氟塑料的種類與特性

本文節(jié)選自 《氟塑料襯里閥門》（黃銳、胡遠銀、錢知勉 主編）

    1.氟塑料的種類：

    氟塑料是指分子結(jié)構(gòu)含有氟原子的一類高分子合成材料的總稱。它是一類含有氟的不飽和單體自聚合以及由氟不飽和單體共聚而成的一類合成樹脂。
    氟樹脂的品種很多，根據(jù)分子中氟原子的個數(shù)來分有下列品種：聚氟乙烯（PVF），簡稱F1；聚偏二氟乙烯（PVDF），簡稱F2；聚三氟氯乙烯（PCTFE），簡稱F3；聚四氟乙烯（PTFE），簡稱F4；聚六氟丙烯，簡稱F6。含氟塑料的共聚物有以下品種：可溶性聚四氟乙烯，簡稱PFA，是由聚四氟乙烯與全氟烷基乙烯醚共聚所組成；聚全氟乙丙烯（FEP）簡稱F46，是四氟乙烯與六氟乙烯的共聚物；F42是四氟乙烯與偏二氟乙烯的共聚物簡稱；F40是四氟乙烯與乙烯的共聚物簡稱；F30是三氟氫乙烯與乙烯的共聚物簡稱；F23（又稱3M）是偏二氟乙烯與三氟氯乙烯的共聚物簡稱。

    2.氟塑料的特性：

    由于氟塑料分子結(jié)構(gòu)中都有氟碳鍵及其屏蔽效應(yīng)，故具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐高（低）溫性、非黏附性、電絕緣性等，又由于它們彼此間的結(jié)構(gòu)上的差異，使其具有各自的特性，選用時要充分注意發(fā)揮不同品種氟塑料各自的優(yōu)點。由于氟塑料的品種很多，這里僅介紹產(chǎn)量最大，使用最多的聚四氟乙烯（PTFE）以及它的兩個改性產(chǎn)品：聚全氟乙丙烯（FEP）和可熔性聚四氟乙烯（PFA）。
    （1）聚四氟乙烯（PTFE）
    從聚四氟乙烯分子結(jié)構(gòu)看，C-C主要鏈的周圍對稱排列著氟原子，形成了一個氧原子組成的外罩保護著主鏈。C-F鍵極其牢固，使聚四氟乙烯具有很高的耐化學(xué)腐蝕性能，其耐腐蝕性超過了現(xiàn)有的所有塑料，故有“塑料王”之稱。聚四氟乙烯幾乎耐任何濃度的強酸、強堿、強氧化劑和溶劑的腐蝕，即使在高溫下對它也不發(fā)生作用。只有熔融的堿金屬或他們的氨溶液、氟化氯及元素氟會對它發(fā)生作用，而且也只有在高溫下才明顯地發(fā)生作用。
    聚四氟乙烯的力學(xué)性能見表19-1。

表19-1  聚四氟乙烯（PTFE）的力學(xué)性能

    聚四氟乙烯（PTFE）的商品名“鐵氟龍”、“泰氟龍”、"F4"等, 是由四氟乙烯自由基聚合而制得的一種全氟聚合物，它具有一C馬一CFZ一重復(fù)單元線性分子結(jié)構(gòu)，是結(jié)晶性聚合物，熔點大約為631℃，密度為2.13～2.19 g／cm3。PTFE具有優(yōu)異的耐化學(xué)品性，其介電常數(shù)為2.1左右，損耗因數(shù)低，在很寬的溫度和頻率范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。機械性能都很好。
    PTFE抗沖擊強度高，但拉伸強度、耐磨性、抗蠕變性比其它工程塑料差。有時加入玻璃纖維、青銅、碳和石墨來改善其特殊的機械性能。它的摩擦系數(shù)幾乎比任何其它材料都低，具有很高的氧指數(shù)。
    PTFE可制成粒料、凝結(jié)的細粉（0.2微米）和水分散液。粒狀樹脂用于壓塑和柱塞擠塑；細粉可以糊狀擠塑成薄壁材料；分散液可用作涂料和浸漬多孔材料。
    PTFE具有非常高的熔體粘度，這妨礙了慣用的熔融擠塑或模塑技術(shù)的采用。粒狀PTFE的模塑和擠塑方法與粉狀金屬和陶瓷用的方法相似——先壓縮再高溫?zé)Y(jié)；細粉需與加工輔料混合（如石腦油）形成糊狀，然后在高壓下擠成薄壁材料，再加熱除掉揮發(fā)性的加工助劑，最后燒結(jié)。
    （2）聚全氟乙丙烯塑料（FEP）
    FEP是四氟乙烯和六氟丙烯共聚而成的。
    聚全氟乙烯由于C-C鍵周圍有極牢固的氟碳鍵存在及其屏蔽效應(yīng)，因而使它的耐腐蝕性能極好。與聚四氟乙烯相似（在150℃下），它幾乎能抵抗所有化學(xué)介質(zhì)（包括濃硝酸及王水）的腐蝕。只有高溫下的氟、堿金屬及二氟化氯、三氟化氯等能與它發(fā)生作用。它對稀或濃的無機酸、堿、醇、酮、芳烴、氯代烴、油脂等均有優(yōu)良的耐腐蝕性。由于具有支鏈，故使它的耐溫略有降低，最高使用溫度約200℃，長期使用溫度比F4降低了50℃。
    FEP的突出優(yōu)點是具有較好的成型加工性能，可以用熱塑性塑料通用的成型加工方法如模壓、擠出、注射等進行加工。FEP在熔融狀態(tài)能和金屬黏結(jié)。
    FEP的力學(xué)性能見表19-2。
    FEP結(jié)晶熔化點為580 ℉，它是一種軟性塑料，其拉伸強度、耐磨性、抗蠕變性低于許多工程塑料。它是化學(xué)惰性的，在很寬的溫度和頻率范圍內(nèi)具有較低的介電常數(shù)（2.1）。該材料不引燃，可阻止火焰的擴散。它具有優(yōu)良的耐候性，摩擦系數(shù)較低，從低溫到392 ℉ 均可使用。該材料可制成用于擠塑和模塑的粒狀產(chǎn)品，用作流化床和靜電涂飾的粉末，也可制成水分散液。其主要的用途是用于制作管和化學(xué)設(shè)備的內(nèi)村、滾筒的面層及各種電線和電纜，如飛機掛鉤線、增壓電纜、報警電纜、扁形電纜和油井測井電纜。FEP膜已見用作太陽能收集器的薄涂層。

    （3）可溶性聚四氟乙烯塑料（PFA）
    PFA是聚四氟乙烯改性物,PFA樹脂相對來說是比較新的可熔融加工的氟塑料。
    PFA在室溫和250℃以下的力學(xué)性能與F4相似，285℃經(jīng)2000h后的拉伸強度和伸長率不下降，彎曲壽命是F4的2～3倍。PFA比F4的力學(xué)性能要好得多，如在250℃下，PFA的拉伸強度為13.7MPa，而F4在該溫度下其拉伸強度只有4.9MPa。PFA結(jié)晶熔點比F4低20℃，使用溫度與F4相同（250℃），且高溫強度比F4大2倍。PFA的熔點大約為304℃，密度為2.13~2.16 g／cm3。
    PFA與PTFE和FEP相似，但在302℃以上時，機械性能略優(yōu)于FEP，且可在高達500 ℉ 下的溫度下使用，它的耐化學(xué)性能與PTEF相當。PFA的產(chǎn)品形式有用于模塑和擠塑的粒狀產(chǎn)品，用于旋轉(zhuǎn)模塑和涂料的粉狀產(chǎn)品。
    PFA具有F4的所有優(yōu)良性能，又無F4那樣加工困難的缺點，它具有良好的熱流動性，可采用高效率的注塑機注塑加工成型，有可溶性聚四氟乙烯之稱。
    （4）聚三氟氯乙烯（PCTFE）
    PCTFE是三氟氯乙烯自由基引發(fā)聚合的帶有主要是重復(fù)一CF（cl）—CF單元線性主鏈的產(chǎn)物。
    PCTFE是結(jié)晶性的高分子，熔點為425 ℉，密度為2.13 g/cm³。
    PCTFE在室溫下對大多數(shù)活潑的化學(xué)品呈惰性，而在212℃以上可被少數(shù)幾種溶劑溶解，也可被一些溶劑溶脹，尤其是氯化過的溶劑。PCTFE具有優(yōu)異的阻隔氣體的能力，其膜產(chǎn)品的水蒸汽透過性在所有透明塑料膜中是最低的。其電性能與其它全氟聚合物相似，但介電常數(shù)（2.3）和損耗因數(shù)稍高，尤其是在高頻時。PCTFE可制作厚的（1／8英寸）光學(xué)透明制件。
    PCTFE雖可用熔融加工，但由于熔體粘度高，有降解趨勢導(dǎo)致加工品的性能變壞，故加工困難。
    PCTFE樹脂可制成用于模塑和擠塑的粒料。
    （5）乙烯三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）
    ECTFE樹脂是乙烯和三氟氯乙烯1:1的交替共聚物，熔點為464 ℉ ,密度為1.68 g/cm³。
    此材料從低溫到 330℃的性能良好，其強度、耐磨性、抗蠕變性大大高于PTEE、FEP和PFA。它在室溫和高溫下耐大多數(shù)腐蝕性化學(xué)品和有機溶劑。它的介電常數(shù)（2.6）低，在很寬的溫度和頻率范圍內(nèi)性能穩(wěn)定。ECTFE不著火，可防止火焰擴散，當暴露在火焰中時，將分解成硬質(zhì)的碳。
    ECTFE可制成用于模塑和擠塑的粒料及用于旋轉(zhuǎn)模塑、流化床涂飾、靜電涂飾的粉狀產(chǎn)品。 還可用作耐化學(xué)品和強度要求高的槽罐的內(nèi)襯。
    （6）乙烯—四氟乙烯共聚物（ETFE）
    ETFE是乙烯和四氟乙烯1:1交替共聚物,俗稱F40。ETFE熔點為518F，密度為1.70 g／cm3。ETFE是一種從低溫到356℉具有高抗沖性和機械性能好的堅韌的材料。耐化學(xué)品性能、電性能和耐候性與 ECTFE相似，與全氟聚合物相近,抗拉強度可達到50PMA,接近聚四氟乙烯的兩倍,更重要的是加工性能的提高,它和金屬表面的附著力表現(xiàn)突出,改變了一直使人們認為氟塑料和金屬復(fù)合不一致的可能,這一點對于工業(yè)防腐蝕領(lǐng)域的應(yīng)用意義重大,使氟塑料和鋼的緊襯工藝真正得以實現(xiàn)。該聚合物暴露在火焰中會熔化和分解。ETFE可制成用于擠塑和模塑的粒料，及用于旋轉(zhuǎn)模塑、流化床和靜電涂飾的粉末,但價格昂貴。注塑產(chǎn)品有泵、閥和其它化工設(shè)備的部件。
    （7）聚偏氟乙烯（PVDF）
    PVDF是偏二氟乙烯高分子量的白色粉末狀聚合物，它屬于結(jié)晶性材料，熔點為338F，密度為 1.78 g／cm3。其強度、耐磨性和抗蠕變性比 PTFE、FEP和 PFA高得多；具有良好的抗紫外線性和耐大氣老化性,在室溫下不被酸、堿等強氧化劑和鹵素所腐蝕,脂肪烴和芳香烴及醇、醛等有機溶劑對它也無影響。但發(fā)煙硫酸,強堿等能使某溶脹,二甲基乙酸胺等強極性有機溶劑能使其溶解成膠體狀溶液。聚偏氟乙烯具有良好的耐候性,在空氣中不燃燒,有較大的極性,介電常數(shù)高,介電損耗角正切值也大,體積電阻高為1014Ωcm,在148～302℉溫度范圍具有的性能良好。PVDF可制成粉狀、粒料和分散體系（鄰苯二甲酸二甲酯和二異丁基甲酮中含44％的樹脂）。它可用于擠塑、注射模塑、傳遞模塑，也可通過干粉或分散體噴涂技術(shù)用作涂料。

    3.閥門襯里用氟塑料

    襯里材料必須符合相關(guān)材料標準規(guī)定，其密度宜選用≧2.16 g/cm³的氟塑料，且不允許有雜質(zhì)存在。目前常用的氟塑料有FEP（F46）、PFA、PTFE（F4）和F2等。隨著新型塑料工程材料的不斷出現(xiàn)，將給閥門襯里增添更多的品種。用于食品醫(yī)藥、衛(wèi)生級閥門材料，還要求無毒無菌、無雜質(zhì)及清潔衛(wèi)生的材料。
    （1）聚四氟乙烯突出的加工性能特點是成型加工困難，在熔融狀態(tài)無流動性，在熔融溫度以上也不能從“高彈態(tài)”轉(zhuǎn)變到“黏流態(tài)”，加熱到它的分解溫度（415℃）也不能流動。
因此聚四氟乙烯很難用模壓、注射等一般熱塑性塑料的加工方法來制造形狀復(fù)雜的制件，只能將聚四氟乙烯粉料預(yù)壓成所需形狀，然后再燒結(jié)成型。其涂層多微孔，不能單獨用作防腐涂層。
    F4可以進行黏結(jié)，但需進行表面特殊處理。將F4與F4制件接合的最理想方法是焊接，一般F4的焊接方法分為熱壓焊接和熱風(fēng)焊接。
    （2）聚全氟乙丙烯塑料（FEP）,又簡稱為F46,FEP是四氟乙烯和六氟丙烯共聚而成的。F46的突出優(yōu)點是具有較好的成型加工性能，可以用熱塑性塑料通用的成型加工方法如模壓、擠出、注射等進行加工。F46在熔融狀態(tài)能和金屬黏結(jié)。
    （3）可溶性聚四氟乙烯塑料（PFA）
    PFA樹脂相對來說是比較新的可熔融加工的氟塑料。
    PFA具有F4的所有優(yōu)良性能，又無F4那樣加工困難的缺點，它具有良好的熱流動性，便于加工成型，有可溶性聚四氟乙烯之稱。
    PFA兼有F4與46的優(yōu)點，它即有F4優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性和耐高溫性能。又可像F46一樣可用一般熱塑性塑料加工方法成型加工，還可采用注塑機注塑成型,且比F46更為方便。PFA在工業(yè)上可用作防腐蝕襯里及防腐涂層。
    綜上所述,目前用得最多的氟塑料是聚全氟乙丙烯塑料（F46）與聚四氟乙烯塑料（F4）。前者采用模壓襯里,后者采用粉末預(yù)壓-燒結(jié)成型方法襯里. 可溶性聚四氟乙烯塑料（PFA）,可采用高效率注塑的方法襯里,襯里的工藝性與防腐蝕性能都比較好,但由于材料價格太高,限制了它的使用。