聚四氟乙烯（改性）的性能及其在機械工程中的應(yīng)用
發(fā)布時間 : 2020-07-07 瀏覽次數(shù) : 次本文通過對聚四氟乙烯(PTFE)與其它塑料的性能對比，指出了PTFE在機械工程上應(yīng)用時存在的問題，介紹了填充改性PTFE在滑動導(dǎo)軌，摩擦零件，密封件，防腐部件，建筑材料，農(nóng)業(yè)機械材料等方面的應(yīng)用，并對新的機械應(yīng)用領(lǐng)域作了展望。
聚四氟乙烯(PTFE)樹脂是美國化學(xué)家普倫凱特(Plunket)博士于1938年首先研制出來的，到20世紀50年代國外實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，我國是在20世紀60年代正式投產(chǎn)。PTFE俗稱”塑料王”，以其獨特的性能而被廣泛地應(yīng)用于各個方面。它具有耐高溫，不氧化，不溶解，特別好的化學(xué)穩(wěn)定性和極其優(yōu)異的介電性能，使其成為化學(xué)，機械等工業(yè)為主的幾乎所有產(chǎn)業(yè)部門不可缺少的重要材料之一。
一、聚四氟乙烯的基本性能
1、自身潤滑性
PTFE的摩擦系數(shù)比其他工程塑料小，是已知可實用的滑動面材料中摩擦系數(shù)值最低的，是理想的潤滑材料。
2、耐化學(xué)藥品性能
由于PTFE分子結(jié)構(gòu)上沒有雙鍵和支鏈及結(jié)晶度高等原因，因此具有優(yōu)異的耐化學(xué)藥品性能，是已知工程塑料中最好的。即使在高溫環(huán)境中它與濃酸，稀酸，濃堿和強氧化劑也不發(fā)生作用，甚至在王水中煮沸也不受侵蝕，與大多數(shù)溶劑，如醇，醚，酮等都無作用。
3、吸水性
PTFE的吸水率很低，與UHMWPE相當(dāng)，在水中也不膨脹。
4、寬闊的高低溫度使用范圍
PTFE可以在一200～260%的范圍內(nèi)長期連續(xù)使用，即使在一200~C的超低溫下仍不發(fā)脆，還可保持一定的撓曲性。
5、不粘性
PTFE是目前表面能最小的一種固體材料，表面張力僅0。019N/m，幾乎所有固體材料都不能粘附在其表面。
6、耐磨性
純的聚四氟乙烯極不耐磨，但在聚四氟乙烯中加入各種填料，耐磨性飛躍地提高，比某些常用作摩擦件的材料(如鑄鐵與銅)還耐磨。
7、衛(wèi)生無毒
PTFE衛(wèi)生無毒，符合衛(wèi)生標準，能夠接觸食品和藥品。
8、優(yōu)異的電絕緣性能
PTFE為高度非極性材料，具有極優(yōu)良的介電性，其擊穿電壓為25—40KV/mm;電阻極大，體積比電阻在200時仍高達1061~。
9、完全不燃燒性
PTFE熔點為327，高于其它一般的高聚物。在260%時其斷裂強度仍保持5MPa(約為室溫的1/5)，抗屈強度達1。4MPa。它具有極可貴的不燃性，其限氧指數(shù)(LO)在95以上，在火焰上只能熔融，不生成液滴，最終只被碳化。
10、優(yōu)異的耐老化性能和抗輻射性能
PTFE不僅在低溫與高溫下尺寸穩(wěn)定，在苛刻環(huán)境下性能不變，潮濕狀態(tài)下不受微生物侵襲，而其對各種射線輻射具有較高的防護能力。
11、其他性能
PTFE硬度低，質(zhì)地較軟，具有吸收和包容異物的能力;易于加工。
二、聚四氟乙烯的改性
1、改性的目的和方法
聚四氟乙烯雖然具有很多優(yōu)良特性，但也有許多不足，與其他工程塑料相比，其機械性能不是很好;線膨脹系數(shù)較大;成型收縮率大，二次加工困難;硬度低，耐磨性差;耐蠕變性差，易冷流;導(dǎo)熱性差以及價格較高等缺點。這些缺陷在一定程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。改性的目的有:提高機械性能;提高耐磨性;降低線膨脹;加強流動性等。
2、填充改性劑的種類和作用
采用玻璃纖維，石墨，二硫化鉬，二氧化硅，三氧化二鋁，青銅粉，碳纖維等對PTFE進行填充改性，可提高其表面硬度，耐磨性，耐蠕變性，彎曲強度，抗壓強度及尺寸穩(wěn)定性等。由玻璃纖維復(fù)合的PTFE的硬度一般可提高10%，耐磨性可增加500倍以上，耐蠕變性和抗冷流性能都有較大程度的提高和改善;二硫化鉬的加入有助于PTFE制品硬度，剛度的提高，降低初期起始的磨損量;石墨填充的PTFE有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性，壓縮蠕變性和較佳的導(dǎo)熱性;銅粉填充的PTFE可提高制品的抗蠕變性，抗壓強度，硬度及尺寸穩(wěn)定性。
三、在機械工程中的應(yīng)用
1、滑動導(dǎo)軌
滑動導(dǎo)軌往往是金屬切削機床，醫(yī)療器械與其他許多系統(tǒng)與裝置的安裝基礎(chǔ)，精度基礎(chǔ)與定位基礎(chǔ)，還是這些機械的壽命的標志，是機器的重要組成部分。機床制造業(yè)中，大多數(shù)機床導(dǎo)軌副均采用鑄鐵一鑄鐵，鑄鐵一淬火鑄鐵，鑄鐵一淬火鋼等形式搭配。但是由于其物理性能決定了金屬之間摩擦系數(shù)大，不耐磨，不能在干摩擦下工作，低速小位移時爬行，這種爬行對機床，尤其對精密機床來說，會影響進給精度與重復(fù)精度。當(dāng)改用填充PTFE導(dǎo)軌后，機床工作的低速平穩(wěn)性大大改善。由于塑料導(dǎo)軌具有異物埋物的特點，可以把鐵屑，沙粒埋嵌在塑料內(nèi)部，避免了自身的磨損，阻止了拉毛和研傷金屬表面，能起到保護床身導(dǎo)軌的作用。含有青銅粉和其他填料的PTFE具有優(yōu)異的摩擦性能，能在金屬表面形成轉(zhuǎn)移膜之后，使摩擦系數(shù)大幅度下降，轉(zhuǎn)移膜的承載能力大大提高，有效工作壽命也得以延長。若與金屬機床導(dǎo)軌搭配，其摩擦系數(shù)隨滑動速度的增大保持不變。因此這種填充PTFE導(dǎo)軌在低速和微量進給時不會產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，同時還具有吸振和緩沖性能。PTFE導(dǎo)軌在干摩擦?xí)r摩擦系數(shù)為0。05，有油潤滑時為0。03，無論機床導(dǎo)軌有無潤滑油，其工作運動時都是一樣平穩(wěn)。當(dāng)PTFE導(dǎo)軌磨損后需要修復(fù)時，維修工作十分省力，可以互換，容易保持尺寸精度，特別是在導(dǎo)軌部分被損壞，需要搶修情況下，用塑料作局部修補更顯優(yōu)越。
2、摩擦零件
機械工程上常用的PTFE摩擦件很多，有軸承，活塞環(huán)及齒輪等。PTFE是用作活塞環(huán)的理想材料，大量用于空氣壓縮機和水壓縮機。PTFE活塞環(huán)作為壓縮環(huán)起阻擋液體或氣體的作用，常見于不能用潤滑劑或其它苛刻條件下如有嚴重腐蝕性及對安全性要求比較高的場合，可以大大減少氣缸內(nèi)壁的磨損和重復(fù)鏜孔的次數(shù)，延長了氣缸使用壽命。例如有一臺式蒸氣錘，原用金屬環(huán)，當(dāng)二班制生產(chǎn)時，在正常情況下，半年以后氣缸內(nèi)壁磨損達7～9ram，金屬環(huán)2～3星期就被振斷，有時還會出現(xiàn)折斷的活塞環(huán)卡壞氣缸內(nèi)壁，不得不更換氣缸的情況。改用填充PTFE個月時氣缸內(nèi)壁磨損僅2mm，10個月后磨損也才3mm，壽命延長了4～5倍甚至更長。幾乎所有的活塞環(huán)在往復(fù)運動中起密閉作用，起動頻繁，因此要求靜摩擦系數(shù)小，在小負荷下PTFE靜摩擦系數(shù)比其他材料的活塞環(huán)低25%～75%。載荷越大越能發(fā)揮其優(yōu)越性，這在起動輕便，往復(fù)輕巧方面具有不可比擬的優(yōu)越性，結(jié)果表現(xiàn)在減少能耗，減少振動與噪聲，有利于保護環(huán)境。與此同時，PTFE可用作各種工況變化范圍寬，環(huán)境十分苛刻的輕紡，印染，造紙和食品等工業(yè)的運動傳遞和動力傳遞元件使用的齒輪與軸承
3、密封件
采用PTFE薄膜復(fù)合于橡膠密封材料表面，可提高橡膠密封件的耐溶劑性和耐介質(zhì)性，價格也相對較低，已被用于各種苛刻場合的密封要求。填充FE密封材料具有極好的耐高低溫特性，是目前替代傳統(tǒng)石棉墊片材料的主要替代物。碳纖維增強的PTFE密封材料更兼有高強度，高模量，耐疲勞，抗蠕變以及導(dǎo)熱率高，熱膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù)小等性能。這些綜合性能是任何一種密封材料都不可比擬的，是理想的高級密封材料。
4、防腐部件
改性PTFE對酸，堿，鹽腐蝕介質(zhì)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可取代金屬陶瓷用于防腐工程，特別適用于高溫，強烈腐蝕的場合，如化工廠的防腐蝕設(shè)備，管道與管件，耐腐蝕摩擦材料，閥門，泵，熱交換器，多孔板材及強腐蝕介質(zhì)的過濾材料，化工設(shè)備的襯里和涂層。
5、電絕緣件
改性PTFE廣泛用于電線使用的棒，管，生料帶的絕緣層，同時也用作各種插座，支座的絕緣體，高頻微波設(shè)備的絕緣材料，以及電化工業(yè)的電極等。
6、建筑材料
PTFE分散液浸漬玻璃布是優(yōu)良的膜結(jié)構(gòu)建筑材料，其透光性優(yōu)，可降低照明及空調(diào)費用，耐久性達20年以上，可降低涂裝清掃費用，對大構(gòu)架屋頂?shù)慕ㄖて诳煽s短50%，可降低屋頂材料費的50%及總建筑費用的20%，量輕耐震不燃，設(shè)計自由度大等。因此宜作室外球場，競技場，體育館，滑冰場，游泳池，大型展覽會，動植物園，交通站等的屋頂材料。
7、潤滑油添加劑
在邊界潤滑條件下，降低摩擦系數(shù)最有效的途徑是選擇適用的潤滑添加劑，而PTFE粉末是常用的固體添加劑。實驗證明，機油中添加一定數(shù)量的固體添加劑可有效節(jié)約發(fā)動機燃料油5%左右。
8、農(nóng)業(yè)機械材料
利用填充PTFE的自潤滑性與難粘附性，耐磨性，可廣泛制成推土機板襯里，挖土機鏟斗和自卸卡車車廂的內(nèi)襯等，以提高輸送物料的效率與穩(wěn)定性。
9、日用材料
噴涂PTFE的電熨斗工作面，既耐磨，摩擦阻力又小;噴涂PTFE的炒鍋，電飯鍋，具有不粘食品的特點;刀片上粘結(jié)或鑲裝了聚四氟乙烯薄膜，刀片緊貼面頰移動時，阻力既小皮膚上又有柔潤感。
10、新的機械應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)
除上述PTFE在機械行業(yè)中的應(yīng)用情況及研究成果外，從材料性能和結(jié)構(gòu)兩個方面同時考慮，PTFE在汽車工業(yè)，常規(guī)兵器，船舶，宇航和原子能，醫(yī)藥，環(huán)保等機械領(lǐng)域有廣闊的前景。
