鍵極牢固, 其鍵能達46012 kJ/mol, 遠比C-H 鍵(410kJ/mol)和C-C鍵(372kJ/mol)高, 這使PTFE具有較好的熱穩定性和化學惰性;另外PTFE螺旋排列也使PTFE的分子間作用力極弱而使分子間易滑動, 從而使PTFE表麵摩擦係數低、易冷流變形和低溫時延展性較好, 導致PTFE的耐蠕變能力較差; PTFE的無分支對稱主鏈結構也使得它具有高度的結晶性, 使PTFE的加工比較困難。


  通過以上分析, 可以看出PTFE具有下列特點:


  1、優良性能: 良好的耐化學腐蝕性、耐高低溫性、耐候性、低滲透性、低摩擦係數、耐高壓性等。


  2、致命缺點: 熱導率低、抗壓縮蠕變性差、回彈性差、承載能力低、不耐磨、不易加工、導熱性差、線膨脹係數大及在較大的負荷下表現出“冷流”現象等。


  PTFE這些優越的密封性能使其成為生產條件和生產環境極為苛刻情況下的首選密封材料, 但是這些致命缺點卻使得其在受到載荷的長期作用和循環作用時, 密封穩定性較差。


2、聚四氟乙烯密封材料的改性技術

  在國外, 聚四氟乙烯密封材料的改性技術研究始於20世紀70年代, 到了80年代已基本成熟, 現在對PTFE密封材料的研究主要著重於其改性品級的研製與開發。在眾多的改性技術研究機構裏, Garlock公司和Flexitallic公司是最具代表性的公司, 目前其研製的產品已經係化、商品化。國內PTFE改性技術的研究起步較晚, 且技術落後, 僅有浙江巨化、上海市有機氟材料研究所和武漢工程塑料有限公司等做了大量係統研究。目前, 聚四氟乙烯的改性技術主要有填充改性、共混改性、拉伸改性以及化學改性的共聚、交聯等, 這些技術手段克服了PTFE密封材料的缺陷, 提高了其密封能力和使用壽命, 擴大了其應用範圍。本文主要介紹PTFE密封材料的化學改性和填充改性技術的研究進展。


2.1、填充改性

  填充改性是最常見、也是最經濟實用的一種塑料改性技術, 它不僅可以降低產品成本,更重要的是可以顯著改善基體樹脂的某些物理和化學性能, 例如能克服高分子的低強度、不耐低溫、低剛硬性、易膨脹性、易蠕變等缺點。填充改性PTFE密封材料的作用機理是填料粒子內外表麵上可與高分子鏈形成一些吸附點和一些化學作用點, 然後形成化學交聯網、纏結網、填料高分子網等網絡結構, 通過改變PTFE晶體結構和形貌結構起到了改性作用。填充後的PTFE與純PTFE相比, 線膨脹係數降低80%、導熱性提高5 倍、蠕變性降低30%~50%、尺寸穩定性增大1倍、抗負荷變形能力提高30% , 大大提高了PTFE材料的密封能力, 擴大了其應用範圍。值得注意的是在國外PTFE填充技術均由PTFE樹脂生產廠家完成, 而我國卻是由加工生產企業來完成。

填充改性PTFE 的性能與填充劑的性能、含量以及工藝有密切關係。一般選擇填充劑時必須考慮如下因素:


  1、能經得住PTFE 的燒結溫度(380℃以上) , 且能與聚四氟乙烯均勻混合;


  2、能改善PTFE的物理機械性能, 提高導熱性、抗冷流性、耐蠕變性, 降低線膨脹係數等;


  3、在使用時填料不會與其接觸的金屬及介質發生反應;


  4、在燒結條件下, 填料自身不會簇集;


  5、填料粒度≤150μm;


  同時, 還要注意在聚四氟乙烯中加入填料時, 不但要提高其主要性能指標, 還要注意其整體性能, 隻有這樣才能得到最好的改性效果。通常填充改性PTFE密封材料的填料分無機類、金屬類及高聚物類三大類。常用的填充劑有: 玻璃纖維、碳纖維、石墨、高齡土、二硫化鉬、無定形炭、氟化鈣、青銅粉、陶瓷、聚苯酯、聚苯硫醚、聚酰亞胺等。國外著名的專業生產密封材料的廠家Garlock公司和Flexitallic公則采用玻璃微珠、矽藻土、重晶石等填料。


  填充改性PTFE密封材料的組分應根據研製目的、應用環境的不同選擇單一或多種填料。一般而言, 選用玻璃纖維、碳纖維填充改性PTFE的強度較高; 改善PTFE抗壓縮蠕變性用碳纖維、玻璃纖維、聚苯酯、聚苯硫醚、矽藻土等較好; 提高耐磨性首選聚苯酯、石墨、青銅粉、氮化硼、玻璃纖維; 提高拉伸強度, 可在共混物中加入四氟乙烯- 六氟丙烯共聚物( FEP) ;提高柔韌性可用玻璃微珠、矽藻土等軟填料。但聚四氟乙烯製品柔韌性的好壞最重要的還是取決於製品的成型工藝。表2為Garlock公司用微孔PTFE、玻璃微珠、矽藻土、硫酸鋇分別填充改性的聚四氟乙烯密封材料的GYLON係列產品性能。


相關標簽:改性塑料粒子

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