在氟塑料品種中，產量最大、用途最廣的為聚四氟乙烯。其用量佔世界氟塑料總用量的70%~80%。聚四氟乙烯的一系列特性均優於其他聚合物材料，具有優異的綜合性能。本文介紹了聚四氟乙烯的結構，基於分子結構的分析，闡述了它所具有的物理化學特性；綜述了聚四氟乙烯在各方面的應用，並對該材料的應用前景進行了展望。
聚四氟乙烯(Polytetrafluoro ethylene ，PTFE)，簡稱F4，商品名稱是"特氟隆"( Teflon )，俗稱"塑料王"。 1938年,美國新澤西州杜邦研究實驗室的RS Plunkett 博士首先發明了聚四氟乙烯。美國杜邦公司在1945年註冊了Teflon®（特富龍®）商標,1948年實現了聚四氟乙烯的工業化生產。四氟乙烯常壓下是無色無嗅的氣體，沸點-76.3℃，熔點-142.5℃，易爆，易自聚。 PTFE為四氟乙烯(TFE)單體的高結晶聚合物，白色，無毒，無味。其聚合物分子是由-(-CF2-CF2-)-結構單元重複連接而成，是目前各行業中應用的最新型的工程塑料。
1、聚四氟乙烯的結構和特點在PTFE中，氟原子取代了聚乙烯中的氫原子，由於氟原子體積較大半徑為(0.064nm)，大於氫原子半徑(0.028nm)，且相鄰大分子的氟原子的負電荷又相互排斥，使得CC鏈由聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折構象漸漸扭轉到PTFE的螺旋構象，並形成一個緊密的完全"氟代"的保護層，這使其具有其他材料無法比擬的化學穩定性以及低的內聚能密度。
CC鍵的鍵能為372kJ/mol，CF鍵的鍵能為347kJ/mol,是已知鍵能中較強的，因此分子內結合牢，耐熱性高。長期使用溫度為-250℃～260℃，而CC鍵的鍵長為1.54×10-10m，CF鍵的鍵長為1.41×10-10m,又是常見單鍵中較短的，所以化學性質穩定，很難和其他物質發生化學反應，顯示出優異的耐候性、耐沾污性和耐化學品性。
大分子主鏈上沒有支鏈,整體內不形成交鏈，故其分子輪廓光滑，加之TFE單體具有完美的對稱性而使PTFE分子間的吸引力和表面能較低，所以PTFE具有極低的表面摩擦係數，且容易在滑動過程中轉移到對偶面上形成薄的轉移膜。
2、聚四氟乙烯的組成和結構決定其具有如下性能
2.1力學性能
2.1.1應力-應變性能在應力作用下，聚四氟乙烯的結晶帶存在兩類畸變方式，第一類畸變發生在低應力下，伸長較小時，條紋就與帶軸分離進行橫向滑動，由於在作用力方向上的轉動，一些條紋變斜，這種畸變屬於非結晶畸變；在很低的溫度下，非結晶區被凍結，不發生此類畸變。第二類畸變發生在高應力下，條紋指向應力方向而扭曲成人字形紋，這屬於晶體的實際應變。急速冷卻的聚四氟乙烯由於結晶帶的尺寸小，發生第一類畸變的情況多，因此有較高的強度和伸長率。
2.1.2蠕變和應力鬆弛聚四氟乙烯的蠕變和應力鬆弛性質不僅與溫度、時間和負荷等因素有關，而且還與結晶度和分子量有關。聚四氟乙烯的最佳剛性所對應的結晶度為75%-80%,高於這個結晶度時，聚四氟乙烯的耐蠕變性隨結晶度的增大而降低，蠕變的增加可能與較短聚合物鏈的存在有關。
2.1.3冷拉伸行為在室溫附近，低結晶度的聚四氟乙烯在冷拉伸時比高結晶度的硬，說明聚四氟乙烯的結晶區是塑性的，因此在應力下易屈服，而在無定形區域內分子鏈沿應力方向排列和取向，而且很小的微晶也能這樣取向，這樣就容易變硬而阻止塑性變形。
2.1.4疲勞行為聚四氟乙烯可以因疲勞而重複的破壞，但是仍然保持物理的完整性，維持著一個剩餘的疲勞強度。
2.2熱性能聚四氟乙烯具有優良的耐熱性和耐寒性，長期使用溫度範圍很寬（-195～250℃），在250℃高溫下經240h老化後，其力學性能基本不變。聚四氟乙烯的玻璃化溫度約為115℃，結晶熔點為327℃，加熱到熔點以上仍無粘流態轉變，溫度上升到390℃時開始分解。聚四氟乙烯的導熱係數為0.20-0.25W/m•K。線膨脹係數在（10-15）×10-5m/(m•K)之間，比多數塑料大，是鋼材的10-20倍，並隨著溫度的增加而增大。
2.3電性能聚四氟乙烯是一種高度非極性材料，具有及其優異的電性能，而且不受溫度、濕度和頻率的影響。聚四氟乙烯分子鏈上的氟原子是對稱的，碳-氟鍵又結合得相當牢固，因此分子中沒有游離的電子，整個聚四氟乙烯分子呈電中性。在室溫條件下的電性能見表1。在0℃以上時，其介電常數不隨溫度和頻率變化。隨著溫度的升高，聚四氟乙烯的體積電阻率稍有變化，即使在220℃下，仍有較高的體積電阻率。
2.4耐化學藥品和溶劑性質聚四氟乙烯中的CF鍵的鍵能高且穩定，分子為螺旋形構型，CC主鏈完全被體積較大的氟原子遮蔽。所以，濃酸、強鹼、強氧化劑即使在高溫時也不能對聚四氟乙烯起作用。聚四氟乙烯的耐化學品性能甚至超過貴金屬。除全氟烷烴和全氟氯烷烴使聚四氟乙烯有輕微的溶脹現像外，酮類、醚類等有機溶劑均不能對它起作用。目前，發現能對它起作用的僅為熔融狀態的鹼金屬、三氟化氯及氟元素等，但是只在高溫高壓下這種作用才明顯。由於聚四氟乙烯的潤濕性極小，所以它對酸和溶劑的吸收率極低，在高溫下長期接觸，一般僅增加1%左右。但是，由於聚四氟乙烯不能熔融加工，在製品中含有孔隙，有利於溶劑的滲透，預成型壓力越小，孔隙越多，滲透越大。
2.5耐輻射性對PTFE而言，F原子具有較大的原子半徑及最大的電負性，因而PTFE分子鍊是一種螺旋型的僵直鏈。在通常條件下輻照，所產生的不同大分子鏈自由基之間很難復合形成交聯結構，從而使降解反應成為主反應。 PTFE接受輻射能後，是在C—C部位斷裂而生成兩個大分子自由基，很少在C～F部位斷裂。形成的自由基具有較高的穩定性，可以在斷裂點附近實現諸如結構重排或分子間的歧化反應。
斷裂端迅速穩定下來，最終得到無規的小分子量分佈的聚合物。因此，PTFE輻射降解屬於自由基降解機理。輻射作用下，PTFE分子量迅速下降，性能發生很大變化。 PTFE降解受輻照條件的影響，不同輻照條件可以得到不同的高價值降解產物。在氧氣中輻射降解可以得到高氟酸衍生物，在惰性氣體中輻照可以得到全氟烯烴和全氟烷烴；在空氣中或氧、氮比例經過調解的大氣中輻射降解，可以得到純PTFE或改性PTFE超細粉。
2.6不沾性
PTFE 具有螺旋型結構, 所以分子較僵硬, 分子間的吸引力很微弱, 因而分子很容易滑動。其摩擦因數是塑料中最低的一種, 動、靜摩擦因數較接近。如鋼對它的動、靜摩擦因數可低至0.04 , 其自身的摩擦因數可低至0.01 , 接近於冰塊。對於由100 % PTFE 纖維製成的過濾材料, 它的摩擦因數低, 對濾料的清灰時可降低能耗。
圖一： PTFE管來源：丹凱
3、聚四氟乙烯的應用
PTFE具有優異的高低溫性能和化學穩定性，很好的電絕緣性、不粘性、耐候性、不燃性和良好的潤滑性，應用從航天領域到日用商品，成為現代科學技術、軍工和民用中解決許多關鍵技術問題不可或缺的材料。
3.1防腐減磨方面的應用
PTFE材料克服了普通塑料、金屬、石墨、陶瓷等耐腐蝕能力,柔韌性較差等缺點,以其卓越的耐高低溫和耐腐蝕性能,可以在條件苛刻的溫度、壓力和介質等情況下使用,已經成為石油、化工、紡織等行業的主要耐腐蝕材料。
PTFE管主要用作腐蝕性氣體、液體、蒸汽或化學藥品的輸送管、排氣管。由PTFE分散樹脂成型的推壓管襯入鋼管中形成襯裡,或在PTFE推壓內管外纏繞玻璃纖維增強,或在PTFE推壓管外用鋼絲編織纏繞增強後可在高壓下傳遞液體介質,作為液壓傳動不可缺少的部件,並且可以大大提高在高溫下的破裂強度同時具有良好的彎曲疲勞性。因為PTFE材料的摩擦係數是已知固體材料中最低的，所以這就使填充PTFE材料成為機械設備零件無油潤滑的最理想材料。例如造紙、紡織、食品等工業領域的設備加潤滑油容易使產品受到污染,填充PTFE材料就解決了這一難題。另外,實驗證明,機油中添加一定數量的固體添加劑可有效地節約發動機燃料油5%左右。
3.2耐腐蝕密封材料方面的應用由於聚四氟乙烯綜合性能良好,是任何一種密封材料都不可比擬的,它可用於各種苛刻場合的密封,尤其是對於高溫、耐腐蝕性要求較高時。聚四氟乙烯生料帶纖維長、強度高,而且塑性大、壓延性好,施加較小的壓緊力就可完全密封,操作應用方便,用在凹凸不平或結構精密的表面更顯其高效化，具有很好的密封性能並且可提高抗腐蝕能力,擴大其使用範圍。滑動部件的密封使用PTFE填料,可以獲得良好的耐腐蝕穩定性,而且它具有一定壓縮性回彈性、滑動時阻力小。填充PTFE密封材料使用溫度範圍廣泛,是目前傳統石棉墊片材料的主要替代物,更兼有高模量、高強度、抗蠕變、耐疲勞、以及導熱率高、熱膨脹係數和摩擦係數小等性能,加入不同的填充料更可擴大應用範圍。
3.3防粘性的應用
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、無毒的優良特性,所以PTFE作為塗料常用作餐具的防粘內襯,主要用於不粘鍋和微波爐的內膽。雖然PTFE材料具有其它材料無法替的優異性能,但是本身也存在著一定的缺點,例如:難熔融加工性、難焊接性和冷流性。隨著材料應用技術的不斷發展,這些缺點正在逐漸被克服,從而使它在石油化工、電子、醫學、光學等多種領域的應用前景更加廣闊。
3.4電氣方面的應用
PTFE具有優良的電學性能,它的體積電阻率可達1017Ω,表面電阻率大於1016Ω,在100％相對濕度下也保持不變;介電常數低達2.0,介電損耗正切約為2×10- 4且均與溫頻率無關;耐熱性好,在260℃下長期使用,絕緣性好,可以達到H級以上;具有強韌性和可撓曲性,即使低至-90℃韌性依然沒影響;耐老化,耐氣候性優良,高度的化學穩定性;具有不燃和低發煙性。用其製成的印刷線路基板在航空航天領域已有廣泛應用,所以PTFE製品特別適用於電信、計算機、測試與測量、國防等諸多高性能、高挑戰性的領域。
3.5建築方面的應用採用PTFE作為材料的第一個建築物在70年代建於美國加利福尼亞州。近兩年來國內也開始使用,如:北京奧運鳥巢,鐵路上海站北廣場站房, 上海世博會挪威館等。 PTFE作為建築用膜材料耐用年數在20年以上，而且其自潔性好,不吸附灰塵和髒物,雨水可沖刷掉表面的附著物,可降低清掃費用,所以適合於高潔淨性要求的場合。
3.6醫療衛生方面的應用
PTFE表面張力小、不親水、生物相容性好,可以用於人造血管,此種人造血管壁內表面勢能的增加會促使內皮細胞的沉降和凝結,這是微孔PTFE製品表面能的改變導致周圍組織明顯的生物反應結果,利用此性能可以防止在移植物間隙中的血栓形成過程利用膨體PTFE和橡膠塑料薄膜組成胃鏡鉗導管,於其可隨意彎曲變形,與人體接觸無異物反應,用於對人體胃進行即時取樣、取異物、息肉摘除等,能做到操作自如,使病人免受不必要的痛苦。另外聚PTFE在醫學上可製成人工十字韌帶、關節、食道和氣管、尿道、膽汁管等。比較常見的整容手術隆鼻和整形下頜也是採用PTFE作為填充材料。
隨著材料應用技術的不斷發展，近幾年國外對PTFE及其改性材料應用研究,已使其成為一種十分成熟的材料,我國雖已有一定發展,但在改性研究和加工成型工藝方面與國外的差距還很大。聚四氟乙烯在多方面具有優異的性能,是其它材料不可比擬的,應用領域十分廣闊。
本文由鐵氟龍管小姐姐原創，歡迎關注，帶你一起長知識！
沒有留言:
發佈留言