一、PTFE的發(fā)展
聚四氟乙烯大規(guī)模開(kāi)發(fā)生產(chǎn)始于40年代中期，繼美國(guó)之后，英、法、日、意、西德和前蘇聯(lián)等國(guó)相繼試生產(chǎn)。到60年代末，已有9個(gè)國(guó)家十幾個(gè)廠商進(jìn)行生產(chǎn)，此時(shí)是有機(jī)氟工業(yè)大發(fā)展時(shí)期。進(jìn)入70年代，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的含氟單體的生產(chǎn)、工藝技術(shù)都日臻成熟，產(chǎn)量逐年上升。80年代到90年代，各國(guó)仍在積極進(jìn)行新建或擴(kuò)建生產(chǎn)廠家。
我國(guó)的有機(jī)氟工業(yè)起步于50年代末，60年代中期，到了70年代，我國(guó)有機(jī)氟工業(yè)繼續(xù)在全國(guó)9個(gè)省市十多個(gè)單位建成了不同規(guī)模的生產(chǎn)裝置，至1996年，含氟聚合物的生產(chǎn)量每年為3000噸，其中90%以上是聚四氟乙烯。聚四氟乙烯是有機(jī)氟工業(yè)最重要的產(chǎn)品，它的發(fā)展直接關(guān)系著其它有機(jī)氟產(chǎn)品生產(chǎn)的發(fā)展。因此，聚四氟乙烯的產(chǎn)量往往標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家有機(jī)氟工業(yè)發(fā)展的水平。20多年來(lái)，我國(guó)含氟聚合物的生產(chǎn)量在不斷增長(zhǎng)，其它有機(jī)氟產(chǎn)品也有了很大的發(fā)展。而且在開(kāi)發(fā)新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備、降低能耗、開(kāi)拓新產(chǎn)品用途和減少危急等方面，都取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，生產(chǎn)自動(dòng)化程度也有了很大的提高，有些生產(chǎn)裝置已實(shí)現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)控制。但是與國(guó)外相比較，我國(guó)的有機(jī)氟工業(yè)無(wú)論在生產(chǎn)規(guī)模、品種、數(shù)量、質(zhì)量、產(chǎn)品的應(yīng)用方面，都存在著較大的差距。
隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的有機(jī)氟工業(yè)生產(chǎn)也會(huì)不斷發(fā)展，走與我國(guó)自已工業(yè)發(fā)展的道路。
二、用PTFE制造油封
聚四氟乙烯塑料的流動(dòng)性差，加工比較困難，只能采用冷壓與燒結(jié)相結(jié)合的工藝方法加工制晶。不能進(jìn)行連續(xù)擠壓加工，這攆就限制了它本身的應(yīng)用范溺。經(jīng)過(guò)預(yù)澆結(jié)處理后的聚匹氟乙烯墊片材料，大大增加了它的流動(dòng)性，已成為目前推壓、擠壓方式連續(xù)生產(chǎn)聚毅氟乙制品必須的中間原料。采用預(yù)燒結(jié)聚溺氟乙烯制作產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)外國(guó)前較多使用有工藝。
為滿足聚四氟乙烯擠壓的加工工藝要求。預(yù)燒結(jié)聚氟乙烯的粉體流動(dòng)性、表現(xiàn)密度為關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。一般謊來(lái)，在～定范露內(nèi)粉體流動(dòng)性幫表現(xiàn)密度越大越好。
聚四氟乙烯的熔點(diǎn)為327‘C，實(shí)際上聚四氟乙烯的熔融魁在一個(gè)較寬的溫度內(nèi)完成的，對(duì)剮裁備出的薪鮮聚合物進(jìn)行測(cè)定得爨縫340℃酷過(guò)開(kāi)熔敲，在3554C以上完全熔融。采瘸聚登氟乙烯作為密封材料，已經(jīng)是60～70年代的事，隨著對(duì)聚鍪氟乙烯性能的更進(jìn)一步了解，填充聚四氟乙烯又得到人們的廣泛的應(yīng)用，填充聚四氟乙烯又比聚四氯乙烯牲麓好麓多。
早在50年代初，日本荒井(NOK)密封件公司就用PTFE棒材車削成相似與橡膠唇形油封的結(jié)構(gòu)。試用后發(fā)現(xiàn)該密封裝置剛性大，但彈性差，易磨損，與軸的追逐性差，達(dá)不到預(yù)期的交效果。以后又改用PTFE薄膜貼在橡膠油封小唇一側(cè)，成為一種橡塑結(jié)合新型油封結(jié)構(gòu)形式，使被封軸的線速度超過(guò)25m/s，被封液壓達(dá)0.35Mpa，并能在于摩擦下使用，而且壽命長(zhǎng)。但由于塑料粘結(jié)工藝復(fù)雜，造價(jià)高，不宜推廣。后來(lái)，“荒并”公司又推出一種叫“FS”的油封。它是利用PTFE薄膜拉制成喇叭形，在應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)性能很好。油封壓力進(jìn)一步提高，能適應(yīng)高偏心運(yùn)轉(zhuǎn)。軸許用轉(zhuǎn)速和工作溫度都有所提高，此種油封剛一出現(xiàn)，立即被航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用。
70年代中期，美國(guó)的Mather National公司也開(kāi)始對(duì)PTFE材料制造密封件進(jìn)行研究。到80年初推出一種新的PTFE動(dòng)力油封。它是采用經(jīng)處理的PTFE寬口動(dòng)唇來(lái)密封高壓油封的。唇口寬0.5～O。7mm，內(nèi)壁切制有“回油螺紋線"，利用PTFE的“記憶效應(yīng)"廢除了彈簧和彈簧片。它利用動(dòng)力螺紋線對(duì)被封油液的軸淘作用力，封住油液外流，而不是依靠高的封油壓力封油，線速度可高達(dá)30～60m/s，而且耐高壓，生產(chǎn)成本低廉。使油封變得更簡(jiǎn)單，可靠性高。
我國(guó)在50年代末研制了PTFE，在研究生產(chǎn)和使用PTFE過(guò)程中，首先克服了PTFE材料不耐磨等缺點(diǎn)。80年代后期，我國(guó)在純PTFE中添加一定比例的耐磨材料，利用正交試驗(yàn)方法，求出配料的最佳配比，使耐磨性提高1500倍以上，用該材料制作出的油封壽命高達(dá)一萬(wàn)小巧玲瓏時(shí)以上。同時(shí)又研究出了封水、酸、堿等各類液體的密封件，甚至氣體的混合材料，為克服PTFE材料冷流動(dòng)性大的缺點(diǎn)，充分利用高溫?zé)Y(jié)處理的方法，及機(jī)械拉伸等工藝手段，改變英內(nèi)部晶體組織，誘發(fā)出固有的“記憶"效應(yīng)，使密封唇口具有不斷的自行收縮性能，緊箍在軸上，保持靜態(tài)密封，補(bǔ)償唇翻的磨損，同時(shí)增強(qiáng)了動(dòng)力功能。
在油封與軸接觸的內(nèi)孔表面上切出各種螺紋、有單頭型、多頭型，深淺不一螺紋及各種最佳節(jié)距。使變距螺紋功能發(fā)揮的更好。同時(shí)又研制出能適應(yīng)雙向旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力油封，以及制作旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的油封。
我國(guó)自60年代初開(kāi)始對(duì)pTFE進(jìn)行“自潤(rùn)滑”材料的研究，如蘭州化學(xué)物理所研制成功我國(guó)第一臺(tái)無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)用PTFE活塞環(huán)，贏后又為空間及低溫技術(shù)等高科技的發(fā)展提供了許多滿足要求的特種密封材料。，從上述應(yīng)用實(shí)例可以看出，PTFE密封材料不僅適用于一般條件，兩且可以在高溫、超低溫、高壓、高速和特種介質(zhì)等工況條件工作密封使用，充分顯示出填充PTFE密封材料的應(yīng)用前景廣闊。
填充PTFE密封材料也被稱為改性聚四氟乙烯墊片材料，它的的使用性能受多種因素的影響，只有根據(jù)具體便用工況，從填寫(xiě)充PTFE材料配方及成型加工工藝等到諸多方蔥考慮，才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的密封制品，確保滿意的使用效果。相信，隨身人們對(duì)填充PTFE材料認(rèn)識(shí)的不斷加深，其作為密封制晶應(yīng)用范圍還將不斷的廣大。
我院在70年代初，曾對(duì)丁腈橡膠和乙丙橡膠零件采用外包聚四氟乙烯薄膜式藝，以解決磨擦系數(shù)和耐磨問(wèn)題。該工藝方法在降低磨擦系數(shù)方面是令人滿意的。另外，我院還采用氟橡膠零件表面噴涂燒結(jié)聚四氟乙工藝，在密封方面同樣起到了很好的作用。露前，靂填充PTFE材料生產(chǎn)的、油封產(chǎn)品，在國(guó)外尚漓先進(jìn)產(chǎn)晶，被國(guó)際上公認(rèn)為第四代油封產(chǎn)品。
三、PTFE制品在工業(yè)中的應(yīng)用
填充聚四氟乙烯具有它廣闊的應(yīng)用前景，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類機(jī)械設(shè)備向高壓、高溫、高速，并采用人工合成介質(zhì)方面發(fā)展：同時(shí)對(duì)密封材料和工藝條件的要求也非�？炭痢Ｈ藗�?cè)噲D制造出一種新型的軸端密封裝置，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，又具有“機(jī)械密封”的耐嵩溫、高壓、長(zhǎng)壽命、可密封多種流體功能的填充聚四氟乙烯材料制造油封，用這種材料作的油封，基本上能滿足上述要求。
PTFE串聯(lián)式組合密封可用于戰(zhàn)斗車輛的懸掛裝置，如美國(guó)“MIAI"、“MIA2”、“120S”;英國(guó)的“挑戰(zhàn)者”;俄羅斯的“T90”、“T95’’等型號(hào)上。采用這種新型懸掛裝置，取代傳統(tǒng)的扭力桿懸掛，可提高戰(zhàn)斗車輛的作戰(zhàn)能力，改善乘員的工作條件，對(duì)增強(qiáng)國(guó)防備力量具有重大的戰(zhàn)略意義。
據(jù)資料報(bào)道：填充聚四氟乙烯密封件及材料還用于目前世界上先進(jìn)戰(zhàn)機(jī);F—15、F—16、F一22、F一35;B-1、B一2;主戰(zhàn)坦克“M1A1”、“M2A2”、“120S”、“T90”、“T一95”的液壓系統(tǒng)及其它部位。
從80年代初到90年代，世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在密封這一技術(shù)上，普遍采用了填充PTFE材料作油封，充分利用這種材料生產(chǎn)出的油封，不但用于機(jī)械、化工密封場(chǎng)合，而且逐步擴(kuò)展到了船舶、航空和航天工業(yè)等部門(mén)。
盡管聚四氟乙烯有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有不足之處，因而純聚四氟乙烯的使用受到局限。首先它缺乏橡膠那樣的彈性，剛性較大，自身很難使密封唇邊與運(yùn)動(dòng)表面緊密貼合，達(dá)不到很好的密封效果。通常借助彈簧或彈性體來(lái)施加預(yù)應(yīng)力。改善其密封性能。
其次，純的聚四氟乙烯容易產(chǎn)生塑性蠕變(通常叫冷流動(dòng))，僅僅適用于低壓，低耐磨發(fā)生的工況下，再加入填充劑和添加劑后，形成復(fù)合材料，性能得到改善，使耐磨性能增大，抵御塑性蠕變的能力提高2，--3倍。由負(fù)荷作用引起的初始變形降低30-60%，剛性提高2～3倍，受熱尺寸穩(wěn)定性增加2倍，硬度增大10"-’15%。
通常在聚四氟乙烯中作填充劑的有熱塑性塑料、玻璃纖維、碳纖維、石墨、青銅粉、二硫化鉬等。這些被添加填充劑的聚四氟乙烯材料特點(diǎn)如下。
聚四氟乙烯玻璃纖維：對(duì)聚四氟乙烯的化學(xué)性能、電氣性能影響很小，能提高機(jī)械性能和耐壓、耐磨性能及尺寸穩(wěn)定性，但不適應(yīng)天堿性介質(zhì)。
聚四氟乙烯碳纖維：能提高聚四氟乙烯的機(jī)械性能、潤(rùn)滑減磨性能及熱傳導(dǎo)性能。非常適合于高速運(yùn)動(dòng)和使用蒸氣的場(chǎng)合，但不適合于氧化介質(zhì)。
聚四氟乙烯——青銅：能提高聚四氟乙烯的機(jī)械性能，并具有很高的耐磨性、熱傳導(dǎo)性、抗擠壓性和極高的耐壓性。但不適于酸介質(zhì)，因?yàn)樗鼤?huì)受到酸性的侵蝕。
聚四氟乙烯 二硫化鉬：能同時(shí)提高聚四氟乙烯的硬度，剛性和耐磨性，也可改善熱傳導(dǎo)性。 ·
聚四氟乙烯礦物質(zhì)纖維：它具有良好的抗化學(xué)藥品能力，較高的耐磨性，極高的耐熱、耐寒性和抗擠出性能，特別適合于高溫、高壓的工作場(chǎng)合，但不適合于無(wú)機(jī)酸介質(zhì)，因?yàn)樗鼤?huì)受到酸性的侵蝕。
聚四氟乙烯合成纖維：它具有良好的抗化學(xué)藥品的能力，較高的耐磨性、極高的耐熱、耐寒性和抗擠出性能。特別適合于高溫、高壓的工作場(chǎng)合。但對(duì)堿、高溫蒸汽和較濃的無(wú)機(jī)酸介質(zhì)的抵抗能力有限。
另外，聚四氟乙烯還可以用浸漬纖維來(lái)強(qiáng)化它的備種性能。
表1和表2例出填充聚四氟乙烯材料的物理機(jī)械性能和摩擦系數(shù)。
表1 填充聚四氟乙烯材料的物理機(jī)械性能
| 材料配方 |
摩擦系數(shù)3316f/in² 150FPM |
磨耗 |
伸長(zhǎng)率% |
拉伸強(qiáng)度1bF/in² |
負(fù)荷變形% |
溫度等級(jí)℃ |
壓力等級(jí)1bF/in² |
| 優(yōu)質(zhì)PTFE |
0.5~0.9 |
150 |
350 |
5000 |
7 |
-221~316 |
3000 |
| 著色PTFE |
0.5~0.9 |
150 |
350 |
4500 |
7 |
-176~316 |
3000 |
| 石墨填充PTFE |
0.6~0.9 |
30 |
225 |
2600 |
8 |
-176~316 |
4000 |
| 碳纖維/石墨填充PTFE |
0.8~0.9 |
6 |
130 |
1800 |
4 |
-176~316 |
5000 |
| 玻璃纖維/鉬填充PTFE |
0.7~12 |
7 |
250 |
2800 |
5.6 |
-176~316 |
5000 |
| 注模聚醚醚酮* |
24~26 |
- |
35 |
15260 |
- |
-37.7~260 |
10000 |
| 熱塑性材料填充 |
0.9~11 |
1 |
225 |
2000 |
1.5 |
-176~260 |
5000 |
| 耐磨性尼龍 |
15~35 |
- |
28 |
11000 |
1 |
-37.1~171 |
8000 |
*高性能注射模壓熱塑性彈性體
表2 常用填充聚四氟乙烯材料的摩擦性特性
| |
|
純PTFE |
15%玻纖 |
25%玻纖 |
15%石墨 |
60%青銅粉 |
25%玻璃1)5%石墨 |
15%玻璃 1)5%二硫化鉬 |
| 摩擦系數(shù) |
靜載荷2300N
0.05m/s
0.5m/s
5m/s |
0.05~0.08
0.1
0.13
不確定 |
0.10~0.13
0.20~0.22
0.27~0.40
0.37~0.50 |
0.10~0.13
0.17~0.20
0.26~0.29
0.30~0.45 |
0.08~0.10
0.12~0.16
0.20~0.26
0.30~0.31 |
0.08~0.10
0.14~0.22
0.35~0.50
0.16~0.24 |
0.08~0.10
0.12~0.15
0.24~0.50
0.24~0.37 |
0.12~0.13
0.32~0.35
0.19~0.24 |
| 極限PV值 |
0.05m/s
0.5m/s
5m/s |
0.4
0.6
0.9 |
3.5
0.44
5.3 |
3.5
4.6
5.6 |
3.5
6
9.8 |
5.3
6.5
10.4 |
3.9
5.3
7.7 |
3.9
4.9
6.1 |
| 磨損系數(shù) |
kX10-³M3.sec/N.m.h |
1.9x10-³ |
11.4 |
7.1 |
24.1 |
10.6 |
6.4 |
|
1)表中的極限PV值及摩損系數(shù)值是玻纖含量為20%和25%時(shí)的值
四、結(jié)語(yǔ)
1.用填充聚四氟乙烯材料制造的密封裝置封高壓油和其它介質(zhì)，要比橡膠密封和填料密封效果提高20倍以上。
2.用填充聚四氟乙烯材料制造的密封件能在很寬的工作溫度一200～ 260℃范圍內(nèi)正常工作。
3.耐高速，用填充聚四氟乙烯材料制造出的密封件，允許所配合的旋轉(zhuǎn)軸的工作線速度在30--一60m/s左右。
4.耐偏心性能好，允許所配合的旋軸安裝偏心量達(dá)0.5mm，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中偏心量達(dá)0.75mm。
5.耐腐蝕性好，可耐酸、堿及各類化學(xué)藥品而不老化，變質(zhì)和改性。
6.使用壽命長(zhǎng)，在汽車上，使用壽命在80萬(wàn)公里以上，在發(fā)電機(jī)組或船舶、航空動(dòng)力機(jī)組上，使用壽命在10000小時(shí)以上。
7.密封效果好，在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，可以達(dá)到零泄漏。
8.摩擦系數(shù)PV值小。
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