9002-84-0 / 聚四氟乙烯的性質及應用

【概述】

聚四氟乙烯（PTFE）作為工程塑料的一種及自潤滑材料，優異的高低溫性能和化學穩定性,極好 的電絕緣性、非粘附性、耐候性、不燃性和良好的潤滑性。由于聚四氟乙烯具有的優異性質，使其在化工、材料、醫學、食品行業及航空航天等行業使用廣泛。

【結構特點】

1.由于氟原子體積比氫原子大,F-C鍵鍵長又短,相鄰大分子的氟原子的負電荷又相互排斥,PTFE中未成鍵原子間的范德華力有較大的排斥力,使分子鏈已不可能像聚乙烯那樣在空間呈平面鋸齒形排列,而只能是以拉長的螺旋形扭曲的鋸齒形排列,方能使較大的氟原子緊密地堆砌在碳一碳鏈骨架周圍如圖1。該螺旋構象正好包圍在PTFE易受化學侵襲的碳鏈骨架外形成了一個緊密的完全“氟代”的保護層,這使PTFE的主鏈不受外界任何試劑的侵襲。在低于19℃時,一個螺距可以包括多達12-26個碳原子（6-13個單體單元）。高于19℃時,分子鏈稍微松開,螺距拉長,一個螺距更可包括多達14-30個碳原子（7-15個單體單元）。

2.氟原子與骨架碳原子的連接和緊密堆砌,使分子鏈產生很大剛性,分子鏈的高度規整又使PTFE產生高度結晶,這樣便決定了PTFE具有高耐熱性和高熔點。

3.與每個碳原子連接的兩個氟原子完全對稱,使PTFE成為完全的非極性聚合物,賦予PTFE材料極優異的介電和電絕緣性能。

4.氟原子對骨架碳原子有屏蔽作用,加之F-C鍵具有較高鍵能,特別是當一個碳原子上連接有兩個氟原子時,鍵長進一步縮短,鍵能增大,使材料具有高度熱穩定性。四氟乙烯單體是由四個F原子對稱地排列在兩個C原子上構成,C原子之間為雙鍵,不能自由轉動,聚合后,PTFE的分子鏈主鏈上的碳原子間以及碳原子與氟原子之間的單鍵可以做有限的自由轉動。

5.由于上述第4個特點,加之PTFE的非極性和結晶結構,使PTFE材料具有極優異的耐化學試劑性和耐溶劑性。

6.分子鏈的高剛性及分子鏈的異常巨大（分子量極高）。使聚四氟乙烯的熔融粘度極高,很難流動。

7.分子鏈完全的非極性。使PTFE分子鏈間吸引力很小,分子鏈又是無支鏈的高剛性鏈,纏結很小,使得PTFE開材料宏觀上力學性能不佳,并容易出現冷流現象。PTFE是完全對稱而且無支鏈的線型高分子,分子不具有極性。

8.PTFE的大分子主鏈上沒有支鏈,整體內不能形成交聯,故其分子輪廓光滑。這種光滑的分子輪廓使它既顯低摩擦特性,又易在滑動過程中轉移到對偶面上形成薄的轉移膜。

圖1為聚四氟乙烯的螺旋結構

【性能】

1.耐化學性 由于“C-F”鍵的鍵能極高，不易被拆開，且聚四氟乙稀分子間的堆砌密度較大，這就使各種試劑很難滲入分子鏈中間。截原子的取代使PTFE形成螺旋結構型，并在C鏈周圍形成惰性的外殼。這惰性的螺旋型全氟“外殼”加之PTFE分子的非極性和結晶結構，使得PTFE具備了優秀的耐化學性。除溶融堿金屬、元素氟和強氟化介質（如三氟化氯）以及300℃的氫氧化鈉以外，聚四氟乙稀幾乎不受其余任何化學試劑的腐蝕。所有的強酸、強堿、強氧化劑、鹽類試劑即使在加熱的條件也無法對PTFE產生影響，甚至在煮沸的王水中，聚四氟乙稀的質量和性能也都沒有任何變化。對于有機化合物，除了鹵化胺類和芳烴使其有輕微的溶脹外，其他所有的有機溶劑對PTFE都沒有影響，所以聚四氟乙稀材料又被被譽為“塑料王”。

2.耐熱，冷性能 由于氟原子取代氫原子，使得分子鏈由平面結構轉變為螺旋結構，氟原子在分子碳鏈骨架外形成一個“保護殼”，且C-F鍵能較高，因而聚四氟乙烯又具有極好得耐高低溫性能，此性能表現為PTFE材料可長時間在-190℃-+260℃的溫度范圍內使用，即使在溫度降低至-196℃時，也可以保持5%的伸長率。 而在實際使用中，能夠經受280℃的高溫，短時間可達300℃。當溫度達到290℃以上時開始升華，但重量損失率極小，僅為0.0002%，當327℃時達到凝膠狀態，上面所述的種種性能說明它是可在惡劣的環境中使用的理想的過濾材料。

3.阻燃性 在高溫或者化學易燃環境中火焰蔓延是非常嚴酷的，需要有較好的阻燃材料進行防護，而聚四氟乙稀纖維是耐高溫阻燃纖維中發展最早的品種。他的極限氧指數（LOI）高達95%，這就是說它需要含氧量在95%的環境才能點燃和保持火焰。

4.潤滑性和不粘性 PTFE的分子鏈呈現為剛性的螺旋型結構，大分子間的相互吸引力較小，這使得PTFE分子鏈很容易相對滑動，且其表面對其它分子的吸引力也小，這就使得PTFE材料的摩擦系數非常小，在0.008-0.05之間，是現有合成纖維中最小的，只有錦綸的1/6。因此可應用于需要免維護、不粘合及易滑動等性能的場合。在特定的范圍內，隨負荷或溫度的增加，動摩擦系數有降低趨勢。 PTFE表面自由能很小，表面張力僅有0.019N/m，是已知固體材料中表面自由能最小的品種，現有的固體材料幾乎都無法黏附在其表面。因而，如果100%PTFE纖維制成的過濾材料還是一種不粘材料，過濾清灰時可降低能耗費。

5.耐大氣中的老化 聚四氟乙稀對紫外線是100%的穩定，不會老化。即使將其在室外暴露15年，PTFE材料的機械性能也沒有明顯的變化。

6.其他性能 聚四氟乙稀材料還具有低的滲透性，優異的絕緣性，耐候性，拒水，耐水性以及良好的收縮性能。

【性質及應用】

1.化學穩定性強

聚四氟乙烯能承受絕大多數強酸、強堿等的作用，可以廣泛用于各種防腐器件。

2.使用溫度范圍寬泛

聚四氟乙烯可在-50-200℃的溫度區間內正常工作，最高工作溫度540℃。

3.突出的不粘性

聚四氟乙烯表面能極小，表面不粘性極好。廣泛應用于防污管道等器件的設計和應用。

4.潤滑性優異

聚四氟乙烯大分子間的作用力較小，摩擦系數較低，因此目前廣泛用于機械設備中的潤滑材料。

5.電氣絕緣性能 聚四氟乙烯作為一種非極性材料，體積電阻可達10^18Ω·cm，電氣絕緣性能優異，因此是導電器件的常用絕緣材料。

【制備方法】

1.懸浮聚合 先用氮氣趕走聚合釜中的空氣,加入水和引發劑過硫酸銨,再加入1%-2%HCl作為活化劑,冷卻并抽真空,然后加入四氟乙烯,在攪拌下保持釜內溫度和壓力。反應結束后,冷卻高壓釜,回收未反應的單體。聚合物為白色粉狀或纖維狀物,經過濾、洗滌、干燥得到產品。

2.分散聚合 在聚合釜中加入水及過氧化物引發劑如過硫酸銨和微量分散劑如全氟辛酸銨,隨后加入氣體四氟乙烯至壓力2MPa,控制釜內溫度20℃,加入還原劑偏重亞硫酸鈉。聚合開始后,每當壓力下降0.05MPa即向釜內補加單體,使其恢復原來的壓力。在反應前期和中期,分別補加一定量的分散劑。聚合所得的分散液經機械攪拌、凝聚、洗滌、干燥,即得到粒狀樹脂。

【主要參考資料】

[1]張磊. 聚四氟乙烯纖維的制備與表征[D].東華大學,2014.

[2]江波. 填充型聚四氟乙烯復合材料的性能及界面研究[D].揚州大學,2017.

[3]丁美平. 聚四氟乙烯改性及其性能研究[D].西北工業大學,2006.

[4]田普鋒. 聚四氟乙烯拉伸微孔膜的制備、結構與性能[D].西北工業大學,2006.