聚四氟乙烯在流体密封中的应用

　　聚四氟乙烯(PTFE) 性能优良,是目前广泛应用的密封材料。该文介绍了聚四氟乙烯的基本性能和研究进展,对其表面改性、填料改性及共混改性作了较详细的阐述。

1、前言

　　流体密封装置广泛应用于工农业生产、国防建设和人们的日常生活。流体的密封通常是靠密封面间相互紧密接触以阻止流体通过来实现的,但任何制造或加工方法都不可能形成绝对光滑的理想表面,也不可能实现密封面间的完全嵌合,因而在相互接触的密封面间总是存在着细微的间隙或通道,在相连接的组件间放置垫片或密封胶等密封元件并施加压紧力,使其产生弹性或塑性变形以填补、堵塞这些缝隙, 从而阻止流体的泄漏。因此,在密封过程中,密封材料的性能对密封效果起着至关重要的作用。随着科学技术的发展,加之环境保护的需要和人类健康意识的提高,一些老的密封材料已经不能满足日趋严格的环境要求,不能适应比较苛刻的工况条件。国内外许多研究机构正着手研制性能优异的密封材料,而聚四氟乙烯具有很高的化学稳定性,无毒、无污染,适用于各种复杂形状的密封面等特性,因而在密封行业得到了广泛应用,成为食品、医药和强腐蚀场合的首选密封材料。进一步加强聚四氟乙烯在密封方面应用的研究是发展密封技术的一个重要趋势,具有广阔的前景。

2、聚四氟乙烯的基本性质和成形技术

2.1、基本性质

　　聚四氟乙烯( Polytet rafluoroethylene , 简称PTFE) ,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乳状液体。其制品结晶度为55%～75% ,温度大于327℃时,结晶消失,制品完全透明。由于在PTFE 的分子结构中,碳原子的周围有4 个氟原子包围,因此它具有相当高的化学稳定性,能耐许多腐蚀性介质的侵蚀,强酸、强碱、强氧化剂、油脂、酮、醚、醇等即使在高温下对它也不起作用,因此有“塑料王”的美誉。PTFE 不受氧或紫外光的作用,具有良好的阻燃性,且对光辐射有很高的反射率。PTFE 的耐高、低温性能和热稳定性极为突出,可在- 250～260 ℃内长期使用。其耐磨性好,自润滑性能优良,具有良好的电绝缘性和耐电弧性,并且不受工作环境、温度和频率的影响。它的吸水率极小,一般在0.001 %～0.005 % ,而且渗透率较低。它还有突出的表面不粘性,几乎所有的固体材料都不能粘附在其表面。

　　PTFE 具有许多优越性能,有着广泛的用途。但PTFE 的线膨胀系数较大,在连续载荷作用下易发生变形;其回弹性差,弯曲和压缩强度低,熔体粘度极高,成形和二次加工困难;且在负荷长期作用下,蠕变较大,易发生冷流现象,这种冷流现象是目前限制其更为广泛应用的主要原因之一。近年来国内外学者对纯PTFE 进行改性,提高它的综合性能,以满足不同要求。

2.2、成形技术

　　聚四氟乙烯的加工成形技术的发展是其应用领域迅速扩大的关键,半个世纪以来已发展成了一套特有的、多样化的加工成形工艺,包括模压成形、推压成形、压延成形、柱塞挤压成形、螺杆挤出成形、等压成形、液压成形、浸渍成形、层压成形、热压成形、复合喷涂、二次成形、焊接、车削,以及近年来德国Hoechst 公司开发成功的真空成形与热吹塑成形技术等 。

3、聚四氟乙烯密封材料的研究进展

3.1、改性聚四氟乙烯密封材料

　　尽管聚四氟乙烯性能优良,但其压缩回弹性较差、蠕变大及“冷流现象”等缺点都影响了聚四氟乙烯的密封性能。因此,对聚四氟乙烯进行改性,进一步提高其综合性能是研究的重点。目前,对聚四氟乙烯的改性,主要是与其他材料进行复合,利用复合材料的特性,弥补聚四氟乙烯自身的不足,从而达到改性的目的。主要方法有:表面处理改性、填充改性、共混改性等。

3.1.1、表面处理改性

　　PTFE 极低的表面活化性和不粘性限制了它与其它材料的复合。对PTFE 材料进行表面改性即要提高表面活化性,常用的PTFE 表面改性技术有以下3 种:

(1) 表面活化技术

　　1) 等离子体活化法。用氩气、氦气、氢气、氮气等气体的等离子体处理PTFE 材料,提高其表面的自由能,改善其湿润性和粘接性,使其表面形成可胶接的表面活化层;

　　2) 辐照活化法。通过高能射线的辐照使其表面脱氟,从而和其他材料产生胶接作用;

　　3) 电晕放电活化法。PTFE 在一定气氛中经过适当时间的电晕处理,可在其表面形成可胶接的活化层；

　　4) 醋酸钾活化法。将PTFE 浸入特定温度的熔融醋酸钾中,经过一定时间的处理后,在其表面会形成具有一定活化性的活化层;

　　5) 特定混合液处理活化法。例如PTFE 在一定配比的氢氧化钠、二丙烯基聚氰胺混合液中加热处理一定时间即可提高其表面活化性。还有一些其他活化处理法,如泰斯拉空心变压器放电活化法、准分子激光活化法等。

(2) 化学腐蚀表面改性

　　PTFE 经一些化学药剂对其表面进行腐蚀也可达到改性的目的,常用的表面腐蚀剂如下:

　　1) 金属钠的氨溶液。PTFE 经一定浓度的该溶液处理后,可使其接触角从108°降为52°,从而可用环氧粘结剂与其他材料复合;

　　2) 钠萘四氢呋喃溶液。将PTFE 经一定浓度的钠、萘、四氢呋喃溶液处理即可达到表面改性目的。其他一些腐蚀剂,如碱金属汞齐腐蚀剂、饿酸腐蚀剂、五碳基铁腐蚀剂等。

(3) 表面沉积改性

　　将PTFE 浸入一些金属氢氧化物的胶体溶液中,使胶体粒子沉积在PTFE 表面,从而增大其润湿角,达到改善其表面活化性的目的。上述的一些方法主要适用于PTFE 薄膜的表面改性。这些方法各有优缺点,合理应用或寻找新的表面活化处理方法是扩大PTFE 薄膜应用的主要途径。

3.1 2、填充改性

　　在聚四氟乙烯中加入不同的填料制成填充聚四氟乙烯,能有效地改进其性能。常用的填料有碳纤维、玻璃纤维、青铜粉、石墨、二硫化钼以及一些聚合物填剂。

　　(1) 碳纤维。碳纤维可改进聚四氟乙烯的机械性能、耐热性和耐摩擦性,碳纤维填充聚四氟乙烯的线膨胀系数小,导热率高,其模压强度、耐蠕变性以及在水中的耐磨耗性均有大幅度提高。

　　(2) 玻璃纤维。一般填充到聚四氟乙烯的玻璃纤维直径为10～13μm ,平均长度为80μm ,长径比为5～10 ,填充量一般为15 %～25 %。加玻璃纤维,将使其耐蠕变性和抗冷流性得到较为显著的改善,耐磨性能也会大大提高。但随着玻璃纤维含量的提高,其拉伸强度、伸长率及韧性会逐渐下降;摩擦系数逐渐增大。