聚四氟乙烯(PTFE)是美國杜邦公司于1938年首先開發(fā)的，1941年進行中間的試驗，1949年實現(xiàn)工業(yè)化。它是目前氟塑料中最先進的一種，應(yīng)用最廣泛，產(chǎn)量最大，約占世界氟塑料產(chǎn)量的89~95%。聚四氟乙烯是一種無極性直鏈型結(jié)晶聚合物，為白色、無臭、無味、無毒的粉狀物，濃縮分散液為乳白色液體。目前，聚四氟乙烯以其良好的耐化學(xué)腐蝕性和耐高低溫作為墊片以及其他密封元件被廣泛應(yīng)用在石油、化工、食品、醫(yī)藥等設(shè)備和裝置上，但其易蠕變的缺點嚴(yán)重限制了該種材料的應(yīng)用。本文分析了后處理工藝對PTFE密封材料性能的影響，選擇合適的后處理工藝，設(shè)計試驗用夾具，對PTFE改性起到良好的作用。

聚四氟乙烯(PTFE)的后處理工藝包括拉伸工藝和熱處理工藝，下面具體介紹兩種工藝的特點。

圖一：聚四氟乙烯管 來源：丹凱

一、拉伸工藝

復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)從根本上保證了制品的性能，采用的拉伸工藝是對現(xiàn)有的PTFE成型加工工藝的改進，它能從根本上改變PTFE的晶體結(jié)構(gòu)和形貌結(jié)構(gòu)。因此，制備改性聚四氟乙烯墊片密封材料時，拉伸工藝參數(shù)的正確選用十分重要。選用拉伸工藝參數(shù)時，必須綜合考慮拉伸速率、拉伸比、拉伸溫度等因素對制品性能的影響。

拉伸工藝分單向拉伸和雙向拉伸。

1、單向拉伸

在實際應(yīng)用中，單向拉伸會使聚四氟乙烯在拉伸方向的性能有所提高，但性能改善的程度依然有限。但是，單向拉伸工藝簡單，可以在試驗中采用。

在進行單項拉伸時，聚四氟乙烯節(jié)點開始延伸，微細(xì)纖維與拉伸方向平行。在高溫及高速條件下進行拉伸所得的聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)中可以得到具有均勻空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點，這些節(jié)點與大量聚四氟乙烯纖維相連構(gòu)成一種高質(zhì)量的網(wǎng)狀物，而且在高溫高速下拉伸可以增加制品的強度。

2、雙向拉伸

雙向拉伸包括從縱向拉伸和橫向拉伸，在一定的溫度和設(shè)定的速度下，同時或分步在垂直的兩個方向(縱向、橫向)上進行的拉伸，之后還要經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，通過雙向拉伸的PTFE，在垂直的兩個方向上性能提高較大，綜合性能達到實際應(yīng)用的需要。雙向拉伸的方法有許多種類，實際應(yīng)用中要根據(jù)產(chǎn)品的性能要求、生產(chǎn)的規(guī)模及生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備特點來確定。

通過改變工藝條件，及立場和溫度場，可以獲得縱橫兩個方向的物理機械性能相同(各相同性)的板材，也可以制出一個方向的機械性能高于另一個方向的各向異性板材。這是由于在雙向拉伸中，縱向與橫向哪一個方向用得力大，那么在哪個方向上纖維就較長，數(shù)目也較多。增加拉伸比可以增加纖維的長度。節(jié)點的大小和形狀與拉伸比有關(guān)，單向拉伸的制品節(jié)點形狀呈細(xì)長的扁球體，雙向拉伸的制品節(jié)點接近球形。纖維長短、粗細(xì)與拉伸、熱定型條件有關(guān)，而纖維的性質(zhì)又影響著制品的機械性能，總之，通過控制拉伸方向、拉伸比、拉伸速率等因素，可以控制聚四氟乙烯墊片制品的結(jié)構(gòu)，進而控制其機械性能。

在雙向拉伸聚四氟乙烯板材的過程中，由于聚合物在縱、橫兩個方向經(jīng)歷了一定的拉伸，改變了分子和鏈段的排列，因此，拉伸板材的主要性能比非拉伸板材有明顯的變化。機械性能、抗蠕變性能、回彈性能和柔韌性都有明顯增加。

圖二：聚四氟乙烯管 來源：丹凱

3、常溫拉伸和高溫拉伸

板材的拉伸，可以從室溫到接近聚四氟乙烯熔點(327℃)的范圍內(nèi)進行。一般地說，溫度較低時，拉伸比及拉伸速率均受一定限制，這是由高分子的力學(xué)性能所決定的。溫度高時，高分子鏈易于變形，拉伸比及速率均可相應(yīng)提高。高溫拉伸一般在250~300℃之間進行。

4、拉伸比和拉伸速率

拉伸比的大小是影響性能的重要因素之一。拉伸比用拉伸后試樣長度與拉前試樣長度之比來表示。隨著拉伸比的增加，制品的拉伸強度、伸長率和柔軟性增加，表觀密度下降，所以提高拉伸比對制品的性能有益。但拉伸比過大，制品易斷、成型困難。拉伸比主要受樹脂種類、干燥溫度、制品截面積等方面的影響。通常拉伸比應(yīng)在2~7之間選擇。

拉伸速率一般不到1m/min，如要求有較高的抗拉強度時，就要增加拉伸速度。

圖三：聚四氟乙烯管 來源：丹凱

二、熱處理工藝

選擇適宜的熱處理方法和條件是改進聚四氟乙烯板材性能的主要途徑。試樣拉伸后都要經(jīng)過熱處理，其目的是加速聚合物的二次結(jié)晶或結(jié)晶過程，使分子鏈取向轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶取向，消除內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)晶度，使晶體結(jié)構(gòu)趨于完善，使尺寸穩(wěn)定化等。但是，在高溫處理時，溫度越高，材料的機械性能下降越明顯。因此，必須根據(jù)試樣的性能要求來選擇合適的熱處理條件。

1、熱定型

板材拉伸后必須采用熱定型處理。高分子拉伸后，受熱會引起分子鏈恢復(fù)拉伸前狀況，宏觀即引起板材的翹曲。所以熱定型時，在材料拉伸方向上要保持一定拉力，以免影響材料的性能和外觀。如完全無拉力下加熱，會使板材發(fā)生嚴(yán)重的變形。本研究采用夾具夾緊，以保持拉力，使板材在加熱時，在拉伸方向上保持一定拉力。

當(dāng)被拉伸的預(yù)成型加熱到熔點以上時，結(jié)晶相漸漸轉(zhuǎn)變成無定型相，結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的無定型部分沿著結(jié)晶軸做較大的滑動，由于纖維和節(jié)點的阻礙，在應(yīng)力下阻止了這種滑動。因此，熱定型過程可看作是無定型部分的固定過程。聚四氟乙烯的微觀結(jié)構(gòu)在無定型相固定階段沒有發(fā)生本質(zhì)的變化，但是，如果無定型部分長時間處于過高的溫度下，微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，節(jié)點增加，纖維破壞，導(dǎo)致制品強度降低。熱處理溫度高于390℃時，一分鐘內(nèi)就可能引起分解、失強。

2、冷卻

冷卻過程是一個由無定型相轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相的過程，是大分子鏈段重新排入晶格并由無序變?yōu)橛行虻乃沙谶^程。冷卻速度決定著制品的結(jié)晶度，影響到制品的各種物理機械性能。聚四氟乙烯的最大結(jié)晶度出現(xiàn)在比熔點低10~20℃的溫度下，即是在310~315℃的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。冷卻方法包括兩種：緩慢冷卻(不淬火);快速冷卻(淬火)。

緩慢冷卻即在空氣中按合適的速度直接冷卻，所得制品的結(jié)晶度較大，收縮率較大，制品收縮率較大。

快速冷卻即把拉伸后的試樣置于水中或空氣中以最快的速度通過結(jié)晶速度最大的溫度區(qū)域進行冷卻，使制品內(nèi)保存有大量非晶區(qū)，這種方法所獲得的制品結(jié)晶度低、韌性好、硬度低、拉伸強度大、制品收縮率較小;但容易出現(xiàn)裂紋，造成廢品，此外，由于聚四氟乙烯的導(dǎo)熱性差，在淬火過程中會產(chǎn)生較大的應(yīng)力而使制品撓曲或變形，但如果在快速冷卻時加壓冷卻，即把拉伸后的試樣壓入冷模腔，在1/3的預(yù)成型壓力下冷卻，所得制品將不會出現(xiàn)快速冷去給制品造成的缺陷且質(zhì)量接近緩慢冷卻所得到的制品。

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