聚四氟乙烯的結構、性能與應用
化工新材料是 “十二五”期間重點發展的七大戰略性新興產業之一。在 《新材料產業 “十二五”發展規劃》中,氟塑料作為高性能氟材料位列其中,表明氟塑料符合我國“十二五”規劃新材料產業發展方向,已被國家提升到非常重要的戰略地位。作為特種工程塑料,聚四氟乙烯(PTFE)一直是用量最大的氟塑料,全球產量與消費量快速增加,目前全球氟樹脂的消費量約為30萬t,其中聚四氟乙烯70%左右。聚四氟乙烯具有高度的化學穩定性、極強的耐高低溫性能、突出的不黏性、異常的潤滑性以及優異的電絕緣性和抗輻射性、極小 的吸水率等,使得其在航空航天、機械、石油化工、建筑、電子電器、醫療器械和紡織等領域具有廣泛的應用。
一、PTFE纖維的結構與性能
1.1 PTFE纖維的分子結構
PTFE為全氟化直鏈高聚物,是一種高度對稱的非極性高分子化合物,其結構為大分子線型結構,且分子鏈呈螺旋形構象。按照表觀顏色的不同,PTFE纖維可分為棕色纖維和白色纖維兩種。棕色PTFE纖維通常是以載體紡絲得到,這種纖維非常柔軟,且摩擦因數低,廣泛用于機械行業,無油,動、靜抗磨領域。白色PTFE纖維一般是由膜裂切割法制得,此纖維制成的濾料可以提高過濾截面,從而提高過濾的精度。
1.2 PTFE纖維的性能
1.2.1 耐化學性
PTFE分子中的“C—F”鍵具有極高的鍵能,分子鏈呈螺旋形構象,且為非極性和結晶結構,使得PTFE具有極優異的耐化學性。除元素氟和強氟化介質(如三氟化氯)、熔融堿金屬以及300℃的氫氧化鈉以外,PTFE幾乎不受任何化學試劑的腐蝕,所有的強酸、強堿、強氧化劑、鹽類對PTFE均無影響,甚至在王水中煮沸,其質量和性能也都沒有任何變化。對于有機化合物,除了芳烴和鹵化胺類對其有輕微的溶脹外,其他有機溶劑對PTFE都沒有影響,所以被譽為“塑料王”。
1.2.2熱學性能
PTFE具有極優異的耐高低溫性能 ,可長時間在-190~260℃的溫度范圍內使用,不但能夠承受高達290℃的瞬間高溫 ,而且在-260℃的低溫下不發脆 ,還可保持一定的撓曲性。因此在一些惡劣的環境下,經常用到 PTFE制品。
1.2.3力學性能
由于PTFE分子鏈為非極性,其大分子間相互吸引力很小;加之分子鏈為無支鏈的高鋼性鏈,纏結很小,導致PTFE力學性能不佳。PTFE在負荷長期作用下,蠕變較大,易發生冷流現象。但其耐疲勞性優異,一般不會出現永久性的疲勞破壞。除上述優異性能外,PTFE還具有良好的阻燃性能,優異的潤滑性 、拒水性和電絕緣性能,抵御紫外線抗老化性能等。
二、PTFE纖維的應用
2.1過濾材料
PTFE纖維在高溫煙氣過濾方面有著重要的作用。采用 PTFE纖維或PTFE纖維同其他耐高溫纖維混合,可制成高溫復合過濾氈,該濾料具有很好的耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦等性能,適用于高溫、高濕、高黏性粉塵行業或帶有酸堿性、腐蝕性化學氣體的工業煙塵凈化,是其他過濾材料所無法比擬的。
近年來,PTFE纖維在醫學上的應用越來越廣泛,如可用于人造血管,人工心臟瓣膜和人工心臟輔助裝置,人造韌帶和人造食道等。此外,PTFE纖維還可用于普通外科和整形外科的手術縫合等,如比較常見的整容手術隆鼻和整形下頜就是采用 PTFE作為填充材料。
2.3紡織工業
PTFE纖維可用來制造高性能的縫紉線、耐熱與耐化學等性能要求高的其他紡織品,以及醫用紡織品和耐磨服裝的耐擦傷拼料。例如用含有PTFE纖維的耐摩擦運動襪,在自行車及其他運動中,可防止運動員的腳產生水泡。
2.4其他應用領域
PTFE纖維在其他領域也有著廣泛的應用,如可用于軸承和低摩擦率零部件、離子交換、密封填料等。也可以作為造紙、食品和紡織領域的機械設備零件無油潤滑的最理想材料。PTFE可用作不粘鍋和微波爐的內膽。此外,作為一種極佳的絕緣材料,PTFE 在電信、計算機、測試與測量、國防、航空與航天市場等諸多高性能、高挑戰性的領域也有廣泛的應用。同時,由于其固有的低損耗與介電常數,PTFE纖維還可以用來制備電線和電纜的絕緣材料等。
一、PTFE纖維的結構與性能
1.1 PTFE纖維的分子結構
PTFE為全氟化直鏈高聚物,是一種高度對稱的非極性高分子化合物,其結構為大分子線型結構,且分子鏈呈螺旋形構象。按照表觀顏色的不同,PTFE纖維可分為棕色纖維和白色纖維兩種。棕色PTFE纖維通常是以載體紡絲得到,這種纖維非常柔軟,且摩擦因數低,廣泛用于機械行業,無油,動、靜抗磨領域。白色PTFE纖維一般是由膜裂切割法制得,此纖維制成的濾料可以提高過濾截面,從而提高過濾的精度。
1.2 PTFE纖維的性能
1.2.1 耐化學性
PTFE分子中的“C—F”鍵具有極高的鍵能,分子鏈呈螺旋形構象,且為非極性和結晶結構,使得PTFE具有極優異的耐化學性。除元素氟和強氟化介質(如三氟化氯)、熔融堿金屬以及300℃的氫氧化鈉以外,PTFE幾乎不受任何化學試劑的腐蝕,所有的強酸、強堿、強氧化劑、鹽類對PTFE均無影響,甚至在王水中煮沸,其質量和性能也都沒有任何變化。對于有機化合物,除了芳烴和鹵化胺類對其有輕微的溶脹外,其他有機溶劑對PTFE都沒有影響,所以被譽為“塑料王”。
1.2.2熱學性能
PTFE具有極優異的耐高低溫性能 ,可長時間在-190~260℃的溫度范圍內使用,不但能夠承受高達290℃的瞬間高溫 ,而且在-260℃的低溫下不發脆 ,還可保持一定的撓曲性。因此在一些惡劣的環境下,經常用到 PTFE制品。
1.2.3力學性能
由于PTFE分子鏈為非極性,其大分子間相互吸引力很小;加之分子鏈為無支鏈的高鋼性鏈,纏結很小,導致PTFE力學性能不佳。PTFE在負荷長期作用下,蠕變較大,易發生冷流現象。但其耐疲勞性優異,一般不會出現永久性的疲勞破壞。除上述優異性能外,PTFE還具有良好的阻燃性能,優異的潤滑性 、拒水性和電絕緣性能,抵御紫外線抗老化性能等。
二、PTFE纖維的應用
2.1過濾材料
PTFE纖維在高溫煙氣過濾方面有著重要的作用。采用 PTFE纖維或PTFE纖維同其他耐高溫纖維混合,可制成高溫復合過濾氈,該濾料具有很好的耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦等性能,適用于高溫、高濕、高黏性粉塵行業或帶有酸堿性、腐蝕性化學氣體的工業煙塵凈化,是其他過濾材料所無法比擬的。
近年來,PTFE纖維在醫學上的應用越來越廣泛,如可用于人造血管,人工心臟瓣膜和人工心臟輔助裝置,人造韌帶和人造食道等。此外,PTFE纖維還可用于普通外科和整形外科的手術縫合等,如比較常見的整容手術隆鼻和整形下頜就是采用 PTFE作為填充材料。
2.3紡織工業
PTFE纖維可用來制造高性能的縫紉線、耐熱與耐化學等性能要求高的其他紡織品,以及醫用紡織品和耐磨服裝的耐擦傷拼料。例如用含有PTFE纖維的耐摩擦運動襪,在自行車及其他運動中,可防止運動員的腳產生水泡。
2.4其他應用領域
PTFE纖維在其他領域也有著廣泛的應用,如可用于軸承和低摩擦率零部件、離子交換、密封填料等。也可以作為造紙、食品和紡織領域的機械設備零件無油潤滑的最理想材料。PTFE可用作不粘鍋和微波爐的內膽。此外,作為一種極佳的絕緣材料,PTFE 在電信、計算機、測試與測量、國防、航空與航天市場等諸多高性能、高挑戰性的領域也有廣泛的應用。同時,由于其固有的低損耗與介電常數,PTFE纖維還可以用來制備電線和電纜的絕緣材料等。
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