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聚四氟乙烯的性能、成型加工以及应用
摘要：聚四氟乙烯是氟的重要化合物, 它是目前化工行业***新型的工程塑料之一。本文介绍了聚四氟乙烯的基本结构性能、成型加工和应用。
关键词：聚四氟乙烯、性能、成型加工及应用 一、概述
聚四氟乙烯是工程塑料的一个重要品种。自1938年美国科学家R.S.Plunkett在研究氟里昂致冷剂时,合成了具有“塑料王”之称的聚四氟乙烯（PTFE）以来,聚四氟乙烯的研制、生产、加工和应用得到了很大发展。聚四氟乙烯产量虽然不算太大,但应用面非常广泛。它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。由于其独特的性能,目前己被广泛应用于航空航天、石油化工、机械、电子、建筑、轻纺等工业部门,并日益深入到人们的日常生活中,成为现代科学技术军工和民用中解决许多关键技术和提高生产技术水平不可或缺的材料。
二、聚四氟乙烯的结构、组成及物理化学特性 1、聚四氟乙烯的分子结构特点
聚四氟乙烯分子结构式为：
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是完全对称而且无支链的线型高分子,分子不具有极性。从聚四氟乙烯的分子结构可以看出PTFE分子所具有的特点。
PTFE的分子是碳氟两种元素以共价键相结合。在PTFE中,氟原子取代了聚乙烯中的氢原子,由于氟原子半径(0.064nm)明显大于氢原子半径(0,028nm),使得聚四氟乙烯中未成键原子间的范德华力大于聚乙烯,有较大的排斥力,这就引起碳一碳链由聚乙烯的平面的、充分伸展的 曲折构象渐渐扭转到PTFE的螺旋构象(如图1-1)。该螺旋构象正好包围在PTFE易受化学侵袭的碳链骨架外形成了一个紧密的完全“氟代”的保护层,这使聚合物的主链不受外界任何试剂的侵袭,使PTFE具有其它材料无法比拟的耐溶剂性、化学稳定性以及低的内聚能密度;同时,碳-氟键极牢固,其键能达460.2kJ/mol,远比碳-氢键(410kJ/mol)和碳-碳键(372kJ/mol)高的多,由于分子的化学键能越高,其分子越稳定,这使PTFE具有较好的热稳定性和化学惰性;另外氟原子的电负性极大,加之四氟乙烯单体具有完美的对称性而使PTFE分子间的吸引力和表面能较低,从而使PTFE具有极低的表面摩擦系数和低温时较好的延展性,但这也导致PTFE的耐蠕变能力较差,容易出现冷流现象;PTFE的无分支对称主链结构也使得它具有高度的结晶性,使PTFE的加工比较困难。
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２、聚四氟乙烯的性能
PTFE的组成和结构决定其具有如下特性：
(１)．高度的化学稳定性
PTFE能承受除熔融碱金属、氟元素和强氟化介质以及高于300℃的氢氧化钠以外的所有强酸、强碱、强氧化剂、还原剂等的作用。它的耐化学腐蚀性能超过贵金属、玻璃、陶瓷、搪瓷和合金等,即使原子能工业中的强腐蚀剂上氟化铀对它也不腐蚀。
(２)．广泛的使用温度范围
PTFE可在-250～260℃的宽广区域内使用,即使在-260℃的超低温下仍还以可保持一定的挠曲性;在260℃时其断裂强度仍保持5MPa左右(约为室温的1/5),抗屈强度达1.4MPa。
(３)．突出的不粘性
PTFE是目前已知表面能***小的一种固体材料,表面张力仅0.019N/m,几乎所有的固体材料都不能粘附在其表面,只有表面张力在0.02N/m以下的液体才能完全浸润其表面。
(４)．异常的润滑性
由于PTFE大分子间的相互引力小,且表面对其他分子的吸引力也很
聚四氟乙烯性能分析 在低结晶度时更易延展。PTFE的拉伸强度一般在10~30MPa，与聚乙烯相当；拉伸弹性模量约400MPa，略低于高密度聚乙烯，回弹性差；冲击强度则不及聚乙烯；弯曲强度和压缩强度较低，0.1%形变时约为10MPa。PTFE受载时容易出现蠕变现象，其蠕变和应力松弛受温度、时间、负荷等影响，也和它的分子量、结晶度有关。PTFE的刚性所对应的结晶度为75%~80%时，高于此结晶度时耐蠕变性随结晶度的进一步增加而减小。应力松弛是指高分子材料在应变保持一定的情况下应力随时间推移而减少的现象。如聚四氟乙烯垫圈在螺栓的压缩负荷作用下产生应力松弛，引起螺栓紧压力的降低而发生连接处的泄露。 PTFE耐疲劳性优异，与其他塑料不同，PTFE不会出现永久疲劳破坏，即使因疲劳而破坏，但仍能保持其物理的完整性，维持着一个”剩余的“疲劳强度。PTFE具有螺旋形结构，分子较僵硬，分子间的吸引力很微弱，因而分子间很易滑动。其摩擦系数是塑料中***低的。且在使用中无爬行现象（动、静摩擦系数较接近，如钢对它的动、静摩擦系数可低至0.04，其自身摩擦系数可低至0.01），是一种良好的减摩、自润滑材料。 PTFE中与每个碳原子连接的两个氟原子完全对称，碳氟两种原子又以共价键相结合，所以在分子中没有游离的电子，故介电常数极小，为2.1（频率6~3000兆周/秒），且不随湿度急剧变化而变化，耐电弧性大于300s。功率因数小于0.0002（60~3000兆周/秒），耐电晕放电性不佳，比聚乙烯差。它的介电损耗角正切值也很小，即使频率改变引起的变化也很小。介电损耗角正切值在0~240℃的变化不大，0℃以下变化较大，—80℃时达值。PTFE瞬时介电强度在60Hz时，结晶度在50%~80%时无变化，一般为450~500V/mil（对薄膜达1500~2000V/mil），但数均分子量降低时介电强度稍有下降。随着温度的升高，介电强度逐渐下降，到260℃附近时急剧降低。 聚四氟乙烯具有很高的体积比电阻，其击穿电压为25~40kV/mm。聚四氟乙烯整个分子呈中性，无极性，使聚合物成为完全的非极性聚合物。因而不会导电，具有良好的电绝缘性。 聚四氟乙烯在电弧作用下分解为不导电的低分子量氟碳化合物气体，不碳化，在材料上并不残留导电性物质。
