淬火对聚四氟乙烯管材质量影响的研究

　　针对淬火温度、淬火时间和淬火液温度等条件，采用三因素二水平的正交表L4 (23)分析方法对聚四氟乙烯管材性能的影响进行了分析研究，初步得出了淬火工艺条件控制的规律，即淬火温度在380～400 ℃内，提高温度对改善产品性能有利；淬火时间在20～40 min 内，延长淬火时间有利于产品性能的改善；淬火液温度在0～15℃内，淬火液温度降低，有利于产品柔韧性的提高。

　　聚四氟乙烯(PTFE)是工程塑料的一个重要品种，具有优异的高低温性能和化学稳定性、极好的电绝缘性、非粘附性、耐候性、不燃性和良好的润滑性。目前已被广泛应用于航空航天、石油化工、机械、电子、建筑、轻纺等领域，并日益深入到人们的日常生活中，成为现代军工和民用高科技产品中解决许多关键技术和提高产品性能水平不可或缺的材料。使用PTFE 材料制成的管材，由于具有上述的优良性能，由其作为内管的柔性压力软管组件(国内新研产品最高压力达到35 MPa)，特别是在航空航天飞行器上已得到广泛应用。

　　PTFE 管材的生产过程由配料、压坯、推压、烧结和淬火等工序组成，其中，烧结、淬火均为特殊工艺。尤其是淬火处理，较大程度上决定了内管的性能品质，合理调节淬火温度、时间及淬火液温度，对PTFE管材性能起着举足轻重的作用。掌握这些规律，对于产品质量问题分析、改进工艺设计有着现实意义。本研究针对淬火温度、时间及淬火液温度对PTFE 管材性能的影响作简要的实验论证，为今后的工艺设计和质量问题分析提供参考。

1、实验材料与方法

　　1.1、原材料

　　(1) PTFE 分散树脂技术指标(将树脂压成小样后的指标)：拉伸强度≥19 MPa，断裂伸长率≥200%，相对密度2.15～2.19；杜邦公司。

　　(2) 200# 溶剂油技术指标：透明、无悬浮物和机械杂质；初馏点≥140 ℃，98%馏出温度≤200 ℃；江苏泰州石化公司。

　　(3) 导电炭黑技术指标：加热减量≤0.2%；中橡集团炭黑工业研究设计院。

　　1.2、设备

　　预成型压机，Y71- 20T；推压挤出机，自制；淬火炉，自制。

　　1.3、PTFE 管材成型工艺

　　1.3.1、工艺原理

　　PTFE 管材成型是利用了PTFE 分散树脂在通过一定角度的锥模，受剪切力作用后容易形成纤维状的特点，即采用类似糊膏状挤出的方法，混合均匀、经过一定温度、时间存放的黑、白两种混合料预压成内部空心的圆柱形坯料，通过柱塞式挤出机挤压成坯管，利用加热去除助挤剂，继续加热到PTFE熔融并保持一段时间(烧结)，冷却后即成为具有一定强度的PTFE 管。可采用3 种冷却方法：水等液体介质冷却、空气等气体介质冷却、关电后随炉冷却。一般随炉冷却的管材需要重新放入高温炉内加热，然后进行淬火处理。采用水或空气冷却的，一般适用于PTFE 管材的连续成型生产，而采用随炉冷却的则是适用于间隙式分步成型法生产。

　　1.3.2、工艺流程

　　PTFE 管材成型工艺流程为配料→存放→预成型→推压→干燥、烧结→水淬火，其基本的工艺成型路线如图1 所示。

　　1.3.3、PTFE 管材成型过程中的主要因素

　　在PTFE 管材的成型过程中，每个工艺过程都会影响管材的性能，其中影响最大的是淬火过程，淬火过程决定了管材的最终性能。PTFE 材料的机械性能与自身的结晶度存在很大的联系，聚四氟乙烯结晶度越低其柔韧性能越好。淬火过程是一个降低PTFE 结晶度提高管材机械韧性的过程。

　　1.4、淬火工艺

　　1.4.1、淬火原理

　　PTFE 材料熔融黏度大，即使融化了也不会流动，所以PTFE 管材可以吊挂在高温淬火炉内进行加热，达到PTFE 的熔融温度以上而不掉落。PTFE管在高温淬火炉内加热至融化，组成管材的PTFE分子会由有序排列的结晶体转变为熔融的无定形态，然后将管材迅速放入冷水中进行淬火，由于温度迅速下降，PTFE 分子来不及有序排列，导致PTFE管材的结晶度降低。降低PTFE 管的结晶度有利于提高管材的柔软性和耐疲劳性能。

　　1.4.2、淬火过程中的影响因素

　　在淬火过程中，影响PTFE 管性能的主要因素有淬火温度、淬火时间和淬火液温度。淬火温度和时间主要影响管材在淬火炉内的熔融程度，淬火液温度主要影响管材在急速冷却过程中的冷却程度。

　　1.4.3、试验设计

　　为了探索淬火温度、时间以及淬火液温度对PTFE 管材质量的影响，拟采用三因素二水平的正交表L4(23)进行试验验证，本次试验仅选用覫10 mmPTFE 管材作为典型。根据实际工作经验，列出一张因素位级表，详见表1。试验方案与结果见表2。

表1 因素位级表

表2 试验方案与结果

　　注：表中“Ⅰ+Ⅱ”计算示例：淬火温度(380 ℃)位级Ⅰ所对应的拉伸强度之和为：31.0+29.5=60.5；同理，淬火温度(400 ℃)位级Ⅱ所对应的拉伸强度之和为：28.5+30.5=59；淬火温度因素位级所对应的拉伸强度之和为：Ⅰ+Ⅱ=60.5+59=119.5；极差R=60.5- 59=1.5。其它，依次类推。

结论

　　通过对以上3 组试验数据的分析对比，可以发现，不同的淬火条件会使PTFE 管材的性能发生变化且呈现一定规律性。

　　(1) 淬火过程是PTFE 管材经历熔融和重结晶的过程，淬火温度和时间主要影响熔融过程，而淬火液温度主要影响重结晶过程。

　　(2) 对于熔融过程，要求PTFE 材料熔融充分，并且有一定的时间进行分子间的扩散，所以淬火温度越高、时间越长，越有利于淬火过程，但是温度超过400 ℃ PTFE 材料会发生分解，所以温度不能太高，时间也不能过长，从覫10 mm PTFE 管材的试验来看40 min 的淬火时间，样件的性能较好。

　　(3) 淬火液温度主要影响PTFE 管材的重结晶过程，淬火液温度越低，管材在冷却过程中的冷却速度越快，结晶度越低。从覫10 mm PTFE 管材的实验来看，淬火液温度为3℃时，PTFE 管材的淬火效果较好。

　　上述实验结果，为工艺设计、生产工艺条件的调整及质量问题的分析和归零提供了依据。