新型微孔聚四氟乙烯密封板材的研制与应用

聚四氟乙烯 谢苏江 华东理工大学化机所流体密封研究室

  聚四氟乙烯( PTFE)密封材料虽然具有许多优良性能,如良好的耐蚀性、耐候性、不沾、无毒、无污染性和抗高低温性能,但其易冷流,导热性能、抗蠕变松弛性能和压缩回弹性较差,这些不足严重制约了其在密封领域的广泛应用。因此,采用填充改性、复合改性、膨化改性等工艺研制抗蠕变松弛性能、压缩回弹性能等综合性能优良的新型PTFE密封材料是目前PTFE密封材料的主要研究和发展方向。

  笔者根据国内外PTFE密封材料的发展趋势,通过模压成型和自由烧结工艺,成功研制了一种综合性能较好的新型微孔PTFE密封板材。

1、原材料选择

1.1、PTFE树脂的选用

  制备微孔密封材料时, PTFE树脂的正确选用十分重要。PTFE树脂按其聚合方法可分为悬浮树脂和分散树脂。悬浮树脂由悬浮液聚合而成,粒径一般为2~500μm,多用于模压及挤压成型来制造板材、片材;分散树脂由乳液聚合而成,平均粒径为300~800μm,流动性好,主要用于糊膏挤压成型管材、棒材等。本研究的主要目的是采用模压烧结工艺制备密封垫片材料,因此,选用悬浮PTFE树脂为基体材料。

1.2、成孔剂的选用

  成孔剂的选用是微孔PTFE密封材料研制的关键。试验发现,微孔PTFE密封材料的性能与成孔剂的化学组成、性能及含量有密切关系。成孔剂种类及成孔率的大小对PTFE树脂的改性效果有很大影响,并且成孔剂的加入还会影响到PTFE树脂的成型加工工艺。

  成孔剂选择时应遵循以下基本原则 :

  ①分散性好,能均匀分散于PTFE树脂内;

  ②分解温度范围窄,接近于PTFE的熔点或硬化温度;

  ③分解速率高,分解出的气体无毒、无不良气味,不易燃,无腐蚀性,无污染,分解后剩余的残渣与树脂有相容性,不发生喷霜现象:

  ④不影响聚合物及添加组分的物理力学性能;

  ⑤来源充足,室温贮存稳定,价格低廉。

  成孔剂的选择还要综合考虑密封材料的性能、工艺和成本要求,以达到满意的改性效果。可用于制备微孔PTFE密封材料的成孔剂种类很多,主要包括物理成孔剂、化学成孔剂、水溶性无机盐和易挥发性物质等。通过大量试验并综合考虑所制材料的表面质量、微孔分布,最终选用一种稠环芳烃(C10H8 )材料作为成孔剂,由此成孔剂可以制得具有均匀微孔结构、柔韧性良好的白色微孔PTFE密封板材。

2、工艺路线的选择

  模压烧结成型是目前国内外生产PTFE板材普遍采用的一种工艺方法,也适合我国生产技术水平和应用实际的需要。因此,笔者制定了如图1所示的微孔PTFE密封板材制备工艺流程。

微孔PTFE密封板材制备工艺流程

图1 微孔PTFE密封板材制备工艺流程

3、工艺和配方设计

  微孔PTFE的制备方法主要包括压制成型工艺和烧结工艺。压制成型工艺主要包括模压成型压力、压制速度、保压时间等工艺参数;烧结工艺主要包括加热速率、烧结温度、烧结时间及冷却速率等因素。通过大量试验获得了一个较好的微孔PTFE密封板材制备工艺,具体工艺参数如表1所示。

表1 微孔PTFE密封板材制备工艺参数

微孔PTFE密封板材制备工艺参数

  由于微孔PTFE密封板材主要由PTFE树脂和成孔剂组成,成孔剂的用量不但决定成孔率的高低,而且还对密封材料的拉伸强度、压缩率、回弹率、抗蠕变松弛能力等产生直接影响,成孔剂含量过高或过低均不利于密封材料的综合性能。通过大量试验研究发现,成孔剂质量分数在30%左右时,材料的综合性能较好。

4、微孔PTFE密封板材的性能

  根据获得的优化工艺参数制备了微孔PTFE密封板材,对其主要性能进行了测试,并与美国Gar2lock公司的GYLON S3540纯微孔PTFE、日本华尔卡公司的7010普通PTFE、美国Gore公司的膨体板状PTFE垫、美国Garlock公司的GYLON 3504填充改性PTFE等几种典型PTFE密封材料进行了比较,结果如表2 所示,其中拉伸性能按ASTM F152 测试;压缩率和回弹率按ASTM F36测试;蠕变松弛率按ASTM F38 测试;泄漏率按D IN 3535 测试,垫片应力32MPa,N2压力4MPa;气密性按ASTM F37测试,垫片应力20.7MPa,N2压力0.2MPa。

表2 几种PTFE密封材料的性能对比

几种PTFE密封材料的性能对比

  由表2可见,研制的微孔PTFE密封板材一方面具有较高的压缩率,同时又具有较好的回弹性、较低的蠕变松弛率,其综合性能明显优于普通压制PTFE,基本达到了国际同类产品的先进水平。图2是研制的微孔PTFE与其它PTFE微观结构的SEM照片。由图2可见,研制的微孔PTFE内部由独立的微孔组成,与其它结构PTFE存在明显差异。这些独立微孔一方面提供了材料一定的柔软性,另一方面保证了材料具有较好的回弹能力及抗渗透性能。

5、微孔PTFE密封板材的应用

  传统PTFE硬度大、压缩率小,作为密封垫片一般需要较大密封比压(35MPa以上)才能确保密封,这就要求提供较高的螺栓预紧力,而在类似由玻璃钢、合成树脂、陶瓷等制成的设备和管道装置中,其抗压强度较低,很难承受较高的螺栓载荷,传统PTFE难以起到理想的密封效果。而微孔PTFE以其较好的柔软性、较低的密封比压和优异的密封性能,在非金属设备和管道的密封中起到了其它材料无法取代的密封效果,十分适合应用于要求较低螺栓载荷和较高变形补偿的密封场合,如法兰密封面有翘曲、刮痕、凹坑、刻槽、歪斜以及不允许较大螺栓载荷的非金属法兰。

6、结语

  (1)通过均匀混合高分子成孔剂和悬浮PTFE树脂,采用模压烧结加工工艺成功研制出一种具有良好压缩回弹性能和蠕变松弛性能的新型微孔PTFE垫片密封材料。

  (2)通过大量试验研究获得了最佳的压制、烧结工艺条件,根据优化后的工艺参数制备的微孔PTFE密封材料,其综合性能明显优于普通压制PTFE,并达到了国际同类产品的先进水平,非常适合螺栓载荷较低、变形补偿要求较高的密封场合。