Polytetrafluoroetilena (PTFE), cunoscută și sub numele de „teflon” și „regele plastic”, este utilizat pe scară largă în diferite industrii, datorită rezistenței sale la temperatură ridicată, rezistenței la coroziune, rezistenței la solvent, izolației ridicate, inertiei biologice și alte caracteristici. PTFE este un polimer fără ramură compus din doar două elemente, C și F, în care atomii de fluor înlocuiesc atomii de hidrogen de polietilenă.
1. Structura și proprietățile PTFE
1. Caracteristici structurale
Polytetrafluoroetilena este un homopolimer al tetrafluoroetilenei, care poate fi preparat prin metode de polimerizare, cum ar fi metoda de suspensie, metoda de dispersie și metoda de emulsie.
Polytetrafluoroetilena este un material super puternic și singurul tip de fluoroplastic care poate fi utilizat ca materiale plastice de inginerie.
2. Proprietăți principale
Greutatea moleculară relativă a PTFE este foarte mare, astfel încât greutatea moleculară relativă nu are un efect evident asupra rezistenței, dar cristalinitatea are un efect semnificativ asupra rigidității, durității, alungitării și rezistenței produselor PTFE.
Densitatea PTFE este de aproximativ 2,2 g/cm3, suprafața este netedă și ceroasă, iar unghiul de contact cu apa este de 114 grade -115 grad. PTFE este de obicei alb lăptos și opac, dar produsul stins are un anumit grad de transparență, aproape nici o absorbție a apei, permeabilitate scăzută la vapori de apă și azot și scade odată cu creșterea densității.
Rezistența la tracțiune, alungirea, modulul elastic, duritatea, permeabilitatea aerului, rezistența dielectrică etc. a PTFE sunt legate de condiții de procesare, cum ar fi presiunea de modelare, temperatura și timpul de răcire, deoarece condițiile de procesare afectează porozitatea și cristalinitatea produsului. Presiunea ridicată de modelare, sinterizarea în matriță și răcirea sub presiune poate reduce golurile din produs, îmbunătățind astfel rezistența mecanică. PTFE are un modul elastic scăzut și este predispus la fluaj. Creep este motivul pentru care PTFE poate fi utilizat pentru etanșarea în garnituri, benzi crude, benzi elastice etc.
Duritatea PTFE este scăzută, dar poate fi îmbunătățită prin adăugarea de umpluturi.
Coeficientul de frecare al PTFE este cel mai mic dintre toate materialele solide și nu se schimbă cu temperatura. Coeficientul său de frecare static este mai mic decât coeficientul de frecare dinamic. Prin urmare, rulmenții PTFE încep lin și au o rezistență scăzută. Acestea pot fi utilizate ca rulmenți cu sarcină mare cu viteză mică și sunt lipsite de zgomot atunci când se rotesc la viteză mică.
Conductivitatea termică a PTFE este scăzută, ceea ce poate fi crescut în mod corespunzător prin adăugarea de umpluturi de metal.
Punctul de topire al PTFE este de 327 grade, temperatura de deformare a căldurii este 50-60 grad (ISO R75 o metodă) sau 130-140 grad (metoda b), temperatura de funcționare este -200-260 grad și nu este fără flagramă. PTFE are cea mai mare stabilitate termică în rândul termoplasticilor și există o degradare mică la gradul 204-327, deci nu este necesară stabilizatorul de încălzire.
Masa moleculară relativă de politetrafluoroetilen este relativ mare, variind de la sute de mii la peste 10 milioane, în general milioane (gradul de polimerizare este de ordinul 104, în timp ce polietilena este doar 103). Cristalinitatea generală este 90-95%, iar temperatura de topire este 327-342 grad. Unitățile CF2 din molecula politetrafluoroetilen sunt aranjate într -o formă în zig -zag. Deoarece raza atomului de fluor este puțin mai mare decât cea a hidrogenului, unitățile CF2 adiacente nu pot fi complet orientate într-o orientare trans-încrucișată, ci formează un lanț răsucit în spirală, iar atomii de fluor acoperă aproape suprafața întregului lanț de polimer. Această structură moleculară explică diferitele proprietăți ale politetrafluoroetilenei.
2. Câmpurile de aplicare ale PTFE
PTFE are cea mai bună rezistență la coroziune chimică, deci este cea mai utilizată în materialele anti-coroziune și are o gamă largă de aplicații; PTFE are proprietăți electrice excelente, deci este utilizat ca material izolant în industria electronică și electrică; PTFE are un mic coeficient de frecare și o rezistență bună la uzură, astfel încât este utilizat pentru a face materiale rezistente la uzură, piese glisante și garnituri în industria utilajelor.
PTFE este utilizat pe scară largă la poduri și clădiri ca suport purtător de încărcare. În plus, conform permeabilității selective a filmului PTFE după tratament, acesta poate fi utilizat ca material de separare pentru a trece selectiv prin gaz sau lichid. Membrana sa poroasă poate fi utilizată pentru separarea gaz-lichid, separarea gazelor de gaz și separarea lichidului lichid și poate fi, de asemenea, utilizată pentru a filtra lichidele corozive. În plus, PTFE este utilizat și pe scară largă în industria medicală, electronică și de construcții. De exemplu, membranele PTFE pot fi folosite ca organe umane, inclusiv vase de sânge artificiale, valve cardiace etc.
1. Aplicarea PTFE în câmpul 5G
Laminatul îmbrăcat în cupru FR4 utilizat în mod obișnuit în industria comunicațiilor folosește rășina epoxidică ca material de substrat, dar pierderea sa este mare și nu este potrivită pentru comunicații de înaltă frecvență.
Cerințele pentru laminatele îmbrăcate de cupru de înaltă frecvență în câmpul 5G sunt un factor de pierdere dielectric scăzut constant și scăzut de pierdere dielectrică, iar câmpul 5G are propriile sale caracteristici (aplicații de undă cu microunde și milimetri) și are cerințe mai mari pentru laminatele îmbrăcate în cupru.
Rășina de politetrafluoroetilenă este în prezent materialul polimeric cu cea mai mică constantă dielectrică, iar proprietățile dielectrice și pierderea dielectrică pot satisface cerințele stațiilor de bază de comunicare din câmpul 5G. Prin urmare, PTFE este utilizat treptat în comunicații de înaltă frecvență, cum ar fi 5G, Aerospațial și industria militară, iar laminatele îmbrăcate în cupru din acesta sunt numite laminate de înaltă frecvență.
În plus, PTFE este, de asemenea, adesea utilizat în câmpul 5G pentru a face cabluri coaxiale semi-flexibile, cabluri coaxiale RF, plăci de antenă radar etc.
2. Aplicarea PTFE în industria energiei hidrogenului
În domeniul energiei hidrogenului, PTFE este utilizat în principal pentru sigilarea electrolizoarelor alcaline, precum și pentru întărirea membranelor de schimb de protoni în celulele de combustibil PEM și electroliza apei.
În electrolizele alcaline, garniturile de etanșare sunt principalele componente, care au atât funcții de etanșare, cât și de izolare. Scurgerea este unul dintre factorii importanți care afectează viața și siguranța electrolizoarelor alcaline. Rezistența la compresie și relaxarea fluajului garniturilor de etanșare sunt indicatori importanți pentru măsurarea performanței garniturilor de etanșare. Materialele de etanșare a rezervoarelor alcaline domestice au suferit mai multe iterații și upgrade-uri, cum ar fi foile de cauciuc de azbest-„tampoane de pânză într-o„ garnitură de diafragmă-polytetrafluoroetilen (PTFE) garnituri de umplere de tip. În prezent, garniturile de etanșare electrolyzer utilizate în mod obișnuit în China sunt în principal garnituri de umplere de tip PTFE. PTFE este umplut și modificat cu umpluturi de armare, cum ar fi fibră de sticlă, alumină și grafit, apoi modelate și sinterizate pentru a forma garnituri de etanșare.
În celulele de combustibil și electroliza în apă PEM, membranele de schimb de protoni se dezvoltă spre subțire, dar viața membranelor subțiri omogene perfluorosulfonice acid nu poate îndeplini cerințele celulelor de combustibil și electrolizei cu apă PEM. În prezent, membranele de protoni de celule de combustibil de pe piață sunt adesea membrane de schimb de protoni compoziți, folosind EPTFE ca material compozit și membrană acid perfluorosulfonic. Membrana de politetrafluoroetilenă extinsă (EPTFE) este o microstructură poroasă tridimensională a ochiurilor de plasă cu niveluri de micrometru sau submicrometru.
În prezent, piața globală EPTFE este controlată de câțiva producători precum Gore, Nitto Denko și Donaldson în Statele Unite. Microporousul Pan Asia domestică a rupt cu succes monopolul de peste mări prin explorarea continuă și trecând prin tehnologia de producție EPTFE. Cu toate acestea, filmul EPTFE intern general se concentrează pe piețele de la mijlocul și scăzut și nu reprezintă o mare parte din piața de ultimă generație.
3. Tehnologia de modificare PTFE
Polytetrafluoroetilena (PTFE) are o rezistență la căldură bună, izolație, proprietăți auto-lubrifiante, non-flammabilitate, non-stick și alte proprietăți excelente, datorită legăturilor puternice de fluor-carbon conținute în compoziția sa. În același timp, datorită rezistenței sale la temperatură ridicată și a proprietăților chimice stabile, are capacitatea de a rezista coroziunii „Aqua regia”, obținând astfel reputația de „regele materialelor plastice”. Este utilizat pe scară largă în apărare, industrie mecanică și materiale medicale, în special în domeniul tribologiei. Prin urmare, în domeniul materialelor plastice inginerești, PTFE a devenit unul dintre materialele favorizate de cercetători.
Cu toate acestea, din cauza deficiențelor de PTFE, cum ar fi duritatea scăzută, uzura ușoară și rezistența slabă a fluajului, este supusă anumitor restricții în aplicarea și producția reală. Prin urmare, cercetătorii s -au angajat să găsească o metodă excelentă pentru a -și îmbunătăți proprietățile mecanice fără a schimba avantajele PTFE în sine, extinzând astfel domeniul său de aplicare. Modificarea PTFE este în principal de a se combina cu alte materiale pentru a compensa defectele PTFE în sine, incluzând în principal modificarea suprafeței, modificarea amestecării și modificarea de umplere. Printre acestea, modificarea amestecării și modificarea umplerii sunt utilizate în principal la prepararea materialelor compozite, în timp ce modificarea chimică de suprafață vizează în principal problemele de legare.
1. Modificare a suprafeței
PTFE are o activitate de suprafață foarte scăzută și o non-lipire remarcabilă, ceea ce reduce gradul de aderență cu alte materiale. Modificarea suprafeței nu numai că poate îmbunătăți inerția și compatibilitatea suprafeței sale cu umpluturile, ci și să îmbunătățească activitatea de suprafață a materialului matricial. Modificarea chimică actuală a suprafeței PTFE este în principal tratamentul cu plasmă, tratamentul cu radiații și tratamentul cu soluție chimică. Aceste metode sunt eliminarea ionilor de fluor de suprafață și a grefei grupuri funcționale extrem de active la suprafață pentru a atinge scopul îmbunătățirii activității materialului matricial.
Modificarea plasmatică bombardează suprafața eșantionului cu plasmă cu energie mare, transferă energie moleculelor de pe suprafața eșantionului, provoacă gravuri termice, reticulare, degradare și reacții de oxidare ale eșantionului și determină legătura CF și legătura CC pe suprafața eșantionului, generarea unui număr mare de radicaluri libere sau introducând anumite grupuri polari, optimizând optimizarea performanței. Modificarea suprafeței materialului prin tratamentul cu plasmă la temperaturi scăzute poate fi împărțită în gravură de suprafață plasmatică, legare plasmatică, depunere de vapori plasmatici, depunere de lichid plasmatic și altoire de suprafață plasmatică.
Radiațiile cu energie ridicată poate declanșa polimerizarea grefei și pot oferi polimerului unele proprietăți unice, cum ar fi îmbunătățirea hidrofilicității sale, biocompatibilității, conductivității, etc. Legătură, ceea ce face ca suprafața PTFE să fie aspră și să crească suprafața de lipire. Sursele de radiație utilizate în mod obișnuit în altoirea de radiații includ raze gamma precum cobalt -60, cesium -137 și stronțiu -90, precum și diverse tipuri de acceleratoare, cum ar fi tuburi cu raze X, acceleratoare liniare și ciclotroni.
PTFE poate fi tratat cu substanțe chimice pentru a -și îmbunătăți activitatea de suprafață. Aceste substanțe chimice includ soluție de sodiu-naftalenă tetrahidrofurană, soluție de amoniac de sodiu metalic, amalgam metalic alcalin, soluție de fier de pentacarbonil, etc. Soluția de tratament de sodiu-naftalen este obținută prin dizolvarea sau complexarea cantității egale de sodiu și naftalen dimetil, cum ar fi tetrahidrofuran. Sodiu transferă electronii exteriori pe orbita goală a naftalenului pentru a forma radicali liberi de anioni, care apoi formează perechi de ioni cu sodiu și eliberează o cantitate mare de energie prin rezonanță; Apoi, anionii naftalenei sunt transferați la PTFE, distrugând legătura CF și îndepărtând unii atomi de fluor pe suprafață, formând astfel un strat carbonizat și unele grupuri polare pe suprafața PT-Fe. Există grupuri active, cum ar fi hidroxil, carbonil și carboxil pe suprafața PTFE tratată, care îmbunătățește proprietățile de legare ale suprafeței PTFE.
2. Modificare de amestecare
Principiul de bază al amestecării este principiul asemănării asemănării, astfel încât valoarea de solubilitate și tensiunea de suprafață a materialelor amestecate trebuie să fie similare. Amestecarea PTFE cu alte materiale plastice inginerești poate atinge scopul avantajelor complementare în timp ce integrează punctele forte ale fiecărei componente, extinzând astfel câmpul de aplicație într -o anumită măsură. În modificarea amestecării, PTFE poate fi utilizat atât ca material matricial, cât și ca umplutură pentru a consolida alți polimeri. Aici introducem în principal ester de polifenilenă (POB), polifenilen sulfură (PPS) și polietterretină (PEEK).
POB are o rezistență excelentă a fluajului de compresie și duritate ridicată. Amestecarea cu PTFE poate compensa deficiențele PTFE și poate îmbunătăți proprietățile mecanice și tribologice ale PTFE.
Spre deosebire de POB, PPS are o rezistență excelentă la uzură, rezistență la solvent, rezistență la căldură și fabricație ușoară. Este utilizat pe scară largă în aerospațială și în alte câmpuri. Poate fi, de asemenea, utilizat ca matrice pentru acoperiri super hidrofobe. PTFE are avantajele potențialelor biodensitate, stabilitate termică ridicată, inerție chimică ridicată, energie de suprafață scăzută și o bună capacitate de auto-lubrifiant. Amestecarea PP -urilor cu PTFE este o alegere ideală pentru îmbunătățirea proprietăților tribologice ale acoperirilor hidrofobe.
Peek și PTFE sunt ambele materiale matrice comune în compozite lubrifiante solide. Cai Zhenjie și colab. a preparat compozite PEEK modificate PTFE și a studiat proprietățile mecanice și mecanismul de uzură. Când fracția de masă a micropowder -ului PTFE este de 5%, coeficientul de frecare este redus de la 0. 35 la aproximativ 0. 3, iar uzura volumului este minimizată. Acest material compus poate fi utilizat nu numai în câmpul mecanic, ci și în domeniul medical.
Modificarea amestecării este mai simplă și fără poluare decât modificarea chimică a suprafeței, dar în general este modificată doar cu polimeri, ceea ce limitează adăugarea de umpluturi anorganice, cum ar fi metale, ceramică și fibre, ceea ce duce la o performanță limitată în îmbunătățirea rezistenței, durității și conductivității termice a materialelor compuse. În plus, inerția ridicată a PTFE o face mai puțin compatibilă cu alți polimeri. Suprafața trebuie tratată înainte de modificare sau trebuie adăugate anumite componente specifice în timpul procesului de modificare pentru a îmbunătăți compatibilitatea.
3. Modificarea completării
Umplerea PTFE modificată este o metodă simplă și eficientă. Adăugarea de umpluturi și aditivi poate îmbunătăți semnificativ proprietățile mecanice ale PTFE, în special rata de fluier și de uzură. Umpluturile utilizate frecvent includ fibre de sticlă, fibră de carbon, grafit, disulfură de molibden, bronz, oțel etc.
Grafitul este un lubrifiant solid bun. Umplerea grafitului în PTFE nu poate doar să reducă foarte mult uzura compozitelor PTFE, ci și să îmbunătățească conductivitatea termică și o flux de compresie slabă a PTFE.
Disulfura de molibden (MOS2) are un coeficient de frecare mai mic decât grafitul și este stabil în natură, deci este utilizat pe scară largă. Cu toate acestea, prețul MOS2 este foarte mare. Performanța disulfurii de tungsten (WS2) nu este mult diferită de cea a MOS2, dar WS2 are o performanță mai bună de frecare uscată. MOS2 și WS2 pot îmbunătăți atât stabilitatea frecării, cât și rezistența la uzură a materialelor compuse, îmbunătățind în același timp proprietățile mecanice. Comparativ cu PTFE pur, stabilitatea de frecare a umpluturii WS2 poate fi îmbunătățită cu aproximativ 33,3%. Dacă se utilizează umplutura compusă, rezistența la uzură poate fi îmbunătățită cu 2,3% în comparație cu umplutura unică.
Fibra de carbon (CF) are o rezistență specifică ridicată, modul ridicat, densitate mică, rezistență excelentă la uzură și proprietăți de fluaj. Fibra de carbon este esențială pentru reducerea fluajului, creșterea durității, creșterea flexibilității și a modulului de compresie. Polytetrafluoroetilena amestecată cu compuși din fibră de carbon are o conductivitate termică ridicată și un coeficient de expansiune termică scăzut. Fibra de carbon este inertă pentru acidul alcalin și hidrofluoric puternic (fibra de sticlă poate tolera acești doi acizi). Aceste piese sunt foarte potrivite pentru fabricarea pieselor auto, cum ar fi amortizoarele.
GF a fost întotdeauna favorizat în producerea de materiale de frecare industriale, datorită rezistenței sale ridicate, modulului ridicat și prețului relativ scăzut și este mai utilizat mai mult decât CF în domeniul umpluturii și modificării polimerului.
Whisker titanat de potasiu (PTW) are proprietăți mecanice mult mai bune decât GF, CF, CF, etc., datorită structurii sale unice de cristal extrem de ordonate. Adăugarea de PTW poate îmbunătăți considerabil rezistența și rezistența la uzură a materialului compus, îmbunătățind în același timp rigiditatea și duritatea materialului compus, atât întărirea, cât și întărire, schimbând fenomenul anterior de îmbunătățire a unei proprietăți, în timp ce sacrifică o alta atunci când modifică GF și CF și are proprietăți chimice stabile, o bună izolație termică și rezistență la uzură. Deși efectul de umplere și modificare a PTW este mai bun decât GF și CF, compatibilitatea dintre PTW și materialul matricial trebuie îmbunătățită în continuare.
PTFE umplut cu bronz, acest compus are o conductivitate termică excelentă și conductivitate electrică, ceea ce îl face foarte potrivit pentru aplicații cu sarcini și temperaturi extreme.
Iv. Rezumatul PTFE
PTFE are proprietăți cuprinzătoare excelente și este cea mai utilizată varietate în rândul fluoroplasticilor, jucând un rol din ce în ce mai important. Odată cu avansarea științei și tehnologiei, PTFE pur nu mai poate satisface cererea pieței, astfel încât a devenit o tendință inevitabilă de modificare a PTFE, în principal modificarea suprafeței, amestecarea modificării și modificarea completării. În prezent, China a devenit un producător major al PTFE și a stăpânit practic metodele de modelare și procesare a PTFE modificate. Cu toate acestea, în comparație cu țările străine, există încă un decalaj mare în ceea ce privește tehnologia și calitatea produselor. Prin urmare, cercetarea, prelucrarea și aplicarea PTFE modificată și comportamentul și mecanismul tribologic în condiții de muncă diferite trebuie studiate în continuare.
