El politetrafluoroetilè (PTFE), també conegut com a "tefló" i "rei plàstic", s'utilitza àmpliament en diverses indústries a causa de la seva alta resistència a la temperatura, resistència a la corrosió, resistència al dissolvent, aïllament elevat, inertesa biològica i altres característiques. PTFE és un polímer lliure de branques compost per només dos elements, C i F, en què els àtoms de fluor substitueixen els àtoms de polietilè hidrogen.
1. Estructura i propietats de PTFE
1. Característiques estructurals
El politetrafluoroetilè és un homopolímer de tetrafluoroetilè, que es pot preparar mitjançant mètodes de polimerització com el mètode de suspensió, el mètode de dispersió i el mètode d’emulsió.
El politetrafluoroetilè és un material super fort i l’únic tipus de fluoroplàstic que es pot utilitzar com a plàstics d’enginyeria.
2. Propietats principals
El pes molecular relatiu de PTFE és molt gran, de manera que el pes molecular relatiu no té cap efecte evident sobre la força, però la cristalinitat té un efecte significatiu en la rigidesa, la duresa, l’allargament i la força dels productes PTFE.
La densitat de PTFE és d'aproximadament 2,2g/cm3, la superfície és llisa i cera, i l'angle de contacte amb l'aigua és de 114 graus -115 grau. El PTFE sol ser blanc i opac, però el producte apagat té un cert grau de transparència, gairebé cap absorció d’aigua, baixa permeabilitat al vapor d’aigua i al nitrogen i disminueix amb la densitat creixent.
La resistència a la tracció, l’allargament, el mòdul elàstic, la duresa, la permeabilitat de l’aire, la força dielèctrica, etc. de PTFE estan relacionades amb condicions de processament com ara la pressió de modelat, la temperatura i el temps de sinterització i la velocitat de refrigeració, perquè les condicions de processament afecten la porositat i la cristalinitat del producte. Alta pressió de modelat, la sinterització del motlle i el refredament a pressió pot reduir els buits del producte, millorant així la seva resistència mecànica. El PTFE té un mòdul elàstic baix i és propens a la creep. Creep és el motiu pel qual PTFE es pot utilitzar per segellar en juntes, cintes crues, cintes elàstiques, etc.
La duresa de PTFE és baixa, però es pot millorar afegint farcits.
El coeficient de fricció de PTFE és el més petit entre tots els materials sòlids i no canvia amb la temperatura. El seu coeficient de fricció estàtica és menor que el coeficient de fricció dinàmic. Per tant, els coixinets PTFE comencen sense problemes i tenen una baixa resistència. Es poden utilitzar com a coixinets de baixa velocitat i són sense problemes quan giren a baixa velocitat.
La conductivitat tèrmica de PTFE és baixa, que es pot augmentar adequadament afegint farcits de metall.
El punt de fusió de PTFE és de 327 graus, la temperatura de deformació de la calor és 50-60 grau (ISO R75 a mètode) o {130-140 grau (mètode B), la temperatura de funcionament és -200-260 graus i no és fluïble. PTFE té la màxima estabilitat tèrmica entre els termoplàstics i hi ha poca degradació a 204-327 grau, de manera que no cal un estabilitzador de calefacció.
La massa molecular relativa de politetrafluoroetilè és relativament gran, que va des de centenars de milers fins a més de 10 milions, generalment milions (el grau de polimerització és de l’ordre de 104, mentre que el polietilè només és de 103). La cristallinitat general és 90-95%, i la temperatura de fusió és 327-342 grau. Les unitats CF2 de la molècula de politetrafluoroetilè estan disposades en forma de zig -zag. Com que el radi de l’àtom de fluor és lleugerament més gran que el de l’hidrogen, les unitats CF2 adjacents no es poden orientar completament en una orientació trans-cross, sinó que formen una cadena retorçada en espiral i els àtoms fluor gairebé cobreixen la superfície de tota la cadena de polímer. Aquesta estructura molecular explica les diverses propietats del politetrafluoroetilè.
2. Camps d'aplicació de PTFE
PTFE té la millor resistència a la corrosió química, de manera que s’utilitza més en materials anti-corrosió i té una àmplia gamma d’aplicacions; PTFE té excel·lents propietats elèctriques, de manera que s’utilitza com a material aïllant a la indústria electrònica i elèctrica; PTFE té un petit coeficient de fricció i una bona resistència al desgast, de manera que s’utilitza per fabricar materials resistents al desgast, parts corredisses i segells a la indústria de la maquinària.
El PTFE s’utilitza àmpliament en els ponts i els edificis com a suport de càrrega. A més, segons la permeabilitat selectiva de la pel·lícula PTFE després del tractament, es pot utilitzar com a material de separació per passar selectivament per gas o líquid. La seva membrana porosa es pot utilitzar per a la separació de gas-líquids, la separació de gas-gas i la separació líquid-líquid, i també es pot utilitzar per filtrar líquids corrosius. A més, PTFE també s’utilitza àmpliament en les indústries mèdiques, electròniques i de la construcció. Per exemple, les membranes PTFE es poden utilitzar com a òrgans humans, inclosos vasos sanguinis artificials, vàlvules cardíaques, etc.
1. Aplicació de PTFE al camp 5G
El laminat amb coure FR4 utilitzat habitualment a la indústria de les comunicacions utilitza resina epoxi com a material del substrat, però la seva pèrdua és gran i no és adequada per a comunicacions d’alta freqüència.
Els requisits per a laminats amb coure d’alta freqüència al camp 5G són una constant dielèctrica baixa i un factor de pèrdua dielèctrica baixa, i el camp 5G té les seves pròpies característiques (aplicacions d’ones de microones i mil·límetres) i té requisits més elevats per als laminats amb coure.
La resina de politetrafluoroetilè és actualment el material de polímer amb la constant dielèctrica més baixa, i les seves propietats dielèctriques i la pèrdua dielèctrica poden complir els requisits de les estacions base de comunicació al camp 5G. Per tant, el PTFE s’utilitza gradualment en comunicacions d’alta freqüència com ara 5G, aeroespacial i indústria militar i els laminats revestits de coure que s’hi fan s’anomenen laminats de coure d’alta freqüència.
A més, PTFE també s’utilitza sovint al camp 5G per fer cables coaxials semi-flexibles, cables coaxials de RF, taules d’antena de radar, etc.
2. Aplicació de PTFE a la indústria energètica de l’hidrogen
En el camp de l’energia d’hidrogen, el PTFE s’utilitza principalment per segellar els electrolitzadors alcalins, així com per reforçar les membranes d’intercanvi de protons en piles de combustible PEM i electròlisi d’aigua.
En els electrolitzadors alcalins, les juntes de segellat són els components principals, que tenen funcions de segellat i aïllament. Les fuites és un dels factors importants que afecten la vida i la seguretat dels electrolitzadors alcalins. La resiliència de compressió i la relaxació de les juntes de segellat són indicadors importants per mesurar el rendiment de les juntes de segellat. Els materials de segellat de dipòsits alcalins domèstics han sofert múltiples iteracions i actualitzacions com les làmines de goma de l’amiant: "Pads de tela en un" Diafragma Gaskets-politetrafluoroetilè (PTFE) que omplen les juntes. Actualment, les juntes de segellat d’electrolitzadors d’electrolzer d’ús comú a la Xina són principalment juntes d’ompliment de tipus PTFE. El PTFE s’omple i es modifica amb càrregues de reforç com la fibra de vidre, l’alúmina i el grafit, i després es modela i s’integren per formar juntes de segellat.
En les piles de combustible i l’electròlisi d’aigua PEM, les membranes d’intercanvi de protons es desenvolupen cap a la primesa, però la vida de les primes membranes d’àcid perfluorosulfonic homogeni no pot complir els requisits de les piles de combustible i l’electròlisi d’aigua PEM. Actualment, les membranes de protons de pila de combustible del mercat són sovint les membranes d’intercanvi de protons compostes, utilitzant EPTFE com a material compost i membrana d’àcid perfluorosulfònic. La membrana de politetrafluoroetilè ampliada (EPTFE) és una microestructura porosa de malla tridimensional amb micròmetre o submicròmetre.
Actualment, el mercat global EPTFE està controlat per uns quants fabricants com Gore, Nitto Denko i Donaldson als Estats Units. Pan Asia Domestic Asia Microporous ha trencat amb èxit el monopoli a l'estranger explorant i trencant contínuament la tecnologia de producció EPTFE. Tanmateix, la pel·lícula EPTFE domèstica general se centra en els mercats de gamma mitjana i baixa i no té en compte una gran part del mercat de gamma alta.
3. Tecnologia de modificació PTFE
El politetrafluoroetilè (PTFE) té una bona resistència a la calor, aïllament, propietats auto-lubricants, no-flamabilitat, antiadherent i altres propietats excel·lents a causa dels forts enllaços de carboni de fluor continguts en la seva composició. Al mateix temps, a causa de la seva alta resistència a la temperatura i les propietats químiques estables, té la capacitat de resistir la corrosió "aqua regia", guanyant així la reputació del "rei dels plàstics". S'utilitza àmpliament en defensa, indústria mecànica i materials mèdics, especialment en el camp de la tribologia. Per tant, en el camp dels plàstics d’enginyeria, PTFE s’ha convertit en un dels materials afavorits pels investigadors.
No obstant això, a causa de les mancances de PTFE, com ara una baixa duresa, un desgast fàcil i una mala resistència al fluix, està sotmesa a determinades restriccions en l'aplicació i la producció reals. Per tant, els investigadors s’han compromès a trobar un mètode excel·lent per millorar les seves propietats mecàniques sense canviar els avantatges del propi PTFE, ampliant així el seu camp d’aplicació. La modificació de PTFE es combina principalment amb altres materials per compensar els defectes de la pròpia PTFE, inclosa principalment la modificació de la superfície, la modificació de la barreja i la modificació de farciment. Entre ells, la modificació de la combinació i la modificació d’ompliment s’utilitzen principalment en la preparació de materials compostos, mentre que la modificació química de la superfície s’adreça principalment a problemes d’enllaç.
1. Modificació de la superfície
El PTFE té una activitat superficial molt baixa i una excel·lent incapacitat, cosa que redueix el grau d’adhesió amb altres materials. La modificació de la superfície no només pot millorar la seva inertesa i compatibilitat superficial amb els farcits, sinó que també millorar l’activitat superficial del material de la matriu. La modificació química actual de la superfície PTFE és el tractament plasmàtic, el tractament amb radiació i el tractament de solucions químiques. Aquests mètodes són eliminar els ions fluorur de superfície i empeltar grups funcionals altament actius a la superfície per aconseguir el propòsit de millorar l’activitat del material de la matriu.
La modificació del plasma bombardeja la superfície de la mostra amb plasma d’alta energia, transfereix energia a les molècules a la superfície de la mostra, provoca que el gravat tèrmic, reticulat, degradació i oxidació de la mostra i provoca que l’enllaç CF i l’enllaç CC a la superfície de la mostra es trenquin, generen un gran nombre de radicals lliures o introdueixen certs grups polars, allà optimitzant la superfície de la mostra. La modificació de la superfície del material mitjançant tractament plasmàtic a baixa temperatura es pot dividir en gravat de superfície plasmàtica, unió de plasma, deposició de vapor de plasma, deposició de líquids plasmàtics i empelt de superfície plasmàtica.
La radiació d’alta energia pot desencadenar la polimerització d’empelt i donar al polímer algunes propietats úniques, com ara millorar la seva hidrofilicitat, biocompatibilitat, conductivitat, etc. La superfície de PTFE tractada amb radiació es pot empeltar directament Un polímer fàcil d’enllaçar, fent que la superfície de PTFE sigui rugosa i augmentant l’àrea d’enllaç. Les fonts de radiació utilitzades habitualment en l’empelt de radiació inclouen raigs gamma com ara cobalt -60, cesium -137 i Strontium -90, així com diversos tipus d’acceleradors com ara tubs de raigs X, acceleradors lineals i ciclotrons.
El PTFE es pot tractar amb productes químics per millorar la seva activitat superficial. Aquests productes químics inclouen la solució tetrahidrofuran de sodi-naftalè, la solució d’amoníac de la solució de tractament metàl·lic, l’amalgama metàl·lic alcalí, la solució de ferro de pentacarbonil, etc. La solució de tractament amb sodi-naftalè s’obté mitjançant la dissolució o complexa quantitats iguals de sodi i naftalè en èters actius com el tetrahidrofuran i l’etileno i l’etileni de l’etileno i l’etileni de l’etileni i l’etileno de l’etileno i l’etileni de l’etileno i l’etileno de l’etilicol i l’etilicol. èter. El sodi transfereix els electrons més exteriors a l’òrbita buida del naftalè per formar radicals lliures d’anions, que després formen parells d’ions amb sodi i alliberen una gran quantitat d’energia de ressonància; A continuació, els anions de naftalè es transfereixen a PTFE, destruint l’enllaç CF i eliminant alguns àtoms de fluor a la superfície, formant així una capa carbonitzada i alguns grups polars a la superfície PT-Fe. Hi ha grups actius com hidroxil, carbonil i carboxil a la superfície del PTFE tractat, que millora les propietats d’enllaç de la superfície PTFE.
2. Modificació de combinació
El principi bàsic de la combinació és el principi de com es dissol, de manera que el valor de solubilitat i la tensió superficial dels materials barrejats han de ser similars. La combinació de PTFE amb altres plàstics d’enginyeria pot assolir l’objectiu d’avantatges complementaris alhora que s’integra els punts forts de cada component, ampliant així el camp d’aplicació fins a cert punt. En la modificació de la barreja, PTFE es pot utilitzar com a material de matriu i un farcit per reforçar altres polímers. Aquí introduïm principalment èster de polifenilè (POB), sulfur de polifenilè (PPS) i polietheretona (PEEK).
POB té una excel·lent resistència a la compressió i una gran duresa. La barreja amb PTFE pot compensar les mancances de PTFE i millorar les propietats mecàniques i tribològiques de PTFE.
A diferència de POB, PPS té una excel·lent resistència al desgast, resistència al dissolvent, resistència a la calor i fàcil fabricació. S'utilitza àmpliament en aeroespacials i altres camps. També es pot utilitzar com a matriu per a recobriments super hidrofòbics. El PTFE té els avantatges de la biodensitat potencial, alta estabilitat tèrmica, alta inertesa química, baixa energia superficial i una bona capacitat d’auto-lubricació. La barreja PPS amb PTFE és una opció ideal per millorar les propietats tribològiques dels recobriments hidrofòbics.
PEEK i PTFE són tots dos materials de matriu comuns en compostos de lubricació sòlids. Cai Zhenjie et al. Els compostos PEEK modificats per PTFE preparats i van estudiar les propietats mecàniques i el mecanisme de desgast. Quan la fracció de massa de Micropowder PTFE és del 5%, el coeficient de fricció es redueix de 0. 35 a aproximadament 0. 3, i el desgast del volum es minimitza. Aquest material compost es pot utilitzar no només en el camp mecànic, sinó també en el camp mèdic.
La modificació de la combinació és més senzilla i lliure de contaminació que la modificació química de la superfície, però generalment només es modifica amb els polímers, cosa que limita l’addició de farcits inorgànics com metalls, ceràmiques i fibres, donant lloc a un rendiment limitat en la millora de la força, la duresa i la conductivitat tèrmica dels materials compostos. A més, l’elevada inertesa de PTFE la fa menys compatible amb altres polímers. Cal tractar la superfície abans de la modificació o cal afegir alguns components específics durant el procés de modificació per millorar la compatibilitat.
3. Modificació d'ompliment
Emplenar PTFE modificat és un mètode senzill i eficaç. Si afegiu càrregues i additius, pot millorar significativament les propietats mecàniques del PTFE, especialment la velocitat i la velocitat de desgast. Els farcits d'ús comú inclouen fibra de vidre, fibra de carboni, grafit, disulfur de molibdè, bronze, acer, etc.
El grafit és un bon lubricant sòlid. El grafit d'ompliment en PTFE no només pot reduir molt el desgast de compostos PTFE, sinó que també millorar la conductivitat tèrmica i la mala compressió de PTFE.
El disulfur de molibdè (MOS2) té un coeficient de fricció inferior al grafit i és de naturalesa estable, de manera que s’utilitza àmpliament. Tot i això, el preu de MOS2 és molt elevat. El rendiment del disulfur de tungstè (WS2) no és gaire diferent del de MOS2, però WS2 té un millor rendiment de fricció seca. MOS2 i WS2 poden millorar l’estabilitat de la fricció i la resistència al desgast dels materials compostos alhora que milloren les propietats mecàniques. En comparació amb PTFE pur, es pot millorar l'estabilitat de fricció del farcit WS2 en un 33,3%. Si s’utilitza el farcit compost, la resistència al desgast es pot millorar en un 2,3% en comparació amb el farcit únic.
La fibra de carboni (CF) té una gran resistència específica, un mòdul elevat, baixa densitat, excel·lent resistència al desgast i propietats de fluix. La fibra de carboni és essencial per reduir la fluïdesa, augmentar la duresa, augmentar la flexibilitat i el mòdul de compressió. El politetrafluoroetilè barrejat amb compostos de fibra de carboni té una alta conductivitat tèrmica i un baix coeficient d’expansió tèrmica. La fibra de carboni és inerta a forts alcalins i àcid hidrofluòric (la fibra de vidre pot tolerar aquests dos àcids). Aquestes parts són molt adequades per fabricar peces d'automòbils com ara els amortidors.
La GF sempre s’ha afavorit en la producció de materials de fricció industrial a causa de la seva alta resistència, un mòdul elevat i un preu relativament baix, i s’utilitza més àmpliament que la CF en el camp del farcit i la modificació de polímer.
El bigot de Titanat de potassi (PTW) té propietats mecàniques molt millors que les GF, CF, etc. L’addició de PTW pot millorar molt la resistència i la resistència del desgast del material compost, alhora que millora la rigidesa i la duresa del material compost, tant d’enfortiment com d’enduriment, canviant el fenomen anterior de millorar una propietat mentre es sacrificen una altra quan es modifiquen GF i CF, i té propietats químiques estables, bon aïllament tèrmic i resistència al desgast. Tot i que l'efecte d'ompliment i modificació de PTW és millor que GF i CF, cal millorar la compatibilitat entre PTW i el material de la matriu.
PTFE ple de bronze, aquest compost té una excel·lent conductivitat tèrmica i conductivitat elèctrica, cosa que el fa molt adequat per a aplicacions amb càrregues i temperatures extremes.
Iv. Resum de PTFE
PTFE té excel·lents propietats completes i és la varietat més utilitzada entre els fluoropàstics, jugant un paper cada cop més important. Amb l’avançament de la ciència i la tecnologia, PTFE pur ja no pot satisfer la demanda del mercat, de manera que s’ha convertit en una tendència inevitable per modificar PTFE, principalment modificació de superfície, modificació de combinació i modificació d’ompliment. Actualment, la Xina s’ha convertit en un important productor de PTFE i ha dominat bàsicament els mètodes de modelat i processament de PTFE modificats. Tot i això, en comparació amb els països estrangers, encara hi ha una gran bretxa en la tecnologia i la qualitat del producte. Per tant, cal estudiar més informació, processament i aplicació de PTFE modificat i el comportament i el mecanisme tribològic en diferents condicions de treball.