聚四氟乙烯（改性）的性能及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間 : 2020-07-07 瀏覽次數(shù) : 次本文通過(guò)對(duì)聚四氟乙烯(PTFE)與其它塑料的性能對(duì)比，指出了PTFE在機(jī)械工程上應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題，介紹了填充改性PTFE在滑動(dòng)導(dǎo)軌，摩擦零件，密封件，防腐部件，建筑材料，農(nóng)業(yè)機(jī)械材料等方面的應(yīng)用，并對(duì)新的機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域作了展望。
聚四氟乙烯(PTFE)樹(shù)脂是美國(guó)化學(xué)家普倫凱特(Plunket)博士于1938年首先研制出來(lái)的，到20世紀(jì)50年代國(guó)外實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，我國(guó)是在20世紀(jì)60年代正式投產(chǎn)。PTFE俗稱”塑料王”，以其獨(dú)特的性能而被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)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(jī)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(rùn)滑性
PTFE的摩擦系數(shù)比其他工程塑料小，是已知可實(shí)用的滑動(dòng)面材料中摩擦系數(shù)值最低的，是理想的潤(rùn)滑材料。
2、耐化學(xué)藥品性能
由于PTFE分子結(jié)構(gòu)上沒(méi)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(qiáng)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(wú)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(zhǎng)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(wú)毒
PTFE衛(wèi)生無(wú)毒，符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)仍高達(dá)1061~。
9、完全不燃燒性
PTFE熔點(diǎn)為327，高于其它一般的高聚物。在260%時(shí)其斷裂強(qiáng)度仍保持5MPa(約為室溫的1/5)，抗屈強(qiáng)度達(dá)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(duì)各種射線輻射具有較高的防護(hù)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(jī)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(jià)格較高等缺點(diǎn)。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(jī)械性能;提高耐磨性;降低線膨脹;加強(qiáng)流動(dòng)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(duì)PTFE進(jìn)行填充改性，可提高其表面硬度，耐磨性，耐蠕變性，彎曲強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)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(qiáng)度，硬度及尺寸穩(wěn)定性。
三、在機(jī)械工程中的應(yīng)用
1、滑動(dòng)導(dǎo)軌
滑動(dòng)導(dǎo)軌往往是金屬切削機(jī)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(jī)械的壽命的標(biāo)志，是機(jī)器的重要組成部分。機(jī)床制造業(yè)中，大多數(shù)機(jī)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(shí)爬行，這種爬行對(duì)機(jī)床，尤其對(duì)精密機(jī)床來(lái)說(shuō)，會(huì)影響進(jìn)給精度與重復(fù)精度。當(dāng)改用填充PTFE導(dǎo)軌后，機(jī)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(diǎn)，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(hù)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(zhǎng)。若與金屬機(jī)床導(dǎo)軌搭配，其摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)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(jìn)給時(shí)不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，同時(shí)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(rùn)滑時(shí)為0。03，無(wú)論機(jī)床導(dǎo)軌有無(wú)潤(rùn)滑油，其工作運(yùn)動(dòng)時(shí)都是一樣平穩(wěn)。當(dāng)PTFE導(dǎo)軌磨損后需要修復(fù)時(shí)，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(bǔ)更顯優(yōu)越。
2、摩擦零件
機(jī)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(jī)和水壓縮機(jī)。PTFE活塞環(huán)作為壓縮環(huán)起阻擋液體或氣體的作用，常見(jiàn)于不能用潤(rùn)滑劑或其它苛刻條件下如有嚴(yán)重腐蝕性及對(duì)安全性要求比較高的場(chǎng)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(zhǎng)了氣缸使用壽命。例如有一臺(tái)式蒸氣錘，原用金屬環(huán)，當(dāng)二班制生產(chǎn)時(shí)，在正常情況下，半年以后氣缸內(nèi)壁磨損達(dá)7～9ram，金屬環(huán)2～3星期就被振斷，有時(shí)還會(huì)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(gè)月時(shí)氣缸內(nèi)壁磨損僅2mm，10個(gè)月后磨損也才3mm，壽命延長(zhǎng)了4～5倍甚至更長(zhǎng)。幾乎所有的活塞環(huán)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中起密閉作用，起動(dòng)頻繁，因此要求靜摩擦系數(shù)小，在小負(fù)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(dòng)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(dòng)與噪聲，有利于保護(hù)環(huán)境。與此同時(shí)，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(yùn)動(dòng)傳遞和動(dòng)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(jià)格也相對(duì)較低，已被用于各種苛刻場(chǎng)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(qiáng)的PTFE密封材料更兼有高強(qiáng)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(jí)密封材料。
4、防腐部件
改性PTFE對(duì)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(qiáng)烈腐蝕的場(chǎng)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(qiáng)腐蝕介質(zhì)的過(guò)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(shí)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(fèi)用，耐久性達(dá)20年以上，可降低涂裝清掃費(fèi)用，對(duì)大構(gòu)架屋頂?shù)慕ㄖて诳煽s短50%，可降低屋頂材料費(fèi)的50%及總建筑費(fèi)用的20%，量輕耐震不燃，設(shè)計(jì)自由度大等。因此宜作室外球場(chǎng)，競(jìng)技場(chǎng)，體育館，滑冰場(chǎng)，游泳池，大型展覽會(huì)，動(dòng)植物園，交通站等的屋頂材料。
7、潤(rùn)滑油添加劑
在邊界潤(rùn)滑條件下，降低摩擦系數(shù)最有效的途徑是選擇適用的潤(rùn)滑添加劑，而PTFE粉末是常用的固體添加劑。實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)油中添加一定數(shù)量的固體添加劑可有效節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)燃料油5%左右。
8、農(nóng)業(yè)機(jī)械材料
利用填充PTFE的自潤(rùn)滑性與難粘附性，耐磨性，可廣泛制成推土機(jī)板襯里，挖土機(jī)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(diǎn);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(dòng)時(shí)，阻力既小皮膚上又有柔潤(rùn)感。
10、新的機(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)
除上述PTFE在機(jī)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(gè)方面同時(shí)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(jī)械領(lǐng)域有廣闊的前景。
