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氟塑料的应用

时间: 2011-07-07 15:01 来源: 作者: 白木 点击:
氟是塑料的一个重要品类,通常人们认识氟塑料是从接触塑料王——聚四氟乙烯(PTFE)开始的。其实聚四氟乙烯只是产量和用量最大的氟塑料品种,除此之外,常用的氟塑料还有:四氟乙烯与全氟(正)丙基乙烯基醚的共聚物(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP,俗称F46)、乙烯—四氟乙烯共聚物(ETFE,俗称F40)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚氟乙烯(PVF)、四氟乙烯—六氟丙烯—偏氟乙烯的共聚物(THV)等等。

1 聚四氟乙烯(PTFE ,简称F4)

自1938年美国开发成功PTFE (聚四氟乙烯氟树脂)以来,氟树脂用在上主要为了达到各种基体表面处理所需的特殊性能要求。聚四氟乙烯具有下列特性:(1)高度的化学稳定性:具有很好的化学惰性,强酸、强碱或强氧化剂及有机溶剂等对它均不起作用。(2)良好的热稳定性:裂解温度在400℃以上,因此,它能够在-200℃~300℃温度范围内正常工作。(3)良好的减摩性:PTFE材料相互之间的摩擦系数为0.1~0.2,与金属间的干摩擦系数为0.2~0.3,有液体润滑的情况下为0.02~0.04,其动静摩擦系数都比较小,且其始动摩擦系数与动摩擦系数几乎一样。(4)优异的自润滑性:PTFE材料表面具有突出的表面自润滑性,几乎所有粘性物质均不能粘附到它的表面上去。由于聚四氟乙烯材料具有上述特性,如果再将其性能作适当改进,则选用它作汽车旋转轴油封材料是比较理想的。

由于腐蚀造成的损失是相当惊人的。腐蚀问题是国内外都存在着的严重问题。因此,已引起了人们普遍重视。合金、、石墨、、玻璃等材料由于性能上的某种缺陷,对于那些条件苛刻的温度、压力和介质等共同存在的情况,很难满足其要求,然而PTFE材料经过特殊加工后却能成为同时满足这些要求的较理想的合成材料之一,并已成为原子能、石油、化学、纺织、食品工业等工业不可缺少的关键性耐腐蚀材料。玻璃钢增强的PTFE管道及其配件具有玻璃钢和PTFE二者的优点。它既保持了PTFE的各种优良性能,又具有玻璃钢的钢性,还具有重量轻、安装方便,耐内外腐蚀、耐负压等特点。如采用不饱和聚酯为粘合剂的玻璃钢增强管道及其配件在温度为100℃左右长期使用,其真空度可达760mmHg。钢丝编织增强的PTFE管道有良好的挠曲性,并能耐高温高压,在200℃、210kg/cm2。压力下可长期工作,在室温中爆破压力大于1000kg/cm2。时仍保持不坏。这种高压软管多用于耐高压耐腐蚀的给排料管、蒸汽管道、轧钢机高压油管、飞机液压系统和冷气系统的高压中压低压管道和动力液压系统的各活动部位的主要连接件,它还同时用于燃油输油驱助系统、起落架起收系统、刹车系统、减速扳收放系统等。

过去人们习惯地把膜结构看作是个帐篷,不够牢固、不能防火、又不能保暖或隔热。如今对采用膜结构的帐篷却要刮目相看了,其中的关键问题就是上世纪70年代美国制造商开发的玻璃纤维织物即满足了如上的要求。主要的改进是涂覆的面层采用了聚四氟乙烯。这种材料于1973年首次应用于美国加利福尼亚拉维思学院一个学生活动中心的屋顶上。经过20多年的考验,材料还保持着70%~80%的强度,仍然透光并且没有褪色,拉维思学院膜结构的使用经验表明涂覆PTFE面层的玻璃纤维织物不但有足够的强度承受张力,在使用功能上也具有很好的耐久性,从乐观的估计来说,这种材料的使用年限将远不止当初所估计的25年。

2 乙烯—四氟乙烯共聚物(ETFE。简称F40)

乙烯—四氟乙烯共聚物简称ETFE或F40,自聚四氟乙烯问世以来,为了改善其物理性能和加工性能差的缺陷,世界各国的实验室都做了大量的研究工作,美国杜邦和日本旭硝子先后于20世纪70年代起,研制开发出了牌号为TEFZEL和COP的系列乙烯—四氟乙烯共聚物树脂产品。ETFE是最强韧的氟塑料,在保持了聚四氟乙烯良好的耐热、耐化学性能和电绝缘性能的同时,它的耐辐射和机械性能有很大程度的改善,拉伸强度可达到50MPa,接近聚四氟乙烯的两倍。更主要的是其加工性能得以大大提高,特别是它和金属表面的附着力表现突出,使氟塑料和钢的紧衬工艺真正得以实现,即氟塑料F40旋转内衬生产工艺。

ETFE或F40,是一种乙烯—四氟乙烯的共聚物,不仅具有优良的抗冲击性、导电性、热稳定性和耐化学腐蚀性,而且机械强度高、加工性能好,广泛用于化工、电子通讯、设备制造、航空航天等领域。聚四氟乙烯塑料具有优异的电绝缘性且介电常数低,是优良的印刷电路板基板材料。此外,用聚四氟乙烯浸渍玻璃布制成的覆铜板和聚四氟乙烯覆铜板具有高耐热性,在高频范围内具有稳定的绝缘性和极小的损耗因子,广泛用于卫星发射变频器、高频无线电通讯设备、移动通讯设备等。目前一部汽车上所用塑料配件达到50多处,而使用氟塑料的地方也有20多项。汽车领域,人们一直沿用橡胶油封,但泄漏情况比较严重。填充聚四氟乙烯油封代替唇形橡胶骨架油封,成功地解决了发动机漏水、漏油问题,同时大大提高了发动机乃至汽车的技术性能。近年来,用ETFE制成的膜材料替代传统的玻璃和其他高分子采光板用于大型建筑物的屋面或墙体材料,显示出无可比拟的优势。

ETFE膜为现代建筑提供了一个创新解决方案。由这种膜材料制成的屋面和墙体质量轻,只有同等大小的玻璃质量的1%;韧性好、抗拉强度高、不易被撕裂,延展性大于400%;耐候性和耐化学腐蚀性强,熔融温度高达200℃,并且不会自燃。作为大型比赛场馆的建筑材料用ETFE膜,更大的优势还在于它们可以加工成任何尺寸和形状,满足大跨度的需求,节省了中间支撑结构;作为一种充气后使用的材料,它可以通过控制充气量的多少,对遮光度和透光性进行调节,有效地利用自然光,节省能源。同时起到保温隔热作用。不仅如此,这种膜还具有自清洁功能,使灰尘不易附在其表面,清洁周期大约为5年。这种材料另一大优点就是可在现场预制成薄膜气泡,方便施工和维修;另外成本合理是其极具竞争力的另一优势,覆盖层加上结构的费用只有玻璃的一半,而使用寿命却长达25年。

ETFE旋转加工产品有很好的市场前景,在化工防腐蚀领域,一般碳钢和的设备、管道件、泵和阀门难以抵御各种强腐蚀介质的侵蚀。虽然聚四氟乙烯(PTFE)有较好的耐化学腐蚀性能,几乎任何强酸、强碱、强氧化剂和溶剂在高温下对它都不起作用。但PTFE的不足之处在于它的加工成型比较困难,加上和金属设备本身无法很好地结合,使PTFE的机械强度低,线膨胀系数大等物理性能不足突现出来,使优良的化学性能无法发挥其作用。ETFE旋转内衬产品恰好弥补它的不足,目前已经在反应釜、容器、管道、阀门、泵等方面,被不少大型企业开始采用,这些一旦被市场认可,将会有广阔的前景。在旋转模塑方面,它的各类小型储罐,装高纯度药剂的料瓶,高要求的电解槽,蓄电池外壳等产品,必定会有广阔的市场。

3 四氟乙烯—六氟丙烯—偏氟乙烯的共聚物(THV)

四氟乙烯—六氟丙烯—偏氟乙烯的共聚物(THV)是美国Dyneon公司在20世纪80年代开发出的性能优异的氟塑料,除具有氟塑料耐候性、不燃性、不粘性外,还可以象常见聚合物一样容易加工,是一种极具发展前景的氟塑料。THV氟塑料是由四氟乙烯、六氟丙烯和偏氟乙烯共聚而成,而且其比倒不同而赋予以聚合物不同性能,目前国外已经进行系列化多个品种的生产,以满足不同用户的需求。

THV加工温度低、加工温度区间宽、加工温度远低于分解温度,可以适应于挤出、共挤出、注射模塑和吹塑模塑、层压薄膜、浸渍、涂覆和共混等多种加工方式,可生产出膜、管、容器、异型材料和模塑材料。THV氟塑料是目前商品化最柔软的氟塑料,利用其特性与其他塑料或弹性体制备多层次结构制品 哼,柔韧性优异。THV氟塑料耐化学性能优越,对许多腐蚀性化学品有极好的防渗透功能。THV氟塑料具有极好的光透明性和低折射率,可以允许从紫外线到红外线所有频率光的穿透,由于其低折射率和高柔韧性是塑料光导纤维包覆的理想材料。THV氟塑料自身容易粘接,也容易与其他材料粘接,无需表面处理就能与其他材料很好粘合。THV比其他氟塑料更容易用辐射交联提高其高温性能。THV是典型的对电子束敏感材料,用一定辐射量,可以明显提高材料拉伸强度。THV树脂具有良好的混合性能,可以与聚乙烯的通用技术混合,交联剂很容易加入THV,同样其他类型添加剂,如染料和有机颜料,也很容易加人THV中去。另外THV氟塑料还具有良好的溶解性能,通过加人化学试剂方法可以实现化学发泡等特性。

由于具有众多的优异性能,THV氟塑料的新用途源源不断地被开发出来,比如燃油控制、安全玻璃、电线电缆、吹塑模塑制品、光控制等。随着科学进步与发展,THV氟塑料的应用不断被开发出来,应用领域十分广阔,目前已经开始应用的还有太阳能电池膜、建筑膜、柔性化工储槽管线、有腐蚀性液体流过的化工反应管线和传送管线、柔性用于特殊领域的聚合物软管与容器。

4 聚偏氟乙烯(PVDF,简称F2)

聚偏氟乙烯是一种结晶型的高聚物,熔点较低,约在160~170℃;机械强度高,具耐磨、耐切割、耐高温、耐腐蚀、电性能良好(特点是介电常数高)。还具有优异的耐候性、抗紫外线、抗辐射性能和加工性能;同时,具有加工温度低,熔融流动好,可做成管、板、棒、薄膜和纤维。可溶于某些有机溶剂。

60年代出现的PVDF(聚偏二氟乙烯树脂)有机分散性涂料,主要用于建筑结构。以KYNAR500为品牌的PVDF氟涂料,在世界知名建筑物外装饰涂层经过30年真实考验,能基本保持刚涂装时原貌,体现氟碳涂料优良的耐久耐候性能,在国外主要作为标志性建筑的金属装饰板材的罩面保护,其性能标准并被列为美国AAMA2605超性能涂层的性能要求和测试程序的自发性标准。目前在下列领域有重要应用:一是理想的化工设备防腐材料,特别适合于酸、有机溶剂、卤素及它们的混合物的场合使用;二是广泛用于电子、电器工业,如作电子计算机电线、航空电线和地球物理电缆的披复式套管等;三是作光导纤维的外涂层、高介电常数的电容器薄膜和电热带等。

5 三氟氯乙烯共聚物(FEVE)

80年代出现的FEVE有机溶剂型氟涂料是氟涂料的划时代发明。为克服热塑性氟树脂涂料不足,80年代美、日相继开发了含羟基等官能团的氟树脂,可中低温烘烤交联固化(用氨基树脂交联)和常温交联固化(用聚氨酯交联)。FEVE氟涂料在室温下,可通过刷涂、辊涂、喷涂等普通涂装方法,涂覆在各种基材表面,不仅耐候性优异,而且耐溶剂、耐酸碱等防腐蚀性优良,还能改善颜料分散性和溶剂可溶性,使氟涂料具有极佳的装饰性,极大地拓展了氟碳涂料的应用范围,使氟碳涂料在日常生活使用成为可能。

80年代日本旭硝子公司的FEVE氟涂料产品(商品号为LUMIFLON)开始在飞机、跨海大桥、新干线列车、交通车辆、建筑钢结构、户外大型构筑物等领域得到了广泛的应用。1983年,大连市科委开始把FEVE氟碳涂料作为重点科技攻关项目,历经13年,于1995年开发出拥有我国自主知识产权、获国家专利(专利号:CN 1145386)的FEVE氟碳涂料生产技术,1998年由大连明辰振邦氟涂料股份有限公司成功实现产业化,以“振邦”(ZEBON)为注册商标出售,使我国成为世界上继美国和日本之后第三个能生产FEVE氟树脂的国家,并降低了氟树脂涂料成本,形成了适合建筑外墙、钢结构、桥梁、汽车车辆、木器、门窗幕墙、石油化工、塑料制品、家具家电等行业领域系列化产品并获得了广泛应用,开创了氟树脂涂料广泛应用先河,使氟碳漆价廉质优成为现实。

6 乙烯—三氟氯乙烯共聚物(ECTFE。简称F3)

一种命名为乙烯—三氟氯乙烯的氟聚合物,这种共聚物的英文缩写ECTFE。美国的Ausimont公司推出的商品名为“HALAR”的氟塑料,即属此类氟聚合物。ECTFE对极大多数的无机、有机化学品以及有机溶剂有非凡的抗腐蚀能力。直到目前,没有一种溶剂能在120℃以下侵蚀ECTFE,或引起裂缝。除了氯化熔融碱或热的胺类(例如苯胺、二甲胺)。与其他热塑性塑料相比,ECTFE在高温下的耐氯和氯衍生物的性能,特别突出。

ECTFE具有优良的耐腐蚀性能、极低的渗透率、优良的电性能与表面的极端光滑,可在低温到149℃的温度范围内安全使用。它不但具备突出的抗冲击性能,而且是一种具备相当机械强度的坚韧材料。它适宜于制造安全使用的产品,在不断与食品原料接触时,遵守了德国的《BGA Deuschland》标准。它回避了在嗅味、品尝方面的影响问题。因此在国外已被推荐为“清洁”的ECTFE。而被允许使用于食品和饮水领域。

ECTFE制成品的表面,类似于玻璃,能阻止微生物的增生,提供了明显的卫生优势。美国Ausimont公司提供了一个有趣的试验结果:在放大1000倍条件下,把“HALAR”树脂衬里表面与PP(聚丙烯)、PVDF(聚偏二氟乙烯)以及PVC(聚氯乙烯)塑料相比前者的表面仍呈现光滑,在有凹坑等部位被发现的细菌相当少,而其余3种塑料表面则显示了粒状和凹凸不平的表面,而且细菌要多得多。采用HALAR品牌的ECTFE树脂,能保证正确地达到用户需要的衬里厚度,成型工艺可满足大型的槽罐衬里,或者复杂形状的管件、阀件,甚至螺旋弯曲的弹簧的涂覆,涂层粘着牢固、坚韧,甚至能承受成千上万次周期性弯曲。当使用于螺旋桨或风机叶轮的涂覆时,不但无针孔,表面光洁不粘垢,并且显示了优良的耐蚀性能。被广泛应用于化工、石油的排水、洗涤、污水处理系统,以及装置的化学清洗系统,化学药品的分配系统等方面。

7 聚全氟乙丙烯(FEP。简称F46)

氟塑料F46具有优良的耐腐蚀性介质,是目前国内最理想的防腐材料。氟塑料聚全氟乙丙烯衬里球阀是为石油、化工、染化、农药等行业中各种强腐蚀介质的启闭控制而研制的。氟塑料F46衬里阀门,壳体铸件采用熔模精铸,外观光洁,强度提高。与腐蚀介质接触处采用氟塑料衬包和外表金属的多功能结合,故产品在各种酸、碱、盐类强腐蚀性介质中完好工作。密封件采用中国科学院上海有机所发明专利——氟塑料合金,改变了原来F46密封件的蠕变性能,进一步提高了产品的使用寿命,该产品在-50℃~150℃的范围内确保长期使用,具有启闭迅速,流阻小等优点。

表1 各种氟材料性能
PTFE PFA FEP PCTFE ETFE PVDF PVF
耐热性℃ 260 260 200 150 150 150 100
电性能 优 优 优 优 优 优 优
阻燃性VOI% 95L 95L 95L 95 30 43 23
机械性能 可用 可用 可用 好 好 好 好
低摩擦性 优 好 优 可用 可用 可用 可用
耐酸 优 优 优 优 优 好 可用
耐碱 优 优 优 优 优 好 好
耐溶剂 优 优 优 好 优 可用 可用
不粘性 优 优 优 好 好 好 好
耐候性 优 优 优 优 优 优 优
透明性 可用 好 好 好 可用 可用 可用
成型性 可以 好 好 好 可用 可用 可用
比重 2.17 2.15 2.15 2.13 1.73 1.76 1.38

表2 各种氟塑料的特点及主要用途
树脂名称 特点 主要用途
PTFE 成型困难,但综合性能最好 占整个氟塑料产量的70%左右,应用于化工、机械、电器、建筑、电子、汽车等诸多领域。
PFA 俗称可溶性PTFE,各种性能是氟塑料之冠 广泛应用于半导体行业,以及医疗、化工防腐、汽车等领域。
FEP 耐热性比PFA低60℃,耐应力开裂性能稍差,但防粘性和耐辐射性能优异 通讯电缆、电线、半导体、化工防腐、医用材料、汽车、工业涂料等领域
ETFE 加工成型性好,物理性能均衡、机械韧性好、耐射线性能优异 工业用电线电缆,原子反应堆电缆和车辆用电线及制件,工业用涂料等。
PCTFE 硬度高、耐低温性、尺寸稳定性优异 低温密封、电气、防腐、防辐射元件。
PVDF 阻气性好、有特殊的压电性、热电性等 建筑防腐、耐候涂料、化工防腐、压电材料、钓鱼线等。
PVF 良好的耐候性和较好的耐辐射性 建筑用薄膜等。(end)

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