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聚四氟乙烯(PTFE)的后處理工藝

編輯: 祥健四氟 閱讀數: 發布日期: 2019/11/20 13:36:41
信息摘要:
聚四氟乙烯是一種無極性直鏈型結晶聚合物,為白色、無臭、無味、無毒的粉狀物,濃縮分散液為乳白色液體。目前,聚四氟乙烯以其良好的耐化學腐蝕性和耐高低溫作為墊片以及其他密封元件被廣泛應用在石油、化工、食品、醫藥等設備和裝置上,但其易蠕變的缺點嚴重限制了該種材料的應用。本文分析了后處理工藝對PTFE密封材料性能的影響,選擇合適的后處理工藝,設計試驗用夾具,對PTFE改性起到良好的作用。
   聚四氟乙烯(PTFE)是美國杜邦公司于1938年首先開發的,1941年進行中間試驗,1949年實現工業化。它是目前氟塑料中最先進的一種,應用最廣泛,產量最大,約占世界氟塑料產量的89~95%。聚四氟乙烯是一種無極性直鏈型結晶聚合物,為白色、無臭、無味、無毒的粉狀物,濃縮分散液為乳白色液體。目前,聚四氟乙烯以其良好的耐化學腐蝕性和耐高低溫作為墊片以及其他密封元件被廣泛應用在石油、化工、食品、醫藥等設備和裝置上,但其易蠕變的缺點嚴重限制了該種材料的應用。本文分析了后處理工藝對PTFE密封材料性能的影響,選擇合適的后處理工藝,設計試驗用夾具,對PTFE改性起到良好的作用。

  聚四氟乙烯(PTFE)的后處理工藝包括拉伸工藝和熱處理工藝,下面具體介紹兩種工藝的特點。

  一、拉伸工藝

  復合材料的晶體結構從根本上保證了制品的性能,采用的拉伸工藝是對現有的PTFE成型加工工藝的改進,它能從根本上改變PTFE的晶體結構和形貌結構。因此,制備改性聚四氟乙烯墊片密封材料時,拉伸工藝參數的正確選用十分重要。選用拉伸工藝參數時,必須綜合考慮拉伸速率、拉伸比、拉伸溫度等因素對制品性能的影響。

  拉伸工藝分單向拉伸和雙向拉伸。

  1、單向拉伸

  在實際應用中,單向拉伸會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,單向拉伸工藝簡單,可以在試驗中采用。

  在進行單項拉伸時,聚四氟乙烯節點開始延伸,微細纖維與拉伸方向平行。在高溫及高速條件下進行拉伸所得的聚四氟乙烯結構中可以得到具有均勻空間結構的節點,這些節點與大量聚四氟乙烯纖維相連構成一種高質量的網狀物,而且在高溫高速下拉伸可以增加制品的強度。

  2、雙向拉伸

  雙向拉伸包括從縱向拉伸和橫向拉伸,在一定的溫度和設定的速度下,同時或分步在垂直的兩個方向(縱向、橫向)上進行的拉伸,之后還要經過適當的熱處理,通過雙向拉伸的PTFE,在垂直的兩個方向上性能提高較大,綜合性能達到實際應用的需要。雙向拉伸的方法有許多種類,實際應用中要根據產品的性能要求、生產的規模及生產技術、設備特點來確定。通過改變工藝條件,及立場和溫度場,可以獲得縱橫兩個方向的物理機械性能相同(各向同性)的板材,也可以制出一個方向的機械性能高于另一個方向的各向異性板材。這是由于在雙向拉伸中,縱向與橫向哪一個方向用的力大,那么在那個方向上纖維就較長,數目也較多。增加拉伸比可以增加纖維的長度。節點的大小和形狀與拉伸比有關,單向拉伸的制品節點形狀呈細長的扁球體,雙向拉伸的制品節點接近球形。纖維長短、粗細與拉伸、熱定型條件有關,而纖維的性質又影響著制品的機械性能,總之,通過控制拉伸方向、拉伸比、拉伸速率等因素,可以控制聚四氟乙烯墊片制品的結構,進而控制其機械性能。

  在雙向拉伸聚四氟乙烯板材的過程中,由于聚合物在縱、橫兩個方向經歷了一定的拉伸,改變了分子和鏈段的排列,因此,拉伸板材的主要性能比非拉伸板材有明顯的變化。機械性能、抗蠕變性能、回彈性能和柔韌性都有明顯增加。

  3、常溫拉伸和高溫拉伸

  板材的拉伸,可以從室溫到接近聚四氟乙烯熔點(327)的范圍內進行。一般地說,溫度較低時,拉伸比及拉伸速率均受一定限制,這是由高分子的力學性能所決定的。溫度高時,高分子鏈易于變形,拉伸比及速率均可相應提高。高溫拉伸一般在250~300℃之間進行。

  4、拉伸比和拉伸速率

  拉伸比的大小是影響性能的重要因素之一。拉伸比用拉伸后試樣長度與拉前試樣長度之比來表示。隨拉伸比的增加,制品的拉伸強度、伸長率和柔軟性增加,表觀密度下降,所以提高拉伸比對制品的性能有益。但拉伸比過大,制品易斷、成型困難。拉伸比主要受樹脂種類、干燥溫度、制品截面積等方面的影響。通常拉伸比應在2~7之間選擇。

  拉伸速率一般不唱歌1m/min,如要求有較高的抗拉強度時,就要增加拉伸速度。

  二、熱處理工藝

  選擇適宜的熱處理方法和條件是改進聚四氟乙烯板材性能的主要途徑。試樣拉伸后都要經過熱處理,其目的是加速聚合物的二次結晶或結晶過程,使分子鏈取向轉變為結晶取向,消除內應力,提高結晶度,使晶體結構趨于完善,使尺寸穩定化等。但是,在高溫處理時,溫度越高,材料的機械性能下降越明顯。因此,必須根據試樣的性能要求來選擇合適的熱處理條件。

  1、熱定型

  板材拉伸后必須采用熱定型處理。高分子拉伸后,受熱會引起分子鏈回復拉伸前狀況,宏觀即引起板材的翹曲。所以熱定型時,在材料拉伸方向上要保持一定拉力,以免影響材料的性能和外觀。如完全無拉力下加熱,會使板材發生嚴重的變形。本研究采用夾具夾緊,以保持拉力,使板材在加熱時,在拉伸方向上保持一定拉力。 

 

  當被拉伸的預成型加熱到熔點以上時,結晶相漸漸轉變成無定型相,結晶結構中的無定型部分沿著結晶軸做較大的滑動,由于纖維和節點的阻礙,在應力下阻止了這種滑動。因此,熱定型過程可看作是無定型部分的固定過程。聚四氟乙烯的微觀結構在無定型相固定階段沒有發生本質的變化,但是,如果無定型部分長時間處于過高的溫度下,微觀結構會發生變化,節點增加,纖維破壞,導致制品強度降低。熱處理溫度高于390℃時,一分鐘內就可能引起分解、失強。

  2、冷卻

  冷卻過程是一個由無定型相轉變為結晶相的過程,是大分子鏈段重新排入晶格并由無序變為有序的松弛過程。冷卻速度決定著制品的結晶度,影響到制品的各種物理機械性能。聚四氟乙烯的最大結晶度出現在比熔點低10~20℃的溫度下,即是在310~315℃的溫度范圍內出現。冷卻方法包括兩種:緩慢冷卻(不淬火);快速冷卻(淬火)

  緩慢冷去即在空氣中按合適的速度直接冷卻,所得制品的結晶度較大,收縮率較大,制品收縮率較大。

  快速冷卻即把拉伸后的試樣置于水中或空氣中以最快的速度通過結晶速度最大的溫度區域進行冷卻,使制品內保存有大量非晶區,這種方法所獲得的制品結晶度低、韌性好、硬度低、拉伸強度大、制品收縮率較小;但容易出現裂紋,造成廢品,此外,由于聚四氟乙烯的導熱性查,在淬火過程中會產生較大的應力而使制品撓曲或變形,但如果在快速冷卻時加壓冷卻,即把拉伸后的試樣壓入冷模腔,在1/3的預成型壓力下冷卻,所得制品將不會出現快速冷去給制品造成的缺陷且質量接近緩慢冷卻所得到的制品。

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本文由無錫市祥健四氟制品有限公司于2019年11月20日整理發布。

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