聚四氟乙烯PTFE共混、填充改性方法

  俗称“塑料王”的聚四氟乙烯( PTFE) 是杜邦公司于1950 年产业化的热塑性塑料。在PTFE 中，氟原子取代了聚乙烯中的氢原子，由于氟原子半径( 0.064 nm) 大于氢原子半径( 0.028 nm),使得C—C链由聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折构象扭转为PTFE 的螺旋构象。

  PTFE 的组成和结构特点决定了其具有耐高低温、耐腐蚀、耐候、高润滑、不粘附等特性，但也存在硬度低、线线胀系数较大、导热性能差、力学性能较差、耐磨损差、耐蠕变性差、易冷流、二次加工困难等缺点，在某些特定的程度上限制了它的广泛应用。因而对其改性研究一直是热点。

  对PTFE的改性方法最重要的包含表面改性、共混改性、填充改性、化学改性等。其中，填充和共混改性PTFE 是简单有效的方法。

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  常用的无机填料有纳米粒子填料、金属及氧化物填料、晶须填料以及石墨、碳纤维( CF) 、玻璃纤维( GF) 等。

  纳米粒子具有尺寸小、比表面积大等特性，与聚合物间的界面面积及其相互作用大，因此两者复合可获得理想的界面粘合。此外，纳米粒子也可以消除两组分热膨胀系数不匹配难题且可束缚PTFE 大分子的链间运动，这些都利于改善聚合物的摩擦学性能和力学性能。目前用于填充PTFE 的纳米材料主要有纳米Al2O3、SiO2 和TiO2等。

  金属填料拥有非常良好的导热导电性，以及耐磨损等许多优良性能。在PTFE 中加入金属填料，不仅能明显提高PTFE 的导热性能，还可大大改善它的耐磨性。例如：Cu颗粒、Al2O3 纤维等。

  晶须是缺陷少的单晶体纤维，直径通常只有几微米。它的机械强度高，抗拉强度接近纯晶体的理论强度，可大范围的使用在增强复合材料的性能，是很有发展前途的新型材料。

  其他填料有石墨、CF、GF等。CF、GF 和石墨可单独填充、也可以协同填充改性PTFE复合材料，研究之后发现，协同增强PTFE复合材料拉伸时呈塑性断裂，是综合力学性能较好的高性能润滑密封材料。

  无机填充形成的PTFE 复合材料通常摩擦系数较大，对被磨件损伤大，制品力学性能不够高;而聚合物共混改性PTFE 显著改善了上述缺点。用于填充PTFE 的有机聚合物主要有聚苯硫醚( PPS) 、聚醚醚酮( PEEK) 、聚酰亚胺( PI) 和聚苯酯( POB)等。

  例如，采用热模压工艺制备PEEK/PTFE复合材料，并用作复合轴承材料。根据结果得出: 随着PTFE 含量的增加，复合材料摩擦系数明显降低，延长了轴承材料寿命。

  有学者制备了PPS /PTFE、PI /PTFE、PEEK/PTFE、POB/PTFE、芳纶/PTFE 等5 种复合材料。研究之后发现，填充质量分数15%聚苯酯(POB)的PTFE 复合材料减摩效果最好，填充质量分数15%PI 的PTFE 复合材料的耐磨损性能最优。相比之下，填充质量分数15%芳纶的PTFE 复合材料摩擦磨损性能及力学性能最好，其耐磨损性能较纯PTFE 提高了近400 倍，而摩擦系数仅为纯PTFE 的84%。

  1.聚四氟乙烯制品硬度低，一般纯四氟制品硬度为邵氏55左右，这使得四氟产品在耐压变形方面，不能承受过大的压力，比如制成的垫圈垫片，如果拧得很紧，很容易使它塑性变形或产生冷流，这就是抗蠕变性较差，所以要改性处理，加入某些填料以增强性能；

  2.聚四氟乙烯的耐磨性不理想，利用四氟制品摩擦系数非常小的特点应用较广，但同时制品在和对偶件运动中，耐磨性不足，机械强度差，刚性不够，比如制成无油润滑轴承，如果转速快，那就要经常更换轴承，影响正常的使用，这也要通过加入耐磨材料改进解决；

  3.PTFE材料表面能较差，使它与其它物质有不粘特性，虽然在纺织、胶水、流体等方法有很大的帮助，但同样也限制了它在工业上的应用，那么我们要给它表面钠处理等，让它能够和其它材料粘结；

  4.聚四氟乙烯树脂以模压制品为主，树脂粉的流动性差，许多零部件经常通过模压和挤出的方法制作而成半成品，然后再精车加工成品。聚四氟乙烯熔体粘度较高，即使加热温度上升至熔点温度的的分解温度，还是不能流动，不能和其它热塑性塑料一样用成型方法加工。几乎每模压一个规格的部件都需要一套模具，这使得加工成本上升，而且四氟原材料价格高，总的成本是比较昂贵的。加工四氟工艺复杂，应用场景范围受到限制；

  5.四氟的热线胀系数偏大，其线膨胀系数随着温度的变化而发生很不规律的变化，冷热收缩变化大，导致了它的加工尺寸稳定性不理想。烧结冷却或机床加工的物件，随着环境和温度的变化还是会有明显改变，这不是完全因内应力的原因而是线线胀系数过大的因素。又比如在应用于防腐设备时，作为容器衬里它与金属壳体的线线胀系数不一致，在流体冷热变化和负压操作条件下，由于技术成型的缺陷，它和容器粘附在一起的，所以PTFE衬里易发生变形、脱层、内瘪等现象，所以目前来说，纯PTFE加工精密的零部件就不适用。

  6.聚四氟乙烯通常情况下是安全无毒产品，但在超高温状态下，如在380以上高温加热时会释放带有剧毒离子放出，这就必须要格外注意明火、电焊或高温加热时通风安全和预防。

  7.虽然PTFE的电气特性非常好，有固体材料中最小的介电常数，耗散因数、高频率、体积及表面电阻显示最大值即有最好的绝缘性能，但聚四氟乙烯依赖于烧结而成的产品，本身带有极高的静电，许多场合又不允许使用，那么我们针对这样的一种情况需加入抗静电材料，成为抗静电产品。

  8.聚四氟乙烯制件是模压而成，压力大紧密性好，密度大，烧结尺寸收缩较小。如果压力偏轻则冷却时尺寸收缩就大，而且是一种不规则的收缩。聚四氟乙烯制件要求公差范围较大，不能和铁一样，可以精密加工。它的热膨胀变化比铁大了10倍。许多人标注公差是按钢铁件的要求做的，以至于在实际加工后，冷却收缩或受冷热变化可能走出公差范围。直接模压烧结加工好的聚四氟乙烯板，公差也比较大，比如加工四氟板：规格为厚10mm，厚度公差按行业标准为（＋1.00，-0.50）；

  9.聚四氟乙烯制品有惰性，所以不粘任何物体。但我们在使用中常常会碰到粘接或焊接的问题，其中粘接法有：放电处理法及碱金属溶液处理法，可以让四氟制件和其它材料来粘结。放电法是把聚四氟乙烯制件放在等离子发生器或辉光放电管中经抽真空，通入微量惰性气体使其活化，然后与聚四氟乙烯部件表面反应。碱金属溶液处理法有许多种工艺，最常用的是萘—钠络合液化学处理法。但不管怎么粘结，使用的粘结剂有耐温性、粘结强度等生成四氟制件之间的牢固度还有待改进；而采用热焊处理也能解决一部分四件相互连接，但焊条材料和四氟制件材料一般是稍有区别的，它们的焊接牢固度不够，也有待改进。

  10.聚四氟乙烯的导热系数低，导热较差，散热慢，就好象一块厚板表面感觉经手温热一点点时，板内部就比较高，而气温变化，材料也会收缩。由于散热慢，影响它作为轴承等厚壁产品要求导热材料的使用，当然加入填充材料还是有一定的效果的。

  聚四氟乙烯具有突出的性能，抗湿性不沾水和油，高温稳定，低温不脆化，耐老化不燃性，能应用于较强腐蚀的管道、容器、泵阀和雷达、高频通信器材等特种要求的场合，也用于高绝缘的电气、电子、军工航天领域，但其综合性能还是有许多不足的缺陷，需经过改善后在许多工作环境中能得到普遍使用。