异丁烯三乙氧基硅烷(材料介绍之——聚四氟乙烯)

Posted 2023-05-25

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异丁烯三乙氧基硅烷(材料介绍之——聚四氟乙烯)

1、简介

聚四氟乙烯是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物。英文缩写为PTFE。中文商品名为“特氟隆”（Teflon)、“特富隆”、“泰氟龙”、“铁氟龙”等。被美誉为“塑料之王”。聚四氟乙烯的基本结构为： - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 -，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力。能在-180℃至+250℃的温度下长期工作，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学药品，在王水中煮沸也不起变化。聚四氟乙烯广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的环境当中,它本身对人没有毒性，但是在生产过程中使用的原料之一的“全氟辛酸铵(PFOA)”被认为可能具有致癌风险，聚四氟乙烯塑料受高热分解出四氟乙烯、六氟丙烯、八氟异丁烯，吸入后引起化学性肺炎或肺水肿。

聚四氟乙烯以其优异的耐高低温性能和化学稳定性、很好的电绝缘性能、非粘附性、耐候性、阻燃性和良好的自润滑性，已在化工、石油、纺织、电子电气、医疗、机械等领域获得了广泛应用。

在氟塑料中聚四氟乙烯（PTFE）的消耗量最大，用途最广，塑料中的一个重要品种。PTFE具有优异的耐高低温性能和化学稳定性、很好的电绝缘性能、非粘附性、耐候性、阻燃性和良好的自润滑性，有“塑料王”之美称。该材料最早是为国防和尖端技术需要而开发的，而后逐渐推广到民用，其用途涉及航空航天和民用的许多方面，目前在其应用领域已成为不可或缺的材料。

2、性能

聚四氟乙烯是一种类似于PE的透明或不透明的蜡状物，其密度为2.2g/cm3,吸水率小于0.01%。它的化学结构与PE相似，只是聚乙烯中的全部氢原子都被氟原子所取代。由于C-F键键能高，性能稳定，因而其耐化学腐蚀性极佳，能够承受除了熔融的碱金属、氟化介质以及高于300℃的氢氧化钠之外的所有强酸（包括王水），以及强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用；聚四氟乙烯不吸水、不受氧气、紫外线作用、耐候性好，在户外暴露3年，抗拉强度几乎保持不变，仅伸长率有所下降。聚四氟乙烯薄膜与涂层由于有细孔，故能透过水和气体；PTFE分子中F原子对称，C-F键中两种元素以共价键结合，分子中没有游离的电子，使整个分子呈中性，因此它具有优良的介电性能，而且其电绝缘性不受环境及频率的影响。它的介电损耗小，击穿电压高、耐电弧性好，能在250℃的电气环境下长期工作；因PTFE分子结构中没有氢键，结构对称，所以它的结晶度很高（一般结晶度为55%~75%，有时高达94%），使PTFE 耐热性能极好，其熔融温度为324℃，分解温度为415℃，最高使用温度为250℃，脆化温度为-190℃，热变形温度（0.46MPa条件下）为120℃。PTFE的力学性能良好，其拉伸强度为21~28MPa，弯曲强度为11~14MPa，伸长率为250%~300%，对钢的动静摩擦系数均为0.04，比尼龙、聚甲醛、聚酯塑料的摩擦系数都小，具体数值见表。

塑料名称	静摩擦系数	动摩擦系数
PTFE	0.04	0.04
PA-6（尼龙）	0.18	0.22
POM（聚甲醛）	0.14	0.23
GTPBT	0.16	0.21

纯PTFE强度低、耐磨性差以及耐蠕变性不好,通常要在PTFE聚合物中添加一些无机颗粒，如石墨、二硫化钼、三氧化二铝、玻纤、碳纤维等来提高其力学性能；也可利用与其他聚合物如聚苯酯(PHB)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚全氟（乙烯/丙烯）共聚物(PFEP)等共混的方法来扩展其阻尼温度范围，提高其耐蠕变性。
介质：氢氟酸、磷酸、硫酸、硝酸、盐酸、各种有机酸、有机溶剂、强氧化剂以及其它各种强腐蚀性化学介质。

耐高温——使用工作温度达250℃。

耐低温——具有良好的机械韧性；即使温度下降到-196℃，也可保持5%的伸长率。

耐腐蚀——对大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。

耐气候——有塑料中最佳的老化寿命。

高润滑——是固体材料中摩擦系数最低者。

不粘附——是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。

无毒害——具有生理惰性，作为人工血管和脏器长期植入体内无不良反应。

聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万以上，一般为数百万（聚合度在104数量级，而聚乙烯仅在103）。一般结晶度为90～95％，熔融温度为327～342℃。聚四氟乙烯分子中CF2单元按锯齿形状排列，由于氟原子半径较氢稍大，所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面。这种分子结构解释了聚四氟乙烯的各种性能。温度低于19℃时，形成13／6螺旋；在19℃发生相变，分子稍微解开，形成15／7螺旋。

虽然在全氟碳化合物中碳-碳键和碳-氟键的断裂需要分别吸收能量346.94和484.88kJ／mol，但聚四氟乙烯解聚生成1mol四氟乙烯仅需能量171.38kJ。所以在高温裂解时，聚四氟乙烯主要解聚为四氟乙烯。聚四氟乙烯在260、370和420℃时的失重速率（％）每小时分别为1×10-4、4×10-3和9×10-2。可见，聚四氟乙烯可在 260℃长期使用。由于高温裂解时还产生剧毒的副产物氟光气和全氟异丁烯等，所以要特别注意安全防护并防止聚四氟乙烯接触明火。

力学性能它的摩擦系数极小，仅为聚乙烯的1／5，这是全氟碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低，所以聚四氟乙烯具有不粘性。它在250℃的温度下不熔化，在-260℃的超低温中不发脆。聚四氟乙烯光滑异常，连冰都比不过它；它绝缘性能特别好，报纸厚的一层薄膜，便足以抵挡1500V的高压电。聚四氟乙烯在-196～260℃的较广温度范围内均保持优良的力学性能，全氟碳高分子的特点之一是在低温不变脆。聚四氟乙烯由四氟乙烯经自由基聚合而生成。工业上的聚合反应是在大量水存在下搅拌进行的，用以分散反应热，并便于控制温度。聚合一般在40～80℃，3～26千克力／厘米2压力下进行，可用无机的过硫酸盐、有机过氧化物为引发剂，也可以用氧化还原引发体系。每摩尔四氟乙烯聚合时放热171.38kJ。分散聚合须添加全氟型的表面活性剂，例如全氟辛酸或其盐类。聚四氟乙烯可采用压缩或挤出加工成型；也可制成水分散液，用于涂层、浸渍或制成纤维。聚四氟乙烯在原子能、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、纺织、食品等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料，绝缘材料，防粘涂层等。

耐大气老化性：耐辐照性能和较低的渗透性：长期暴露于大气中，表面及性能保持不变。

不燃性：限氧指数在90以下。

耐酸碱性：不溶于强酸、强碱和有机溶剂。

抗氧化性：能耐强氧化剂的腐蚀。

酸碱性：呈中性。

聚四氟乙烯的机械性质较软。具有非常低的表面能。

聚四氟乙烯(F4,PTFE)具有一系列优良的使用性能:耐高温—长期使用温度200~260度，耐低温—在-100度时仍柔软；耐腐蚀—能耐王水和一切有机溶剂；耐气候—塑料中最佳的老化寿命；高润滑—具有塑料中最小的摩擦系数（0.04）；不粘性—具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；无毒害—具有生理惰性；优异的电气性能，是理想的C级绝缘材料。聚四氟乙烯材料，广泛应用在国防军工、原子能、石油、无线电、电力机械、化学工业等重要部门。产品：聚四氟四乙烯棒材、管料、板材、车削板材。聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。英文缩写为PTFE。结构式为。20世纪30年代末期发现，40年代投入工业生产。

聚四氟乙烯相对分子质量较大，低的为数十万，高的达一千万以上，一般为数百万（聚合度在104数量级，而聚乙烯仅在103）。

耐化学腐蚀和耐候性除熔融的碱金属外，聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃（约0.1g／100g）。聚四氟乙烯不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，所以具有优异的耐候性。

电性能：聚四氟乙烯在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。

耐辐射性能：聚四氟乙烯的耐辐射性能较差（104拉德），受高能辐射后引起降解，高分子的电性能和力学性能均明显下降。

聚四氟乙烯本身对人没有毒性，但是在生产过程中使用的原料之一全氟辛酸铵(PFOA)被认为可能具有致癌作用。聚四氟乙烯煮食器具大约在到达温度500 .F (260℃) 之后开始恶化，并且在660 .F (350℃)之上开始分解。这些分解产品可令鸟致死和可能使人产生类似流感的症状。烹调油脂，油和黄油在大约392 .F (200℃)将开始烧焦和放出烟, 肉通常油煎在400-450 .F (200-230℃)之间, 但空的煮食器具如果放置在未看管在一台热的火炉上可能超出这个温度。但是, 值得注意的是, 食油被加热到这样高温度后之分解的物质，实际上比那些由聚四氟乙烯的产物更具毒性。人吸入这些产物可能导致幻觉。

3、应用

PTFE独特的性能使其在化工、石油、纺织、食品、造纸、医学、电子和机械等工业和海洋作业领域都有着广泛的应用。它的产生解决了我国化工、石油、制药等领域的许多问题。聚四氟乙烯密封件、垫圈、垫片. 聚四氟乙烯密封件、垫片、密封垫圈是选用悬浮聚合聚四氟乙烯树脂模塑加工制成。聚四氟乙烯与其他塑料相比具有耐化学腐蚀与耐温优异的特点，它已被广泛地应用作为密封材料和填充材料。用作工程塑料，可制成聚四氟乙烯管、棒、带、板、薄膜等。一般应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀以及智能雷达、高频通讯器材、无线电器材等。分散液可用作各种材料的绝缘浸渍液和金属、玻璃、陶器表面的防腐涂层等。各种聚四氟圈、聚四氟垫片、聚四氟盘根等广泛用于各类防腐管道法兰密封。此外，也可以用于抽丝，聚四氟乙烯纤维——氟纶（国外商品名为特氟纶）。

目前，各类聚四氟乙烯制品已在化工、机械、电子、电器、军工、航天、环保和桥梁等国民经济领域中起到了举足轻重的作用。

聚四氟乙烯(PTFE)使用条件行业化工、石化、炼油、氯碱、制酸、磷肥、制药、农药、化纤、染化、焦化、煤气、有机合成、有色冶炼、钢铁、原子能及高纯产品生产（如离子膜电解），粘稠物料输送与操作，卫生要求高度严格的食品、饮料等加工生产部门。

防腐蚀性能的应用：

由于橡胶、玻璃、金属合金等材料在耐腐蚀方面存在缺陷，难以满足条件苛刻的温度、压力和化学介质共存的环境，由此造成的损失相当惊人。而PTFE材料以其卓越的耐腐蚀性能，业已成为石油、化工、纺织等行业的主要耐腐蚀材料。其具体应用包括：输送腐蚀性气体的输送管、排气管、蒸汽管，轧钢机高压油管，飞机液压系统和冷压系统的高中低压管道，精馏塔、热交换器，釜、塔、槽的衬里，阀门等化工设备。

低摩擦性能在载荷方面的应用：

由于有的设备的摩擦部分不宜加油润滑，比如在润滑油脂会被溶剂溶解而失效的场合或者造纸、制药、食品、纺织等工业领域的产品需要避免润滑油沾污，就使填充PTFE材料成为机械设备零件无油润滑（直接承受载荷）的最理想材料。这是因为该材料的摩擦系数是已知固体材料中最低的。其具体用途包括用于化工设备、造纸机械、农业机械的轴承，用作活塞环、机床导轨、导向环；在土木建筑工程广泛用作桥梁、隧道、钢结构屋架、大型化工管道、贮槽的支承滑块，以及用作桥梁支座和架桥转体等。

在电子电气方面的应用：

PTFE材料固有的低损耗与小介电常数使其可做成漆包线，以用于微型电机、热电偶、控制装置等；PTFE薄膜是制造电容器、无线电绝缘衬垫、绝缘电缆、马达及变压器的理想绝缘材料，也是航空航天等工业电子部件不可缺少的材料之一；利用氟塑料薄膜对氧气透过性大，而对水蒸汽的透过性小的这种选择透过性，可制造氧气传感器；利用氟塑料在高温、高压下发生极向电荷偏离现象的特性，可制造麦克风、扬声器、机器人上的零件等；利用其低折射率的特性，可制造光导纤维。

在医疗医药方面的应用：

膨体PTFE材料是纯惰性的，具有非常强的生物适应性，不会引起机体的排斥，对人体无生理副作用，可用任何方法消毒，且具有多微孔结构，从而可用于多种康复解决方案，包括用于软组织再生的人造血管和补片以及用于血管、心脏、普通外科和整形外科的手术缝合。

防粘性能的应用：

PTFE材料具有固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质，同时还具有耐高低温优良的特性，从而使其在诸如制造不粘锅的防粘方面的应用非常广泛。其防粘工艺主要包括两种：把PTFE部件或薄片安装在基体上，以及把PTFE涂层或与玻璃复合的漆布经过热收缩而套在基材上。

随着材料应用技术的不断发展，PTFE材料的三大缺点：冷流性、难焊接性、难熔融加工性正在逐渐被克服，从而使它在光学、电子、医学、石油化工输油防渗等多种领域的应用前景更加广阔。

4、聚四氟乙烯粘结方法

SG-P-10粘接剂

该粘接剂由底涂处理剂P-10和瞬间强力胶SG-506组合的双组分、溶剂型胶粘接，适合于PTFE与PTFE工件材料的快速粘合。

粘接工艺：将被粘表面用丙酮或乙醇溶液擦洗干净，晾干；用底涂处理剂P-10分别刷涂被粘表面，晾干(3~5min)；用强力胶SG-506快速粘接，3~8s即可粘牢。

T530粘接剂

该粘接剂为单组分、溶剂型胶粘剂，适合于PTFE与PTFE自粘接或PTFE与不锈钢互粘接。

粘接工艺：将被粘表面用丙酮或乙醇溶液擦洗干净，晾干，直接在被粘表面涂T530胶，接合、施压进行粘接，5~10min即可粘牢。

热压焊接法

该方法多用于几何形状规则的PTFE工件，选用铝合金做焊刀加热至380±5℃ ，施压1~2MPa进行热压焊接。施焊工艺如下：
(1)将被粘表面用丙酮或乙醇溶液擦洗干净，晾干；
(2)在两焊接面之间放一层可熔性聚四氟乙烯(PFA)，起润湿剂作用；
(3)用电加热至380℃±5℃的铝合金焊刀靠近或贴在焊接表面，使PTFE两焊接面呈熔融状态；
(4)在两工件上施加1~2MPa压力，直至稳固、冷却。

高温熔融改性法

高温熔融改性法是将一些表面活性较强、易粘合和粒径较小的填料(如二氧化硅、铝粉等)在高温条件下烧结到PTFE表面，以此来改变PTFE表面的结构与性质，达到提高粘接强度的目的。（注：纯二氧化硅不导电，二氧化硅是原子晶体，结构和化学性质稳定，没有自由移动的电子不会导电，而玻璃的主要成份是SiO2以及碱金属、碱土金属氧化物，当玻璃加热到达熔融时，玻璃中有离子的存在，因此能导电）

该方法的优点是：
耐候性、耐湿热性较好；适合长期户外使用。
该方法的不足之处在于：高温时PTFE的尺寸稳定性较差，不易保持形状；
填料与PTFE基体间的结合力较小，致使最高粘接强度受到影响。郭金彦等采用硅烷偶联剂对熔融法加以改进。
研究结果表明：处理前后PTFE的粘接强度由7.8 MPa提高到9.5 MPa；经该方法处理所得的胶接接头，其耐湿热性能明显优于钠一萘处理法。付朝霞等以高温熔融法为基础，在PTFE中加入了无机添加剂LW，从而有效改善了PTFE板材的粘接性能。当LW 经硅烷偶联剂表面处理后，PTFE板材的粘接性能进一步提高，并且其剥离强度和剪切强度在w(LW)=10％时达到最大值。

5、关于聚四氟乙烯材料的标准文件

JB/T 50006-1999 碳（化）纤维浸渍聚四氟乙烯编织填料产品质量分等

HG/T 3028-1999 糊状挤出用聚四氟乙烯树脂

HG/T 2903-1997 模塑用细粒聚四氟乙烯树脂

HG/T 2902-1997 模塑用聚四氟乙烯树脂

HG/T 2901-1997 聚四氟乙烯树脂粒径试验方法

HG/T 2900-1997 聚四氟乙烯树脂体积密度试验方法 290KB

HG/T 2899-1997聚四氟乙烯材料命名

HG/T 2899-1997 聚四氟乙烯材料命名

HG/T 21609-1996 管法兰用聚四氟乙烯--橡胶复合垫片

HG/T 21562-1994 衬聚四氟乙烯钢管和管件

HG 20628-1997 钢制管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片(美洲体系)

HG 20607-1997 钢制管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片(欧洲体系)

HG 20536-1993 聚四氟乙烯衬里设备

GB/T 5009.80-2003食品容器内壁聚四氟乙烯涂料卫生标准的分析方法

GB/T 11679-1989食品容器内壁聚四氟乙烯涂料卫生标准的分析方法

GB 11678-1989食品容器内壁聚四氟乙烯涂料卫生标准

JB/T 6627-2008 碳（化）纤维浸渍聚四氟乙烯编织填料

QB/T 3628-1999 螺旋用聚四氟乙烯生料带

SH 3402-1996管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片

SH 3402-1996 管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片

QB/T 3627-1999聚四氟乙烯薄膜

QB/T 3624-1999 聚四氟乙烯管材

JB/T 6618-2005 金属缠绕垫用聚四氟乙烯带技术条件

JB/T 10688-2006 聚四氟乙烯垫片技术条件

HG/T 3705-2003 金属网聚四氟乙烯复合管与管件

GJB 773A/3A-2000 航空航天用镀银铜芯聚四氟乙烯绝缘电线电缆详细规范

SJ 50973/3-95 SFT-50-5-51型聚四氟乙烯绝缘半硬同轴电缆详细规范

SJ 50973/2-95 SFT-50-3-51型聚四氟乙烯绝缘半硬同轴电缆详细规范

SJ 50973/1-95 SFT-50-2-51型聚四氟乙烯绝缘半硬同轴电缆详细规范

SJ 50973/12-98 SFF-50-3-53型聚四氟乙烯绝缘柔软射频电缆详细规范

SJ 50973/11-98 SFF-50-3-52型聚四氟乙烯绝缘柔软射频电缆详细规范

SJ 50973/10-98 SFF-50-3-51型聚四氟乙烯绝缘柔软射频电缆详细规范

SJ 20749-99 阻燃型覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板详细规范

SJ 1563-80 实心聚四氟乙烯绝缘同轴射频电缆（暂行）

QB/T 3626-1999 聚四氟乙烯棒材

QB/T 3625-1999 聚四氟乙烯板材

JB/T 8560-1997 碳化纤维/聚四氟乙烯混编填料

JB/T 8558-1997 石棉/聚四氟乙烯混编填料

JB/T 7899-1999 填充聚四氟乙烯软带导轨技术条件

JB/T 7898-1999 填充聚四氟乙烯导轨软带 254KB

JB/T 6627-1993 碳（化）纤维浸渍聚四氟乙烯编织填料

JB/T 6626-1993 聚四氟乙烯编织填料

GJB 773A/2A-2000 航空航天用镀镍铜芯聚四氟乙烯绝缘电线电缆详细规范-

GB/T 17737.2-2000 射频电缆第2部分：聚四氟乙烯(PTFE)绝缘半硬射频同轴电缆分规范

GB/T 5009.80-2003食品容器内壁聚四氟乙烯涂料卫生标准的分析方法

SJ/T 9556.2-93 实心聚四氟乙烯绝缘同轴射频电缆质量分等标准

JB/T 6618-1993 金属缠绕垫用聚四氟乙烯生料带技术条件

JB/T 50007-1999 聚四氟乙烯编织填料产品质量分等

SJ 50973/9-98 SFF-50-6-51型聚四氟乙烯绝缘柔软射频电缆详细规范

SJ 50973/8-98 SFF-50-5-51型聚四氟乙烯绝缘柔软射频电缆详细规范

SJ 50973/7-98 SFF-50-2-51型聚四氟乙烯绝缘柔软射频电缆详细规范

SJ 50973/4-95 SFCJ-50-5-51型打孔聚四氟乙烯绝缘柔软射频电缆详细规范

注:SJ-电子行业标准；QB-轻工行业标准；HG-化工行业标准。