Polytetrafluorethylen (PTFE), také známý jako „teflon“ a „plastový král“, se široce používá v různých průmyslových odvětvích kvůli jeho vysokoteplotní odolnosti, odolnosti proti korozi, odolnosti proti rozpouštědlu, vysokou izolaci, biologické inertnosti a jiným charakteristikám. PTFE je polymer bez větve složený pouze ze dvou prvků, C a F, ve kterých atomy fluoru nahrazují atomy polyethylenu vodíku.
1. Struktura a vlastnosti PTFE
1. Strukturální charakteristiky
Polytetrafluorethylen je homopolymer tetrafluorethylenu, který lze připravit polymerační metodami, jako je metoda suspenze, metoda disperze a metoda emulze.
Polytetrafluorethylen je super silný materiál a jediný typ fluoroplastického, který lze použít jako inženýrské plasty.
2. hlavní vlastnosti
Relativní molekulová hmotnost PTFE je velmi velká, takže relativní molekulová hmotnost nemá žádný zjevný účinek na sílu, ale krystalinita má významný vliv na rigiditu, houževnatost, prodloužení a sílu produktů PTFE.
Hustota PTFE je asi 2,2 g/cm3, povrch je hladký a voskový a kontaktní úhel s vodou je 114 stupňů -115 stupně. PTFE je obvykle mléčně bílá a neprůhledná, ale produkt zhášený má určitý stupeň průhlednosti, téměř žádnou absorpci vody, nízkou propustnost pro vodní páru a dusík a klesá se zvyšující se hustotou.
Pevnost v tahu, prodloužení, elastický modul, tvrdost, propustnost vzduchu, dielektrická síla atd. PTFE jsou spojeny s podmínkami zpracování, jako je tlak na formování, slinovací teplota a čas a rychlost chlazení, protože podmínky zpracování ovlivňují porozitu a krystalinitu produktu. Vysoký tlak na formování, slinování ve formě a chlazení pod tlakem může snížit dutiny v produktu, čímž se zlepší jeho mechanická pevnost. PTFE má nízký elastický modul a je náchylný k plíživé. Creep je důvod, proč lze PTFE použít pro utěsnění v těsnění, surových páskách, elastických páskách atd.
Tvrdost PTFE je nízká, ale lze ji zlepšit přidáním výplně.
Koeficient tření PTFE je nejmenší ze všech pevných materiálů a nemění se s teplotou. Jeho koeficient statického tření je menší než koeficient dynamického tření. Proto ložiska PTFE začínají hladce a mají nízký odpor. Mohou být použity jako nízkorychlostní ložiska s vysokým zatížením a při rotu při nízké rychlosti jsou bezhrubná.
Tepelná vodivost PTFE je nízká, která může být vhodně zvýšena přidáním kovových plniv.
Bod tání PTFE je 327 stupňů, teplota deformace tepla je 50-60 stupeň (ISO r75 a metoda) nebo 130-140 stupeň (metoda B), provozní teplota je -200-260 stupeň a je nelamobilní. PTFE má nejvyšší tepelnou stabilitu mezi termoplastikami a při 204-327 stupně není malá degradace, takže není nutný žádný stabilizátor vytápění.
Relativní molekulární hmotnost polytetrafluorethylenu je relativně velká, pohybující se od stovek tisíc do více než 10 milionů, obecně miliony (stupeň polymerace je řádově 104, zatímco polyethylen je pouze 103). Obecná krystalinita je 90-95%a teplota tání je 327-342 stupeň. Jednotky CF2 v polytetrafluorethylenové molekule jsou uspořádány ve tvaru klikatky. Vzhledem k tomu, že poloměr atomu fluoru je o něco větší než poloměr vodíku, nemohou být sousední jednotky CF2 zcela orientovány v trans-křížové orientaci, ale tvoří spirálový zkroucený řetězec a atomy fluoru téměř pokrývají povrch celého polymerního řetězce. Tato molekulární struktura vysvětluje různé vlastnosti polytetrafluoroethylenu.
2. Aplikační pole PTFE
PTFE má nejlepší chemickou odolnost proti korozi, takže se nejvíce používá v materiálech proti korozi a má širokou škálu aplikací; PTFE má vynikající elektrické vlastnosti, takže se používá jako izolační materiál v elektronickém a elektrickém průmyslu; PTFE má malý koeficient tření a dobrý odolnost proti opotřebení, takže se používá k výrobě materiálů odolných proti opotřebení, posuvné části a těsnění v odvětví strojů.
PTFE je široce používán v mostech a budovách jako podpora nesoucí zátěž. Kromě toho podle selektivní propustnosti filmu PTFE po ošetření může být použita jako separační materiál k selektivnímu průchodu plynem nebo kapalinou. Jeho porézní membrána může být použita pro separaci plynu-kapaliny, separaci plynového plynu a separaci kapalina-kapaliny a lze jej také použít k filtrování korozivních kapalin. Kromě toho je PTFE také široce používán v lékařském, elektronickém a stavebním průmyslu. Například membrány PTFE lze použít jako lidské orgány, včetně umělých krevních cév, srdečních ventilů atd.
1. Aplikace PTFE v poli 5G
Laminát měděného oděvu FR4 běžně používaný v komunikačním průmyslu používá epoxidovou pryskyřici jako substrátový materiál, ale jeho ztráta je velká a není vhodná pro vysokofrekvenční komunikaci.
Požadavky na vysokofrekvenční lamináty oděvené mědi v poli 5G jsou nízká dielektrická konstanta a nízký dielektrický ztrátový faktor a 5G pole má své vlastní vlastnosti (aplikace mikrovlnné a milimetrové vlny) a má vyšší požadavky na lamináty oděné měděné.
Polytetrafluorethylenová pryskyřice je v současné době polymerním materiálem s nejnižší dielektrickou konstantou a její dielektrické vlastnosti a dielektrické ztráty mohou splňovat požadavky komunikačních základních stanic v poli 5G. Proto se PTFE postupně používá ve vysokofrekvenční komunikaci, jako je 5G, Aerospace a vojenský průmysl, a lamináty oděné měděné z něj se nazývají vysokofrekvenční lamináty oděvy mědi.
Kromě toho se PTFE často používá v poli 5G k výrobě polopřátelských koaxiálních kabelů, RF koaxiálních kabelů, radarových anténních desek atd.
2. Aplikace PTFE v průmyslu vodíkové energie
V oblasti vodíkové energie se PTFE používá hlavně pro utěsnění alkalických elektrolyzér, jakož i pro posilování membrán pro výměnu protonů v palivových článcích PEM a vodní elektrolýzu.
V alkalických elektrolyzérech jsou těsnicí těsnění hlavní komponenty, které mají funkce utěsnění i izolace. Únik je jedním z důležitých faktorů ovlivňujících život a bezpečnost alkalických elektrolyzér. Odolnost proti kompresnímu a relaxaci těsnění těsnění jsou důležitými ukazateli pro měření výkonu těsnění těsnění. Domácí těsnicí materiály pro domácí alkalické nádrže podstoupily více iterací a upgradů, jako jsou gumové listy azbesto-„látkové polštářky v jednom“ membránové těsnění polytetrafluorethylen (PTFE). V současné době jsou běžně používané těsnění elektrolyzéru v Číně hlavně naplňující těsnění typu PTFE. PTFE je naplněno a upraveno vyztuženými plnivami, jako jsou skleněné vlákno, oxid alumina a grafit, a poté formová a slinná za účelem vytvoření těsnění těsnění.
V palivových článcích a elektrolýze PEM vody se vyvíjejí membrány protonů směrem k tenkosti, ale životnost tenkých homogenních membrán kyseliny perfluorosulfonové nemůže splňovat požadavky palivových článků a elektrolýzy PEM vody. V současné době jsou protonové membrány palivových článků na trhu často kompozitními membránami protonů, které používají EPTFE jako kompozitní materiál a membránu kyseliny perfluorosulfonové. Rozšířená polytetrafluorethylenová membrána (EPTFE) je porézní trojrozměrná mikrostruktura s mikrometrem nebo submikrometrem.
V současné době je globální trh EPTFE řízen několika výrobci, jako jsou Gore, Nitto Denko a Donaldson ve Spojených státech. Domácí Pan Asia Microporases úspěšně zlomila zámořský monopol neustálým zkoumáním a procházením produkční technologie EPTFE. Celkový domácí film EPTFE se však zaměřuje na trhy se středním a nízkým koncem a nezohledňuje velkou část špičkového trhu.
3. technologie modifikace PTFE
Polytetrafluorethylen (PTFE) má dobrou odolnost proti teplu, izolaci, samozvycí se vlastnosti, nehořlavost, nepřilnavost a další vynikající vlastnosti v důsledku silných vazeb obsažených fluorinem obsaženým v jeho složení. Současně má díky své vysoké teplotě a stabilní chemické vlastnosti schopnost odolat korozi „Aqua Regia“, čímž získává pověst „krále plastů“. Je široce používán v obraně, mechanickém průmyslu a lékařských materiálech, zejména v oblasti tribologie. Proto se PTFE v oblasti technických plastů stala jedním z materiálů upřednostňovaných vědci.
Avšak vzhledem k nedostatkům PTFE, jako je nízká tvrdost, snadné opotřebení a špatný odolnost vůči dotvarování, podléhá určitým omezením skutečné aplikace a výroby. Vědci byli proto odhodláni najít vynikající metodu pro zlepšení svých mechanických vlastností, aniž by se změnili výhody samotného PTFE, čímž se rozšířili jeho aplikační pole. Modifikace PTFE je hlavně kombinovat s jinými materiály, aby se kompenzovala vady samotného PTFE, zejména včetně modifikace povrchu, modifikace míchání a úpravy plnění. Mezi nimi se při přípravě kompozitních materiálů používají modifikace míchání a modifikace plnění, zatímco modifikace povrchové chemické modifikace je zaměřena hlavně na problémy s vazbou.
1. Modifikace povrchu
PTFE má velmi nízkou povrchovou aktivitu a vynikající neklíčovost, což snižuje stupeň adheze s jinými materiály. Povrchová modifikace může nejen zlepšit její povrchovou inertnost a kompatibilitu s plnivami, ale také zlepšit povrchovou aktivitu materiálu matrice. Současnou chemickou modifikací povrchu PTFE je hlavně ošetření v plazmě, ošetření záření a ošetření chemickému roztoku. Tyto metody mají odstranit ionty povrchového fluoridu a roubování vysoce aktivních funkčních skupin na povrchu, aby bylo dosaženo účelu zlepšení aktivity materiálu matrice.
Modifikace plazmy bombarduje povrch vzorku s vysokou energií plazmou, přenáší energii na molekuly na povrchu vzorku, způsobuje tepelné leptání, zesíťování, degradaci a oxidační reakce a způsobuje CF vazbu a CC vazbu na povrch vzorku na přestávku na prolomení vzorku, která je upevněna, a optimalizuje se v vzorku, což je optimalizací. Modifikaci povrchu materiálu ošetřením plazmy nízké teploty lze rozdělit na leptání povrchu plazmy, plazmovou vazbu, ukládání plazmatické páry, ukládání plazmatické kapaliny a roubování povrchu plazmy.
High-energy radiation can trigger graft polymerization and give the polymer some unique properties, such as improving its hydrophilicity, biocompatibility, conductivity, etc. The radiation-treated PTFE surface can be directly grafted with hydrophilic monomers such as acrylic acid, acrylamide, styrene and styrene/maleic anhydride to form a layer of grafted polymer that is easy to bond, making the PTFE povrch drsný a zvyšuje lepení. Mezi běžně používané zdroje záření v radiačním roubování zahrnují gama paprsky, jako je kobalt -60, cesium -137 a strontium -90, jakož i různé typy akcelerátorů, jako jsou rentgenové trubky, lineární akcelerátory a cyklotrony.
PTFE lze ošetřit chemikáliemi, aby se zlepšila jeho povrchová aktivita. Mezi tyto chemikálie patří roztok tetrahydrofuran sodíku naftalen, roztok amoniaku kovového sodíku, alkalický amalgám alkalický kovový amalgám, roztok pentakarbonylového železa atd. Roztok léčby sodíkem naftalenu, jako je tetrahydonun a ethyd-ethyl-collethyl. Sodík přenáší nejvzdálenější elektrony na prázdnou oběžnou dráhu naftalenu za vzniku aniontových volných radikálů, které pak vytvářejí iontové páry se sodíkem a uvolňují velké množství rezonanční energie; Poté jsou anionty naftalenu přeneseny do PTFE, ničí CF vazbu a odstraňují některé atomy fluoru na povrchu, čímž se vytvářejí karbonizovanou vrstvu a některé polární skupiny na povrchu PT-FE. Na povrchu ošetřeného PTFE existují aktivní skupiny, jako jsou hydroxyl, karbonyl a karboxyl, což zlepšuje vazebné vlastnosti povrchu PTFE.
2. úprava míchání
Základním principem míchání je princip podobného rozpuštění, takže hodnota rozpustnosti a povrchové napětí smíšených materiálů musí být podobné. Míchání PTFE s jinými technickými plasty může dosáhnout účelu doplňkových výhod a zároveň integrovat silné stránky každé složky, čímž do určité míry rozšíří pole aplikace. Při modifikaci míchání lze PTFE použít jako maticový materiál i výplň k posílení jiných polymerů. Zde zavádíme hlavně polyfenylenovou (POB), polyfenylensulfid (PPS) a polyetheretherketoton (peek).
POB má vynikající kompresivní odolnost proti tečení a vysokou tvrdost. Míchání s PTFE může nahradit nedostatky PTFE a zlepšit mechanické a tribologické vlastnosti PTFE.
Na rozdíl od POB má PPS vynikající odolnost proti opotřebení, odolnost proti rozpouštědům, odolnost proti teplu a snadnou výrobu. Je široce používán v leteckém a jiném oboru. Může být také použit jako matice pro super hydrofobní povlaky. PTFE má výhody potenciální biologické úlohy, vysokou tepelnou stabilitu, vysokou chemickou inertnost, nízkou povrchovou energii a dobré samozvyky. Míchání PPS s PTFE je ideální volbou pro zlepšení tribologických vlastností hydrofobních povlaků.
Peek a PTFE jsou oba běžné maticové materiály v kompozitech na mazání. Cai Zhenjie et al. Připravil kompozity PTFE modifikované peek a studoval mechanické vlastnosti a mechanismus opotřebení. Když je hmotnostní zlomek mikropowderu PTFE 5%, koeficient tření se sníží z 0. 35 na asi 0. 3 a objem se minimalizuje. Tento kompozitní materiál lze použít nejen v mechanickém poli, ale také v lékařské oblasti.
Modifikace míchání je jednodušší a bez znečištění než modifikace povrchové chemické modifikace, ale obecně je modifikována pouze polymery, což omezuje přidání anorganických plniv, jako jsou kovy, keramika a vlákna, což vede ke omezenému výkonu při zlepšování pevnosti, tvrdosti a tepelné vodivosti kompozitních materiálů. Kromě toho je vysoká inertnost PTFE méně kompatibilní s jinými polymery. Před úpravou nebo některým konkrétním komponentám je třeba přidat povrch během procesu modifikace, aby se zlepšila kompatibilita, musí být ošetřena povrch.
3. úprava plnění
Výplně modifikované PTFE je jednoduchá a efektivní metoda. Přidání plniv a přísad může výrazně zlepšit mechanické vlastnosti PTFE, zejména rychlosti dotvarování a opotřebení. Mezi běžně používané výplně patří skleněné vlákno, uhlíkové vlákno, grafit, disulfid molybdenu, bronz, ocel atd.
Grafit je dobré pevné mazivo. Plnění grafitu v PTFE může nejen výrazně snížit opotřebení kompozitů PTFE, ale také zlepšit tepelnou vodivost a špatnou kompresi Ptfe.
Disulfid molybdenu (MOS2) má nižší koeficient tření než grafit a je stabilní povahou, takže se široce používá. Cena MOS2 je však velmi vysoká. Výkon wolframového disulfidu (WS2) se příliš neliší od výkonu MOS2, ale WS2 má lepší výkon suchého tření. MOS2 a WS2 mohou zlepšit stabilitu tření a odolnost proti opotřebení kompozitních materiálů a zároveň zlepšit mechanické vlastnosti. Ve srovnání s čistým PTFE lze stabilitu tření WS2 vylepšit asi o 33,3%. Pokud se používá kompozitní náplň, může být odolnost proti opotřebení zlepšena o 2,3% ve srovnání s jedinou náplní.
Uhlíkové vlákno (CF) má vysokou specifickou pevnost, vysoký modul, nízkou hustotu, vynikající odolnost proti opotřebení a vlastnosti tečení. Uhlíkové vlákno je nezbytné pro snižování dotvarování, zvyšování tvrdosti, zvyšování flexibility a kompresního modulu. Polytetrafluorethylen smíchaný se sloučeninami z uhlíkových vláken má vysokou tepelnou vodivost a koeficient nízké tepelné roztažnosti. Uhlíkové vlákno je inertní až silné kyseliny alkalií a kyseliny hydrofluorové (skleněné vlákno může tolerovat tyto dvě kyseliny). Tyto části jsou velmi vhodné pro výrobu automobilových dílů, jako jsou tlumiče nárazů.
GF byl vždy upřednostňován při výrobě průmyslových tjovacích materiálů kvůli jeho vysoké pevnosti, vysokému modulu a relativně nízké ceně a je v oblasti polymerního plnění a úpravy široce používán než CF.
Titanátový vous draselný (PTW) má mnohem lepší mechanické vlastnosti než běžně používané GF, CF atd. Díky své jedinečné vysoce uspořádané krystalové struktuře. Přidání PTW může výrazně zlepšit odolnost vůči síle a opotřebení kompozitního materiálu a přitom zlepšit tuhost a houževnatost kompozitního materiálu, jak posilovat, tak zpevnit, změnit předchozí jev zlepšení jedné vlastnosti a obětovat další při úpravě GF a CF a má stabilní chemické vlastnosti, dobrou tepelnou izolaci a odolnost proti opotřebení. Ačkoli účinek plnění a modifikace PTW je lepší než GF a CF, musí být dále zlepšena kompatibilita mezi PTW a maticovým materiálem.
PTFE naplněná bronzem má tato sloučenina vynikající tepelnou vodivost a elektrickou vodivost, takže je velmi vhodná pro aplikace s extrémními zatíženími a teplotami.
IV. Shrnutí PTFE
PTFE má vynikající komplexní vlastnosti a je nejrozšířenější odrůdou mezi fluoroplastikami, hraje stále důležitější roli. S rozvojem vědy a technologie již čistý PTFE nemůže uspokojit poptávku na trhu, takže se stalo nevyhnutelným trendem upravit PTFE, hlavně modifikaci povrchu, úpravu míchání a úpravu plnění. V současné době se Čína stala hlavním výrobcem PTFE a v podstatě zvládla metody formování a zpracování modifikovaného PTFE. Ve srovnání s cizími zeměmi však stále existuje velká mezera v oblasti technologie a kvality produktů. Proto je třeba dále studovat výzkum, zpracování a použití modifikovaného PTFE a tribologického chování a mechanismu za různých pracovních podmínek.
