聚四氟乙烯具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐高低溫性、耐老化性, 以及極低的摩擦因數(shù)、自潤滑等性能 ,在化工、機械等很多領域都有廣泛應用, 改性后的聚四氟乙烯復合材料是密封行業(yè)使用的一種重要材料。聚四氟乙烯材料是一種熱塑性塑料, 但其在熔融狀態(tài)下的黏度仍然高達10¹⁰～10¹¹Pa·s,成型困難, 一般采用類似粉末冶金的成型方法, 即把聚四氟乙烯粉末經(jīng)壓制再高溫燒結(jié)成型, 燒結(jié)是指把聚四氟乙烯預成型品加熱到晶體熔點327℃以上, 使聚合物分子由結(jié)晶形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型態(tài), 分散的單個樹脂顆粒通過互相擴散熔融黏結(jié)成一個連續(xù)的整體, 再經(jīng)冷卻聚合物分子由無定型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶形態(tài)。本文作者從聚四氟乙烯復合材料的燒結(jié)過程, 研究了坯料內(nèi)外部位的升溫變化, 以及升、降溫速度, 晶型轉(zhuǎn)變點附近的保溫等要素控制, 來盡量減少各部位之間的差異。

1、試驗部分

1.1、試驗原料和設備

　　試驗原料采用自配的填充改性聚四氟乙烯粉, 主要組分見表1。

表1　原料組成

　　試驗設備主要有PTFE成型液壓機、高溫燒結(jié)箱、溫控儀等。

1.2、試驗方案與測試方法

1.2.1、試驗一

圖1　聚四氟乙烯試樣制作示意圖

　　將自配的填充聚四氟乙烯粉料用液壓機壓制成直徑40mm ×70mm棒料, 在棒料底面沿軸向鉆一小孔至中心位置, 如圖1所示。將溫控儀的一個探頭裝入孔內(nèi), 然后用同樣的填充聚四氟乙烯粉料封閉小孔,將試樣置于高溫燒結(jié)箱內(nèi), 另取一個溫控儀的探頭置于燒結(jié)箱內(nèi)靠近棒料側(cè)面, 按圖2所示的燒結(jié)程序進行燒結(jié)。

圖2　預設試樣燒結(jié)曲線

1.2.2、試驗二

　　將已燒結(jié)的直徑40mm ×70mm棒料裝好溫控儀的探頭, 放置在已加熱到300℃的高溫燒結(jié)箱內(nèi), 燒結(jié)箱內(nèi)另裝一個溫控儀的探頭, 自由升溫到370℃, 然后自由冷卻。

2、結(jié)果與討論

　　從試驗一測得的該填充聚四氟乙烯試樣在燒結(jié)過程中外部與坯料中心的升溫情況如圖3所示。

圖3　直徑40mm ×70mm棒料燒結(jié)過程中外部和坯料中心的燒結(jié)曲線

　　聚四氟乙烯材料熱導率不高, 僅為0.251W/(m·K), 試驗所采用的填充改性聚四氟乙烯雖然熱導率有所改善, 但是依然傳熱很慢。試件中心孔與外表面間距為17.5mm, 從圖3升溫曲線可以看出,試件在330℃以前、50℃/h升溫速度下, 由于熱傳導過程慢, 試樣中心比外部溫度始終低11～12℃,棒料徑向溫度梯度為0.6～0.7℃/mm。升溫速度提高, 溫度梯度會隨之加大, 聚四氟乙烯材料熱膨脹系數(shù)大, 溫差過大會造成各部位膨脹不一致, 增加坯料開裂的風險, 因此, 厚壁制品要相應降低升溫速度。

　　根據(jù)壁厚不同, 燒結(jié)時升溫速度一般可以控制在15～100℃/h。聚四氟乙烯熔融溫度為327℃, 實際使用的聚四氟乙烯材料中各種材料燒結(jié)熔融溫度不同, 最高處約342℃ , 因此聚四氟乙烯材料實際完全熔融需350℃, 燒結(jié)最高溫度一般設計在360℃以上, 而溫度過高(390℃以上) 又會加速聚四氟乙烯的分解, 造成性能下降, 因此實驗中選定燒結(jié)溫度為370℃。從圖3可以看出, 試樣中心在330～370℃的升溫過程明顯出現(xiàn)了兩個階段, 337 ℃以前升溫速度只有16℃/h, 337℃以后升溫速度加快, 達到60℃/h。這是由于聚四氟乙烯材料在熔點附近的晶型轉(zhuǎn)變本身需要吸收更多的熱量所致, 因此在聚四氟乙烯材料燒結(jié)時升溫到335～340℃應保溫一段時間, 以消除內(nèi)外溫差過高引起制品開裂, 從直徑40mm ×70mm棒料中心的升溫過程統(tǒng)計保溫時間隨壁厚的關系為4min/mm。