密封材料之改性聚四氟乙烯

中德密封

聚四氟乙烯的刚性影响了它的动态密封的效果 ,超过特定的压缩应力时 ,会使聚四氟乙烯垫圈产生“冷流 ”(蠕变)而被压扁 , 使之密封应用受到很大的限制 。因此 ,对聚四氟乙烯进行改性 ,进一步提高其综合性能是研究的重点 。目前 , 对聚四氟乙烯的改性 , 主要是与其他材料进行复合或者对其表面处理 ,利用复合材料的特性 , 弥补聚四氟乙烯自身的不足 ,从而达到改性的目的 。主要方法有 : 表面改性 、填充改性 、共混改性等 。
表面改性 : PTFE表面能较低 , 临界表面张力约为1.85×10-4N/cm , 相当于水的1/3, 接触角118°,是各种材料中最大的。表面改性处理方法主要有钠 - 萘络合物化学处理法 、等离子体表面改性 、高能辐射接枝改性 、激光辐射改性。最常用的表面改性方法是钠 - 萘络合物化学处理法 。化学方法方便 、简单 、快速 。通过表面改性 , PTFE表面生成了大量活性自由基 , 为下一步的接枝或者粘接创造了条件。PTFE在H2等离子体条件下的表面改性如图2所示。从图中可以看出 ,PTFE表面在等离子条件下生成了氢氧等活性自由基 , 很容易通过接枝来改变PTFE的表面活性 ,抑制PTFE的表面惰性 。



填充改性TFE具有许多优异的性能 ,但也有不足之处 ,因而需要加入填充剂和添加剂形成复合材料 ,改善其疲劳脆裂抵抗性能 , 耐磨性也大幅度提高。抵御塑性蠕变的能力提高2～3倍 ,由负荷作用引起的初始形变降低30%～60%,刚性提高2～3倍 。
填充聚四氟乙烯是优良的耐磨性能的密封材料 ,国内外以青铜粉、石墨、二硫化钼(MoS2)、玻璃纤维、碳纤维、聚苯、稀土、聚酰亚胺以及纳米材料等作为填充改良剂改性PTFE,耐磨性能大幅度提高 ,抗蠕变性能也得到改善 , 满足了一般特定条件下的密封。填料可以单独使用 ,也可以几种填料复
合应用,Thomas Kletschkowski将5%的玻璃纤维和5%的MoS2填充到90%的PTFE中 , 玻璃纤维减少了密封的磨损, MoS2则减少了密封的摩擦。有效改善了密封效果。表 1是几种填充PTFE复合材料的物理性能。



共混改性:利用PTFE的优异性能与其他工程塑料进行共混改性 ,可以综合共混各组分的长处 ,实现了优势互补,从而拓宽了材料的应用领域。然而PTFE的表面能极低,润湿性差,属于高惰性材料,与绝大多数聚合物的相容性都很差,所以,在进行共混改性前必须进行适当的表面处理 , 或在改性过程中添加适当的特定成份以改善PTFE与其他聚合物的相容性。
共混的基本原理是相似相容原理 、容度参数相近原理 、表面张力相近原则 。
根据前述的3个原则 ,为改善PTFE与其他聚合物共混的相容性 ,从PTFE方面考虑 :
(1)为改善PTFE与橡胶的相容性,从热力学角度看,低相对分子质量的PTFE有利于与其他聚合物共混相容,另外,低相对分子质量的PTFE容易渗透到表面,增加材料表面的自润滑性 。
(2)对PTFE进行表面特殊的处理,提高与其他聚合物的相容性 。
(3)采用细粒粉料的PTFE,增大混合熵 。一般粒子在50nm以下 。
一般PTFE作为填料使用,PTFE作为主体材料的报道甚少,聚四氟乙烯和弹性体可以分别作为密封材料使用,它们也有其局限性 ,聚四氟乙烯及其复合材料本身的缺陷,不能像橡胶那样受到负荷之后能100%恢复到原来状态,随时间推移缝隙逐渐加大,易发生泄漏,密封效果不是很好。橡胶具有较大的弹性 ,耐磨损, 但容易变形, 润滑能力差等。采用P T F E与橡胶共混的方法能有效综合共混各组分的长处,实现了优势互补,使工程塑料功能化,使之达到最佳的密封状态 ,从而拓宽了其应用领域 。
适用于聚四氟乙烯的共混料需满足以下条件 :
(1)在380 ～ 400 ℃烧结温度下稳定 。
(2) 填料粒子与聚四氟乙烯粉末粒度相当,一般粒度应小于150μm 。
(3)不潮解和不与聚四氟乙烯反应 。
(4)与PTFE的界面相容性 。
(5)填料与分子极性相差不大 。
(6)共混组分热膨胀系数差别不大 。