聚四氟乙烯(PTFE)制品的成型工艺及质量分析

塑料加工　聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）制品的　成型工艺及质量分析　

刘先兰　（湖南大学衡阳分校，衡阳，４２１１０１）　

摘　要：本文介绍了聚四氟乙烯的成型工艺特性、成型方法及其模具设计的特点，对冷压　烧结成型聚四氟乙烯制品的缺陷及其所产生的原因进行了分析，并提出处理方法。　关键词：聚四氟乙烯　成型工艺　质量　处理方法　

１　前言　聚四氟乙烯制品具有极其优良的性能，　它对各种强酸、强碱、氧化剂的绝对隋性以及　良好的化学稳定性和介电性能，广泛地应用　于电子技术、航空、化学工业、机械工业、食品　工业和医药工业等方面。　ＰＴＦＥ属直链状热塑性聚合物，但把它　加热到结晶转化点（３２７。Ｃ）以上，只是形成无　晶质的凝胶态，呈现出１０１０～１０１１Ｐａ·Ｓ的　极高熔体粘度而不能流动。所以不能用一般　热塑性塑料通常的成型方法成型，而只能采　用类似粉末冶金烧结成型的方法，即冷压与　烧结相结合的加工方法。　２　聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）的成型工　艺特性　（１）ＰＴＦＥ在熔融状态具有极高粘度，　加热到４１５℃亦不会从高弹态变为粘流态；　熔融粘度随剪切应力的增加而降低，显示出　非牛顿流体的特性。　（２）ＰＴＦＥ是一种结晶型聚合物。直接　影响制品结晶度的主要因素是成型时的烧结　温度和时间。当温度超过３２７。Ｃ时，结晶区　域即完全消失；当温度低于此温度时又复结　晶。结晶度的大小与烧结后的冷却速度、相　对分子量有关。冷却速度快，结晶度小，冷却　速度慢，结晶度高。在一定冷却速度下，相对　收稿日期：２００５—５一ｌＯ　分子量越大，结晶度越小；相对分子量越小，　结晶度越大。因此，要获得良好的ＰＴＦＥ制　品，必须严格控制烧结过程。　（３）ＰＴＦＥ是一种纤维状的粉末，易于结　块，应严加防范。　（４）ＰＴＦＥ导热系数小，传热差，烧结时　必须注意控制升温速度。当温度达到４００℃　以上时，发生显著分解，放出如全氟异丁烯、　四氟乙烯及令氟丙烯等有毒气体。因此，烧　结时必须采取有效的通风措施和相应的劳动　保护。　（５）ＰＴＦＥ受热膨胀和冷却收缩均比金　属和大多数塑料大。制品冷至一１８０　Ｃ时收　缩达２　，而从室温加热到２６０℃时，可膨胀　４　，这在加工时应特别注意。　

３　聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）的成型加　工方法　

ＰＴＦＥ可采用模压成型、挤压成型、液压　成型、推压成型及二次加工等多种成型工艺　而得制品。　３．１　模压成型　模压成型大多采用ＰＴＦＥ悬浮树脂，当　制造厚度小于１．５ｍｍ薄板时，则要用分散　树脂。因为分散树脂颗粒小（小于１微米），　流动性好；悬浮树脂颗粒大（几百微米），模压　时由于加料不均引起的密度差，会导致薄板　开裂。其工艺过程为：　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）制品的成型工艺及质量分析　树脂一过筛（悬浮树脂经捣碎、松动，并　经２０目筛孔过筛）一压机（装入模具内的　ＰＴＦＥ粉在２０～３５ＭＰａ压力下，经压机压实　成型）一烧结（在３７０　Ｃ～３８０℃温度下在烧　结炉中烧结）一模压成品（在模具内或自由状　态下冷却定型后成为所需要的板、棒、管、垫　圈及填料制品等）。模具材料为４５钢，热处　理淬火硬度为４Ｏ～５０ＨＲＣ。其典型模具结　构如图１、图２、图３、图４所示。　３．２　液压成型　液压法又称均衡法或橡皮成型法，是把　树脂均匀地加入橡皮袋与模壁之间，再向橡　皮袋中注入液体（常用水），产生压力的橡皮　袋向模壁扩展，压实树脂而成为预成型品的　种方法。其操作过程为：把橡皮袋置于外　模内一接上水泵，打入自来水使橡皮袋胀成　圆筒形一树脂均匀地加入袋与外模之间一闭　模一继续充水逐步增加水压，达１２～１３ＭＰａ　时保压３０分钟后放水一减压，拆模，烧结，冷　却即为外表光洁的预制品。　液压成型法设备简单，一台普遍水泵即　代替了高吨位的压机。操作方便，预制品受　压均匀，密度一致。可成型大型圆筒形制品　（如ｏ４２５×７６０大套筒）及板状制件（如１０００　×１０００）等。其典型模具结构如图５所示。　３．３　推压成型　推压又称糊状挤出成型，把２０～３０目过　筛的分散树脂与有机助剂（甲苯、石油醚、溶　剂油等，配比树脂重量为１／５）混合制成糊状　物，预压成厚壁圆筒状坯料，放进推压机料筒　内，加热，用柱塞推压成型。经干燥在３６０℃　３８０℃温度下烧结，冷却后得到强韧的推压　管、棒等制品。　推压制品只限于直径为Ｄ１６ｍｍ以下的　棒及壁厚在３ｍｍ以下的管子等。　３．４挤压成型　挤压成型可分螺杆挤压和柱塞挤压两　种，把粉碎过筛后的预烧结树脂加到料筒中，　通过螺杆的转动或柱塞的往复推动，把原料　边压实边输送到挤出机中，在３６０～４００　Ｃ温　度下，连续挤出、烧结、冷却而成各种管、棒制　品。　３．５　烧结　烧结是ＰＴＦＥ制品成型的关键。ＰＴＦＥ　烧结过程是一个相变过程。将形坯加热到树　脂熔点温度３２７。Ｃ以上，大分子结构中的晶　体部分全部转变为无定形结构，物体外观由　白色不透明体转变为胶状的弹性透明体。保　温一段时间，待这一过程充分完成后，再进行　冷却，故合理确定、控制烧结过程及其工艺条　件是确保制品质量的重要因素。　据资料介绍，选用热稳定性好的原材料　生产大型制件时，升温速度为３０～４０℃／ｈ，　直到３８０。Ｃ～３９０　Ｃ，烧结时间约５～１０ｈ，而　ｘ．－ｔ／Ｊ，型制件，采用８０℃～１２０℃／／ｂ时升温速　度，烧结时间可应适当缩短，烧结后需要冷　却。通常对小型制件的冷却速度可提高为　０℃～１５０℃／ｈ，对于大型制件冷却速度不　应超过２Ｏ℃～５０℃／ｈ，ＰＴＦＥ在３１５℃左右　结晶速度最大，在２１５℃以下则结晶速度极　小。下表为一些型坯具体尺寸条件下的烧结　工艺条件，以供参考。　

表１烧结工艺条件　

０５０×１５０　Ｏ１００×１１００　Ｏ５００×５００×１　￣４００×Ｏ８Ｏ×６００ｗ　Ｏ。２　１。７　０。５５　７５　９Ｏ　６Ｏ　１ＯＯ　２５　３６Ｏ　３６Ｏ　３６Ｏ　３６０　４　９　４　３０　０４ＯＯ×￣８０×１３ＯＯ０　】５Ｏ　２５　３６０　４０　３Ｏ～５Ｏ　３Ｏ～ｊＯ　３Ｏ　２５（３６０～３１５℃）　１８（３１５℃）　２５（３１。５～２５℃）　

同上　注：①预压成型压力１５ＭＰａ，保压时间３０ｍｉｎ。②预压成型压力１５ＭＰａ，保压时间４５ｍｉｎ。　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 塑料加工　图ｌ和图２分别为薄圆片和圆环的压锭　４　聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）冷压锭模　模结构。上、下凸模均无底板，靠下凸模从模　

设计特点及典型模具结构　套中将制件顶出。　

（１）聚四氟乙烯冷压锭模有移动式和固　定式两种结构。大型制件采用固定式结构，　固定在压机上，附有顶出装置。小型制件一　般采用移动式结构，用卸模架或起类似作用　的垫块借助压机压力卸模。批量大的小型制　件采用自动模压工艺时要用固定式结构，但　需要有更高的精度和硬度。　（２）压锭模结构一般为闭合式结构形式，　凹模无挤压边，阳模无溢料槽，凹模和阳模之　间采用基孔制制动配合，对悬浮树脂用Ｈ８／　ｆ８，对分散树脂用Ｈ８／ｆ９。所有滑动配合面　必须配合良好，防止漏料或造成制件密度不　均。　（３）型模上加料室的设计应便于树脂均　匀地铺平，且压缩比大，对于较厚件可采用接　长的加料室，此外，较深型腔可设防尘盖板。　（４）压锭时所需压力较大，压缩模一般不　设承压板或承压面，以便压力全部作用在物　料上，模具型腔在设计时也应有足够的厚度。　（５）小型移动式压缩模的凸模，常设计为　柱状、环状等简单结构，且一般不用带台肩或　固定板，以利脱件和制模。此外，压锭模一般　不需加热和冷却，故模具上不需配置电热元　件和冷却水孔道。　（６）模具材料多采用４５号钢，热处理淬　火硬度为４０～５０ＨＲＣ，为防止生锈应镀硬　铭，镀铬层０．０５～０．０８ｍｍ。表面粗糙度一　般为Ｒａ　０．２～０．８ｔａｍ。　聚四氟乙烯冷压锭模典型模具结构如图　１、２、３、４、５所示。　

：　·　ｒ　：：　．：：　图ｌ　

图２　图３为压制大面积矩形平板用压锭模，　为固定式。盖板与模套为配合关系，更换垫　板下面的一块板可调节制得不同厚度的制　件。压制后的坏料连同垫板一起被顶出。　

图３　图４为法兰盘压定模结构。脱模时应先　卸掉Ａ—Ａ以上部分的型腔和加料室，以免　制品在顶出时损伤。　

＾．．一　图４　Ａ　

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维普资讯 http://www.cqvip.com 聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）制品的成型工艺及质量分析　图５为液压成型大型圆筒形件制品压锭　模结构。因制件与模具接触的一面比制件与　橡皮袋接触的一面精度要高，若将橡皮袋置　于内模外则将得到内表面精度高的制件。　图５　５聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）冷压烧结　成型中制品的质量分析　聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ）树脂易结块，比容　大．压缩比大，颗粒具有纤维状结构．压制时　颗粒被压扁拉长，加热时已变形的颗粒有恢　复原有形状的趋势，这样易使制品产生翘曲，　以致产生裂纹和破裂。烧结时内部收缩会引　起形状和尺寸的变化，故制品精度较差，用定　型模对制品整形，可提高其精度。另外，聚四　氟乙烧制品还可以用冲、车、刨、铣、钻、螺纹　加工等方法加工成精度要求严格的零部件。　聚四氟乙烯冷压烧结成型制品容易出现　的缺陷有以下几种：　（１）裂纹　产生裂纹的原因很多。树脂热稳定性　差，模压压力过大或冲击加压压力不足，模压　时加料不均匀，加料量不足或分批加料，烧结　时形坯放置方法或位置不当，烧结时温度过　高或保温时间太长，升温速度过快，冷却太快　等都是产生裂纹的原因。防止的方法是：选　择稳定性好的树脂，采用适当的模压压力，且　施压过程要缓慢；烧结时，采取合理的烧结工　艺，如升温速度和冷却速度不要太快等。　（２）变形　变形是由于加料不均匀，树脂热稳定性　差，烧结后内部开裂，表面凹下，模压时施压　不均匀，保压时间太短，炉内温度不均匀，烧　结时放置位置不当，降温太快等原因造成的。　注意加料，施压要均匀，对高大制品要两　端施压，增长保压时间，冷却速度适当。　（３）气泡　原因是形坯中空气未排尽，树脂中含挥　发物过多，或烧结温度过高等，注意缓慢升　压，中途要排气，树脂要预热处理，适当降低　烧结温度。　（４）尺寸不合要求的原因主要是由于模　具结构尺寸与树脂收缩率配合不当，加料量　不当也会引起尺寸不正确。　（５）车削薄膜有水渍状斑纹，说明毛坯未　烧透，要提高烧结温度，适当延长保温时间。　

参考文献　１　刘先兰，张文玉．聚四氟乙烯的改性技术及其在　机械工程中的应用．表面技术．２００２（３）　２　成都科技大学主编．塑料成型工艺学．北京：中国　轻工业出版社．１９９３年８月　３　成都科技大学等主编．塑料成型模具．北京：中国　轻工业出版社，１９９８年５月