聚四氟乙烯（改性）的性能及其在机械工程中的应用

本文通过对聚四氟乙烯(PTFE)与其它塑料的性能对比，指出了PTFE在机械工程上应用时存在的问题，介绍了填充改性PTFE在滑动导轨，摩擦零件，密封件，防腐部件，建筑材料，农业机械材料等方面的应用，并对新的机械应用领域作了展望。

聚四氟乙烯(PTFE)树脂是美国化学家普伦凯特(Plunket)博士于1938年首先研制出来的，到20世纪50年代国外实现了工业化生产，我国是在20世纪60年代正式投产。PTFE俗称”塑料王”，以其独特的性能而被广泛地应用于各个方面。它具有耐高温，不氧化，不溶解，特别好的化学稳定性和极其优异的介电性能，使其成为化学，机械等工业为主的几乎所有产业部门不可缺少的重要材料之一。

1、自身润滑性

PTFE的摩擦系数比其他工程塑料小，是已知可实用的滑动面材料中摩擦系数值最低的，是理想的润滑材料。

2、耐化学药品性能

由于PTFE分子结构上没有双键和支链及结晶度高等原因，因此具有优异的耐化学药品性能，是已知工程塑料中最好的。即使在高温环境中它与浓酸，稀酸，浓碱和强氧化剂也不发生作用，甚至在王水中煮沸也不受侵蚀，与大多数溶剂，如醇，醚，酮等都无作用。

3、吸水性

PTFE的吸水率很低，与UHMWPE相当，在水中也不膨胀。

4、宽阔的高低温度使用范围

PTFE可以在一200～260%的范围内长期连续使用，即使在一200~C的超低温下仍不发脆，还可保持一定的挠曲性。

5、不粘性

PTFE是目前表面能最小的一种固体材料，表面张力仅0。019N/m，几乎所有固体材料都不能粘附在其表面。

6、耐磨性

纯的聚四氟乙烯极不耐磨，但在聚四氟乙烯中加入各种填料，耐磨性飞跃地提高，比某些常用作摩擦件的材料(如铸铁与铜)还耐磨。

7、卫生无毒

PTFE卫生无毒，符合卫生标准，能够接触食品和药品。

8、优异的电绝缘性能

PTFE为高度非极性材料，具有极优良的介电性，其击穿电压为25—40KV/mm;电阻极大，体积比电阻在200时仍高达1061~。

9、完全不燃烧性

PTFE熔点为327，高于其它一般的高聚物。在260%时其断裂强度仍保持5MPa(约为室温的1/5)，抗屈强度达1。4MPa。它具有极可贵的不燃性，其限氧指数(LO)在95以上，在火焰上只能熔融，不生成液滴，最终只被碳化。

10、优异的耐老化性能和抗辐射性能

PTFE不仅在低温与高温下尺寸稳定，在苛刻环境下性能不变，潮湿状态下不受微生物侵袭，而其对各种射线辐射具有较高的防护能力。

11、其他性能

PTFE硬度低，质地较软，具有吸收和包容异物的能力;易于加工。

1、改性的目的和方法

聚四氟乙烯虽然具有很多优良特性，但也有许多不足，与其他工程塑料相比，其机械性能不是很好;线膨胀系数较大;成型收缩率大，二次加工困难;硬度低，耐磨性差;耐蠕变性差，易冷流;导热性差以及价格较高等缺点。这些缺陷在一定程度上限制了它的广泛应用。改性的目的有:提高机械性能;提高耐磨性;降低线膨胀;加强流动性等。

2、填充改性剂的种类和作用

采用玻璃纤维，石墨，二硫化钼，二氧化硅，三氧化二铝，青铜粉，碳纤维等对PTFE进行填充改性，可提高其表面硬度，耐磨性，耐蠕变性，弯曲强度，抗压强度及尺寸稳定性等。由玻璃纤维复合的PTFE的硬度一般可提高10%，耐磨性可增加500倍以上，耐蠕变性和抗冷流性能都有较大程度的提高和改善;二硫化钼的加入有助于PTFE制品硬度，刚度的提高，降低初期起始的磨损量;石墨填充的PTFE有优良的耐化学药品性，压缩蠕变性和较佳的导热性;铜粉填充的PTFE可提高制品的抗蠕变性，抗压强度，硬度及尺寸稳定性。

1、滑动导轨

滑动导轨往往是金属切削机床，医疗器械与其他许多系统与装置的安装基础，精度基础与定位基础，还是这些机械的寿命的标志，是机器的重要组成部分。机床制造业中，大多数机床导轨副均采用铸铁一铸铁，铸铁一淬火铸铁，铸铁一淬火钢等形式搭配。但是由于其物理性能决定了金属之间摩擦系数大，不耐磨，不能在干摩擦下工作，低速小位移时爬行，这种爬行对机床，尤其对精密机床来说，会影响进给精度与重复精度。当改用填充PTFE导轨后，机床工作的低速平稳性大大改善。由于塑料导轨具有异物埋物的特点，可以把铁屑，沙粒埋嵌在塑料内部，避免了自身的磨损，阻止了拉毛和研伤金属表面，能起到保护床身导轨的作用。含有青铜粉和其他填料的PTFE具有优异的摩擦性能，能在金属表面形成转移膜之后，使摩擦系数大幅度下降，转移膜的承载能力大大提高，有效工作寿命也得以延长。若与金属机床导轨搭配，其摩擦系数随滑动速度的增大保持不变。因此这种填充PTFE导轨在低速和微量进给时不会产生爬行现象，同时还具有吸振和缓冲性能。PTFE导轨在干摩擦时摩擦系数为0。05，有油润滑时为0。03，无论机床导轨有无润滑油，其工作运动时都是一样平稳。当PTFE导轨磨损后需要修复时，维修工作十分省力，可以互换，容易保持尺寸精度，特别是在导轨部分被损坏，需要抢修情况下，用塑料作局部修补更显优越。

2、摩擦零件

机械工程上常用的PTFE摩擦件很多，有轴承，活塞环及齿轮等。PTFE是用作活塞环的理想材料，大量用于空气压缩机和水压缩机。PTFE活塞环作为压缩环起阻挡液体或气体的作用，常见于不能用润滑剂或其它苛刻条件下如有严重腐蚀性及对安全性要求比较高的场合，可以大大减少气缸内壁的磨损和重复镗孔的次数，延长了气缸使用寿命。例如有一台式蒸气锤，原用金属环，当二班制生产时，在正常情况下，半年以后气缸内壁磨损达7～9ram，金属环2～3星期就被振断，有时还会出现折断的活塞环卡坏气缸内壁，不得不更换气缸的情况。改用填充PTFE个月时气缸内壁磨损仅2mm，10个月后磨损也才3mm，寿命延长了4～5倍甚至更长。几乎所有的活塞环在往复运动中起密闭作用，起动频繁，因此要求静摩擦系数小，在小负荷下PTFE静摩擦系数比其他材料的活塞环低25%～75%。载荷越大越能发挥其优越性，这在起动轻便，往复轻巧方面具有不可比拟的优越性，结果表现在减少能耗，减少振动与噪声，有利于保护环境。与此同时，PTFE可用作各种工况变化范围宽，环境十分苛刻的轻纺，印染，造纸和食品等工业的运动传递和动力传递元件使用的齿轮与轴承

3、密封件

采用PTFE薄膜复合于橡胶密封材料表面，可提高橡胶密封件的耐溶剂性和耐介质性，价格也相对较低，已被用于各种苛刻场合的密封要求。填充FE密封材料具有极好的耐高低温特性，是目前替代传统石棉垫片材料的主要替代物。碳纤维增强的PTFE密封材料更兼有高强度，高模量，耐疲劳，抗蠕变以及导热率高，热膨胀系数和摩擦系数小等性能。这些综合性能是任何一种密封材料都不可比拟的，是理想的高级密封材料。

4、防腐部件

改性PTFE对酸，碱，盐腐蚀介质具有良好的化学稳定性，可取代金属陶瓷用于防腐工程，特别适用于高温，强烈腐蚀的场合，如化工厂的防腐蚀设备，管道与管件，耐腐蚀摩擦材料，阀门，泵，热交换器，多孔板材及强腐蚀介质的过滤材料，化工设备的衬里和涂层。

5、电绝缘件

改性PTFE广泛用于电线使用的棒，管，生料带的绝缘层，同时也用作各种插座，支座的绝缘体，高频微波设备的绝缘材料，以及电化工业的电极等。

6、建筑材料

PTFE分散液浸渍玻璃布是优良的膜结构建筑材料，其透光性优，可降低照明及空调费用，耐久性达20年以上，可降低涂装清扫费用，对大构架屋顶的建筑工期可缩短50%，可降低屋顶材料费的50%及总建筑费用的20%，量轻耐震不燃，设计自由度大等。因此宜作室外球场，竞技场，体育馆，滑冰场，游泳池，大型展览会，动植物园，交通站等的屋顶材料。

7、润滑油添加剂

在边界润滑条件下，降低摩擦系数最有效的途径是选择适用的润滑添加剂，而PTFE粉末是常用的固体添加剂。实验证明，机油中添加一定数量的固体添加剂可有效节约发动机燃料油5%左右。

8、农业机械材料

利用填充PTFE的自润滑性与难粘附性，耐磨性，可广泛制成推土机板衬里，挖土机铲斗和自卸卡车车厢的内衬等，以提高输送物料的效率与稳定性。

9、日用材料

喷涂PTFE的电熨斗工作面，既耐磨，摩擦阻力又小;喷涂PTFE的炒锅，电饭锅，具有不粘食品的特点;刀片上粘结或镶装了聚四氟乙烯薄膜，刀片紧贴面颊移动时，阻力既小皮肤上又有柔润感。

10、新的机械应用领域的开发

除上述PTFE在机械行业中的应用情况及研究成果外，从材料性能和结构两个方面同时考虑，PTFE在汽车工业，常规兵器，船舶，宇航和原子能，医药，环保等机械领域有广阔的前景。