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聚四氟乙烯(Teflon或PTFE),俗稱「塑料王」,是由四氟乙烯經聚合而成的高分子化合物,具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力。用作工程塑料,可製成聚四氟乙烯管、棒、帶、板、薄膜等。一般應用於性能要求較高的耐腐蝕的管道、容器、泵、閥以及制雷達、高頻通訊器材、無線電器材等。

1 聚四氟乙烯 -簡介

聚四氟乙烯,英文名稱:Polytetrafluoroethylene,簡稱PTFE或F4。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。聚四氟乙烯(Teflon或PTFE),俗稱「塑料王」,是美國杜邦公司的彭勵格(Roy Joseph Plunkett)博士於1938年發明的,杜邦公司在1945年註冊了Teflon®(特富龍®)商標並商業化生產。

聚四氟乙烯具有傑出的優良綜合性能,耐高溫,耐腐蝕、不粘、自潤滑、優良的介電性能、很低的摩擦係數。在PTFE中加入任何可以承受PTFE燒結溫度的填充劑,它的機械性能可獲得大大的改善。同時,保持PTFE其它優良性能。填充的品種有玻璃纖維、金屬、金屬化氧化物、石墨、二硫化鉬、碳纖纖、聚醯亞胺、EKONOL等,耐磨耗、極限PV值可提高1000倍。

2 聚四氟乙烯 -分子結構

聚四氟乙烯的化學結構是把聚乙烯中全部氫原子取代而成。它的分子式如圖示:

聚四氟乙烯圖示

PTFE分子中F原子把C-C鍵遮蓋起來而且C-F鍵鍵能高特別穩定,除礆金屬與氟元素外它不被任何化學藥品侵蝕。

PTFE分子中F原子對稱,C-F中兩種元素共價相結合,分子中沒有遊離的電子,整個分子呈中性。使PTFE具有優良的介電性能。由於PTFE分子外有一層惰性的含氟外殼,使它具有突出的不粘性能與低的摩擦係數。

 

3 聚四氟乙烯 -物理性質

聚四氟乙烯的機械性質較軟。具有非常低的表面能。   

聚四氟乙烯(F4,PTFE)具有一系列優良的使用性能:

耐高溫—長期使用溫度200~260度,耐低溫—在-100度時仍柔軟;

耐腐蝕—能耐王水和一切有機溶劑;耐氣候—塑料中最佳的老化壽命;

高潤滑—具有塑料中最小的摩擦係數(0.04),僅為聚乙烯的1/5,這是全氟碳表面的重要特徵 ;

不粘性—具有固體材料中最小的表面張力而不粘附任何物質;無毒害—具有生理惰性;

優異的電氣性能,是理想的C級絕緣材料,報紙厚的一層就能阻擋1500V的高壓;比冰還要光滑。聚四氟乙烯材料,

聚四氟乙烯相對分子質量較大,低的為數十萬,高的達一千萬以上,一般為數百萬(聚合度在104數量級,而聚乙烯僅在103)。一般結晶度為90~95%,熔融溫度為327~342℃。聚四氟乙烯分子中CF2單元按鋸齒形狀排列,由於氟原子半徑較氫稍大,所以相鄰的CF2單元不能完全按反式交叉取向,而是形成一個螺旋狀的扭曲鏈,氟原子幾乎覆蓋了整個高分子鏈的表面。這種分子結構解釋了聚四氟乙烯的各種性能。溫度低於19℃時,形成13/6螺旋;在19℃發生相變,分子稍微解開,形成15/7螺旋。   

雖然在全氟碳化合物中碳-碳鍵和碳-氟鍵的斷裂需要分別吸收能量346.94和484.88kJ/mol,但聚四氟乙烯解聚生成1mol四氟乙烯僅需能量171.38kJ。所以在高溫裂解時,聚四氟乙烯主要解聚為四氟乙烯。聚四氟乙烯在260、370和420℃時的失重速率(%)每小時分別為1×10-4.4×10-3和9×10-2。可見,聚四氟乙烯可在 260℃長期使用。由於高溫裂解時還產生劇毒的副產物氟光氣和全氟異丁烯等,所以要特別注意安全防護並防止聚四氟乙烯接觸明火。

4 聚四氟乙烯 -成型方法

1.模壓法 

2.推壓法   

3.皮囊法   

4.噴塗法   

5.編織法   

6.纏繞法   

7.滾壓法   

8.擠壓法   

9.粘接法   

10.焊接法   

11.熱定型法   

12.機加工法

5 聚四氟乙烯 -化學性質

聚四氟乙烯聚四氟乙烯抗氧化性

絕緣性:不受環境及頻率的影響,體積電阻可達1018歐姆•厘米,介質損耗小,擊穿電壓高。
    
耐高低溫性:對溫度的影響變化不大,溫域範圍廣,可使用溫度-190~260℃。
    
自潤滑性:具有塑料中最小的摩擦係數,是理想的無油潤滑材料。
    
表面不粘性:已知的固體材料都不能粘附在表面上,是一種表面能最小的固體材料。
    
耐大氣老化性,耐輻照性能和較低的滲透性:長期暴露於大氣中,表面及性能保持不變。

不燃性:限氧指數在90以下。

6 聚四氟乙烯 -分類及其填充產品

通用材料

各種棒、管、板膜、帶、繩、盤根、墊片,及用石墨、二硫化鉬、三氧化二鋁、玻纖、碳纖維作為填充物,來提高純聚四氟乙烯力學性能。

防腐類

1.管道及配件:純聚四氟乙烯管;聚四氟乙烯內襯管;外纏玻鋼鋼管;鋼複合法蘭  

2.化工容器內襯:聚四氟乙烯內襯釜;聚四氟乙烯內襯槽;聚四氟乙烯內襯塔;   

3.熱交換器  

4.波紋伸縮管   

5.閥門及泵的主要部件   

6.鋼絲增強滿壓軟管   

7.過濾材料。   

聚四氟乙烯膜經過縱橫雙向拉伸內大量氣孔,是一種新材料,將它與其他織物複合,即可製成煙塵固相防腐過濾袋或良好的防水透氣、防風得暖的雨具運動服、防寒服、特種防護服和輕便帳篷,製藥用空氣壓縮空氣、各種溶劑的無菌過濾及電子工業中高純氣體的過濾。

密封類

1.靜密封:夾層墊片;坐料帶;彈性密封帶;   

2.動密封(編製盤根、環形密封件):V型密封體——用於軸、活塞桿、閥門;渦輪泵內密封件;聚四氟乙烯與橡膠的複合密封環;帶波紋管可伸縮的機械密封。

承荷類

1.填充聚四氟乙烯軸承,用於食品化工造紙、紡織機械  

2.多孔銅浸漬氟塑料金屬軸承,可在高溫高壓干摩擦、真空條件下正常使用;   聚四氟乙烯抗氧化性

3.聚四氟乙烯纖維軸承的聚四氟乙烯纖維與玻纖或其他纖維混紡的複合織物製成的軸承內襯,用於低速高負荷;   4.填充聚四氟乙烯活塞環,導向環,機床導軌和橋樑滑塊

絕緣類

1.電線電纜的C級絕緣材料;   

2.雙水內冷汽輪發電機定子和轉子引水管和熱電偶的護套;   

3.高頻、超高頻通訊設備和雷達的微波絕緣材料;   

4.印刷線路基板及馬達、變壓器(含氣體變壓器)絕緣材料;   

5.空調、電子爐、各種加熱器及六氟化硫斷路器的絕緣材料

防粘類

1.漿紗機熱輥上的聚四氟乙烯玻璃布包覆層——可免除化學漿料形成的粘輥現象,大大提高生產速率和坯  不溶於強酸、強鹼和有機溶劑
2.食品工業的微波乾燥輸送帶——較之其他材料的輸送帶有不吸收微波能量,不粘物因之有節電、清潔優點   

3.聚乙烯袋裝封口的熱合套防粘材料;   

4.防粘塗層——用於廚房用鍋、烘麵包的烤模、冷凍食品儲存托盤、電熨斗托底、複印機夾輥

耐溫類

1.微波爐的驅動傳動裝置,如微波爐的連軸器、滾輪;   

2.各種制冷機、空調、制氧機、壓縮機的耐溫配件   

3.應用於硅原料清洗后烘乾時的烘箱托盤,用該材料鋪墊在托盤表面可以避免硅原料與金屬接觸,還能起到耐高溫、防酸鹼的效果

其他類

1.人體代用動脈、靜脈血管、心臟膜;   

2.內窺鏡、鉗導管,氣管;   

3.其他管、瓶、濾布等醫療器材。   

聚四氟乙烯微孔膜的類別及應用

1.聚四氟乙烯空氣過濾膜:厚度在0.01mm左右,透氣量60-80L/m2.s,具有表面光滑、耐化學物質、透氣不透水、透氣量大、阻燃、耐高溫、抗強酸鹼、無毒等特性,廣泛用於化工、鋼鐵、冶金、炭黑、發電、水泥、垃圾焚燒等各種工業熔爐的煙氣除塵過濾;   

2.聚四氟乙烯凈化過濾膜:厚度在0.02-0.03mm,泡點≥1kg/cm2 ( 5.3m/s 127Pa),廣泛應用於製藥、生化、微電子和實驗室耗材等領域;無塵車間、實驗室、通風設備、凈化設備、醫療電子等行業的空氣凈化   

3.聚四氟乙烯服裝膜:厚度0.03-0.05mm左右,透濕量≥10000g/m2.24h,靜水壓≧150kPa,廣泛應用於運動服裝,防寒服裝,消防、公安、醫護、防生化等特種服裝;鞋帽、手套以及睡袋、帳篷等。   

4.聚四氟乙烯複合膜:將溶劑型PU以我司獨有工藝淋膜到PTFE微孔膜表面,形成一種具有親水拒油功能的微孔薄膜。具有耐腐蝕、耐高溫、耐老化、高精度、超微濾等特性。廣泛應用於服裝面料、消煙除塵、凈化除菌等領域。

7 聚四氟乙烯 -應用

聚四氟乙烯聚四氟乙烯乙烯制管材

PTFE獨特的性能使其在化工、石油、紡織、食品、造紙、醫學、電子和機械等工業和海洋作業領域都有著廣泛的應用。

1、防腐蝕性能的應用

由於橡膠、玻璃、金屬合金等材料在耐腐蝕方面存在缺陷,難以滿足條件苛刻的溫度、壓力和化學介質共存的環境,由此造成的損失相當驚人。而PTFE材料以其卓越的耐腐蝕性能,業已成為石油、化工、紡織等行業的主要耐腐蝕材料。其具體應用包括:輸送腐蝕性氣體的輸送管、排氣管、蒸汽管,軋鋼機高壓油管,飛機液壓系統和冷壓系統的高中低壓管道,精餾塔、熱交換器,釜、塔、槽的襯裡,閥門等化工設備。

密封件的性能好壞對整個機器設備的效率與性能都有很大的影響。PTFE材料具有的耐腐蝕、耐老化、低摩擦係數及不粘性、耐溫範圍廣、彈性好的特性使其非常適合應用於製造耐腐蝕要求高,使用溫度高於100℃的密封件。如機器、熱交換器、高壓容器、大直徑容器、閥門、泵的槽形法蘭的密封件,玻璃反應鍋、平面法蘭、大直徑法蘭的密封件,軸、活塞桿、閥門桿、蝸輪泵、拉杆的密封件等等。

2、低摩擦性能在載荷方面的應用

由於有的設備的摩擦部分不宜加油潤滑,比如在潤滑油脂會被溶劑溶解而失效的場合或者造紙、製藥、食品、紡織等工業領域的產品需要避免潤滑油沾污,這就使填充PTFE材料成為機械設備零件無油潤滑(直接承受載荷)的最理想材料。這是因為該材料的摩擦係數是已知固體材料中最低的。其具體用途包括用於化工設備、造紙機械、農業機械的軸承,用作活塞環、機床導軌、導向環;在土木建築工程廣泛用作橋樑、隧道、鋼結構屋架、大型化工管道、貯槽的支承滑塊,以及用作橋樑支座和架橋轉體等。

3、在電子電氣方面的應用

PTFE材料固有的低損耗與小介電常數使其可做成漆包線,以用於微型電機、熱電偶、控制裝置等;PTFE薄膜是製造電容器、無線電絕緣襯墊、絕緣電纜、馬達及變壓器的理想絕緣材料,也是航空航天等工業電子部件不可缺少的材料之一;利用氟塑料薄膜對氧氣透過性大,而對水蒸汽的透過性小的這種選擇透過性,可製造氧氣感測器;利用氟塑料在高溫、高壓下發生極向電荷偏離現象的特性,可製造麥克風、揚聲器、機器人上的零件等;利用其低折射率的特性,可製造光導纖維。

4、在醫療醫藥方面的應用 

膨體PTFE材料是純惰性的,具有非常強的生物適應性,不會引起機體的排斥,對人體無生理副作用,可用任何方法消毒,且具有多微孔結構,從而可用於多種康復解決方案,包括用於軟組織再生的人造血管和補片以及用於血管、心臟、普通外科和整形外科的手術縫合。

5、防粘性能的應用

PTFE材料具有固體材料中最小的表面張力,不粘附任何物質,同時還具有耐高低溫優良的特性,從而使其在諸如製造不粘鍋的防粘方面的應用非常廣泛。其防粘工藝主要包括兩種:把PTFE部件或薄片安裝在基體上,以及把PTFE塗層或與玻璃複合的漆布經過熱收縮而套在基材上。

8 聚四氟乙烯 -製備

聚四氟乙烯由四氟乙烯經自由基聚合而生成。工業上的聚合反應是在大量水存在下攪拌進行的,用以分散反應熱,並便於控制溫度。聚合一般在40~80℃,3~26 Kg f/cm2壓力下進行,可用無機的過硫酸鹽、有機過氧化物為引發劑,也可以用氧化還原引發體系。每摩爾四氟乙烯聚合時放熱171.38kJ。分散聚合須添加全氟型的表面活性劑,例如全氟辛酸或其鹽類。聚四氟乙烯的聚合方法包括本體聚合、溶液聚合、懸浮聚合和乳液聚合(亦稱分散聚合)等,工業生產中主要採用懸浮聚合和乳液聚合。

9 聚四氟乙烯 -安全性

危險性

健康危害:本品基本無毒,但聚四氟乙烯的熱解物組分,含量和毒性常隨著加熱溫度的升高而增加和增高。吸入熱分解產物可引起中毒。中毒輕者表現為發熱和「感冒樣」癥狀;重者出現呼吸道刺激癥狀,出現化學性支氣管炎、肺炎,甚至發生肺水腫及心肌損害等。 長期低濃度接觸其熱解產物者,常出現頭痛、頭昏、失眠、惡夢、記憶力減退、乏力、腰酸背痛等。 
燃爆危險:本品可燃。

急救措施

吸入:迅速脫離現場至空氣新鮮處。保持呼吸道通暢。如呼吸困難,給輸氧。如呼吸停止,立即進行人工呼吸。就醫。

消防措施

危險特性:粉體與空氣可形成爆炸性混合物, 當達到一定濃度時, 遇火星會發生爆炸。受熱分解放出有毒的氟化物氣體。
有害燃燒產物:一氧化碳、二氧化碳、氟化氫。
滅火方法:儘可能將容器從火場移至空曠處。滅火劑:霧狀水、泡沫、乾粉、二氧化碳、砂土。

泄漏應急處理

隔離泄漏污染區,限制出入。切斷火源。建議應急處理人員戴防塵面具(全面罩),穿一般作業工作服。避免揚塵,小心掃起,置於袋中轉移至安全場所。若大量泄漏,用塑料布、帆布覆蓋。收集回收或運至廢物處理場所處置。

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