El politetrafluoroetileno (PTFE), también conocido como "teflón" y "rey plástico", se usa ampliamente en diversas industrias debido a su alta resistencia a la temperatura, resistencia a la corrosión, resistencia al solvente, alta aislamiento, inercia biológica y otras características. PTFE es un polímero sin ramas compuesto por solo dos elementos, C y F, en el que los átomos de flúor reemplazan los átomos de hidrógeno de polietileno.
1. Estructura y propiedades de PTFE
1. Características estructurales
El politetrafluoroetileno es un homopolímero de tetrafluoroetileno, que puede prepararse mediante métodos de polimerización como el método de suspensión, el método de dispersión y el método de emulsión.
El politetrafluoroetileno es un material súper fuerte y el único tipo de fluoroplástico que puede usarse como plásticos de ingeniería.
2. Propiedades principales
El peso molecular relativo de PTFE es muy grande, por lo que el peso molecular relativo no tiene ningún efecto obvio sobre la resistencia, pero la cristalinidad tiene un efecto significativo sobre la rigidez, la dureza, la alargamiento y la resistencia de los productos PTFE.
La densidad de PTFE es de aproximadamente 2.2 g/cm3, la superficie es suave y cerosa, y el ángulo de contacto con agua es de 114 grados -115. PTFE suele ser blanco lácteo y opaco, pero el producto apagado tiene un cierto grado de transparencia, casi sin absorción de agua, baja permeabilidad al vapor de agua y el nitrógeno, y disminuye con el aumento de la densidad.
La resistencia a la tracción, el alargamiento, el módulo elástico, la dureza, la permeabilidad al aire, la resistencia dieléctrica, etc. de PTFE están relacionadas con las condiciones de procesamiento como la presión de moldeo, la temperatura y el tiempo de sinterización, y la velocidad de enfriamiento, porque las condiciones de procesamiento afectan la porosidad y la cristalinidad del producto. La alta presión de moldeo, la sinterización en el molde y el enfriamiento bajo presión pueden reducir los vacíos en el producto, mejorando así su resistencia mecánica. PTFE tiene un módulo elástico bajo y es propenso a arrastrarse. Creep es la razón por la cual PTFE se puede usar para sellarse en juntas, cintas crudas, cintas elásticas, etc.
La dureza de PTFE es baja, pero se puede mejorar agregando rellenos.
El coeficiente de fricción de PTFE es el más pequeño entre todos los materiales sólidos y no cambia con la temperatura. Su coeficiente de fricción estática es más pequeño que el coeficiente de fricción dinámica. Por lo tanto, los cojinetes PTFE comienzan suavemente y tienen baja resistencia. Se pueden usar como cojinetes de alta velocidad de alta velocidad y no son silenciosos cuando giran a baja velocidad.
La conductividad térmica de PTFE es baja, lo que puede aumentarse adecuadamente al agregar rellenos de metal.
El punto de fusión de PTFE es de 327 grados, la temperatura de deformación de calor es 50-60} grado (ISO R75 un método) o 130-140 grado (B Método), la temperatura de funcionamiento es -200-260 grado, y no es inflable. PTFE tiene la mayor estabilidad térmica entre los termoplásticos, y hay poca degradación en 204-327 grado, por lo que no se requiere un estabilizador de calentamiento.
La masa molecular relativa de politetrafluoroetileno es relativamente grande, que varía de cientos de miles a más de 10 millones, generalmente millones (el grado de polimerización es del orden de 104, mientras que el polietileno es solo 103). La cristalinidad general es 90-95%, y la temperatura de fusión es 327-342 grado. Las unidades CF2 en la molécula de politetrafluoroetileno están dispuestas en forma de zigzag. Dado que el radio del átomo de flúor es ligeramente mayor que el del hidrógeno, las unidades CF2 adyacentes no pueden orientarse completamente en una orientación trans-cruz, pero forman una cadena retorcida espiral, y los átomos de flúor casi cubren la superficie de toda la cadena de polímero. Esta estructura molecular explica las diversas propiedades del politetrafluoroetileno.
2. Campos de aplicación de PTFE
PTFE tiene la mejor resistencia a la corrosión química, por lo que se usa más en materiales anticorrosión y tiene una amplia gama de aplicaciones; PTFE tiene excelentes propiedades eléctricas, por lo que se utiliza como material aislante en la industria electrónica y eléctrica; PTFE tiene un pequeño coeficiente de fricción y una buena resistencia al desgaste, por lo que se utiliza para hacer materiales resistentes al desgaste, piezas deslizantes y sellos en la industria de la maquinaria.
PTFE se usa ampliamente en puentes y edificios como soporte de carga. Además, de acuerdo con la permeabilidad selectiva de la película PTFE después del tratamiento, se puede usar como material de separación para pasar selectivamente a través de gas o líquido. Su membrana porosa se puede usar para la separación de gas-líquido, la separación de gases de gas y la separación líquida-líquido, y también se puede usar para filtrar líquidos corrosivos. Además, PTFE también se usa ampliamente en las industrias médicas, electrónicas y de construcción. Por ejemplo, las membranas PTFE pueden usarse como órganos humanos, incluidos vasos sanguíneos artificiales, válvulas cardíacas, etc.
1. Aplicación de PTFE en el campo 5G
El laminado revestido de cobre FR4 comúnmente utilizado en la industria de las comunicaciones utiliza resina epoxi como material de sustrato, pero su pérdida es grande y no es adecuada para comunicaciones de alta frecuencia.
Los requisitos para los laminados revestidos de cobre de alta frecuencia en el campo 5G son un factor de pérdida dieléctrica y de bajo constante dieléctrico bajo, y el campo 5G tiene sus propias características (aplicaciones de ondas de microondas y milímetro) y tiene mayores requisitos para laminados revestidos de cobre.
La resina de politetrafluoroetileno es actualmente el material de polímero con la constante dieléctrica más baja, y sus propiedades dieléctricas y pérdida dieléctrica pueden cumplir con los requisitos de las estaciones base de comunicación en el campo 5G. Por lo tanto, PTFE se usa gradualmente en comunicaciones de alta frecuencia, como la industria 5G, aeroespacial y militar, y los laminados revestidos de cobre hechos de ella se llaman laminados vestidos de cobre de alta frecuencia.
Además, PTFE también se usa a menudo en el campo 5G para hacer cables coaxiales semi flexibles, cables coaxiales de RF, tableros de antena de radar, etc.
2. Aplicación de PTFE en la industria de la energía de hidrógeno
En el campo de la energía de hidrógeno, el PTFE se usa principalmente para el sellado de electrolizadores alcalinos, así como para fortalecer las membranas de intercambio de protones en celdas de combustible PEM y electrólisis de agua.
En los electrolizadores alcalinos, las juntas de sellado son los componentes principales, que tienen funciones de sellado y aislamiento. La fuga es uno de los factores importantes que afectan la vida y la seguridad de los electrolizadores alcalinos. La resiliencia de compresión y la relajación de la fluencia de las juntas de sellado son indicadores importantes para medir el rendimiento de las juntas de sellado. Los materiales de sellado de tanques alcalinos domésticos han sufrido múltiples iteraciones y actualizaciones como hojas de goma de asbesto: "almohadillas de tela en una" juntas de diafragma-polytetrafluoroetileno (PTFE) de juntas de relleno de tipo. En la actualidad, las juntas de sellado de electrolizos de uso común en China son principalmente juntas de llenado de tipo PTFE. PTFE se llena y se modifica con rellenos de refuerzo como fibra de vidrio, alúmina y grafito, y luego se moldea y sinterizado para formar juntas de sellado.
En las celdas de combustible y la electrólisis de agua PEM, las membranas de intercambio de protones se están desarrollando hacia la delgadez, pero la vida de las membranas delgadas homogéneas de ácido perfluorosulfónico no puede cumplir con los requisitos de las celdas de combustible y la electrólisis de agua PEM. En la actualidad, las membranas de protones de celdas de combustible en el mercado a menudo son membranas de intercambio de protones compuestos, utilizando EPTFE como material compuesto y membrana de ácido perfluorosulfónico. La membrana expandida de politetrafluoroetileno (EPTFE) es una microestructura de malla tridimensional porosa con niveles de micrómetro o submicrómetro.
En la actualidad, el mercado global de EPTFE está controlado por algunos fabricantes como Gore, Nitto Denko y Donaldson en los Estados Unidos. El micropororio de Asia Pan Asia ha roto con éxito el monopolio en el extranjero al explorar y romper continuamente la tecnología de producción de EPTFE. Sin embargo, la película general de EPTFE nacional se centra en los mercados de gama media y baja, y no representa una gran proporción del mercado de alta gama.
3. Tecnología de modificación de PTFE
El politetrafluoroetileno (PTFE) tiene una buena resistencia al calor, aislamiento, propiedades de lubricantes, no inflamabilidad, antiadherente y otras propiedades excelentes debido a los fuertes enlaces de flúor-carbono contenidos en su composición. Al mismo tiempo, debido a su alta resistencia a la temperatura y propiedades químicas estables, tiene la capacidad de resistir la corrosión de "Aqua Regia", obteniendo así la reputación de "el rey de los plásticos". Se utiliza ampliamente en defensa, industria mecánica y materiales médicos, especialmente en el campo de la tribología. Por lo tanto, en el campo de los plásticos de ingeniería, PTFE se ha convertido en uno de los materiales favorecidos por los investigadores.
Sin embargo, debido a las deficiencias de PTFE, como la baja dureza, el fácil desgaste y la mala resistencia a la fluencia, está sujeto a ciertas restricciones en la aplicación y la producción reales. Por lo tanto, los investigadores se han comprometido a encontrar un método excelente para mejorar sus propiedades mecánicas sin cambiar las ventajas de la PTFE en sí, ampliando así su campo de aplicación. La modificación de PTFE es principalmente para combinar con otros materiales para compensar los defectos de PTFE, principalmente incluyendo modificación de la superficie, modificación de combinación y modificación de llenado. Entre ellos, la modificación de la mezcla y la modificación de llenado se utilizan principalmente en la preparación de materiales compuestos, mientras que la modificación química de la superficie está dirigida principalmente a problemas de unión.
1. Modificación de la superficie
PTFE tiene una actividad de superficie muy baja y un inadaptle sobresaliente, lo que reduce el grado de adhesión con otros materiales. La modificación de la superficie no solo puede mejorar su inercia y compatibilidad de la superficie con los rellenos, sino también mejorar la actividad superficial del material de la matriz. La modificación química actual de la superficie PTFE es principalmente tratamiento con plasma, tratamiento con radiación y tratamiento de solución química. Estos métodos son eliminar los iones de fluoruro de la superficie e injertar grupos funcionales altamente activos en la superficie para lograr el propósito de mejorar la actividad del material de la matriz.
La modificación del plasma bombardea la superficie de la muestra con plasma de alta energía, transfiere energía a las moléculas en la superficie de la muestra, hace que el grabado térmico, la reticulación, la degradación y las reacciones de oxidación de la muestra, y las reacciones de la muestra, y causen el enlace CF y el enlace CC en la superficie de la muestra se rompa, generan un gran número de radicales libres o introducen ciertas grupos polares, que optimizan el rendimiento de la superficie. La modificación de la superficie del material mediante el tratamiento con plasma a baja temperatura se puede dividir en grabado en la superficie de plasma, unión de plasma, deposición de vapor de plasma, deposición de líquido en plasma e injerto de superficie de plasma.
La radiación de alta energía puede desencadenar la polimerización del injerto y darle al polímero algunas propiedades únicas, como mejorar su hidrofilia, biocompatibilidad, conductividad, etc. La superficie de PTFE tratada con radiación puede injertarse directamente con monómeros hidrofílicos como el ácido acrílico, el acrillamida, el estireno y el estireno/masculino a la formación de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de una capa de forma de unión, que es más fácil de unir, es un enlace de un enlace, de unión, que es más fácil de hacer una capa de una capa de una capa de forma, es un enlace de un enlace, a la que está en unión. PTFE superficie rugosa y aumentando el área de unión. Las fuentes de radiación comúnmente utilizadas en el injerto de radiación incluyen rayos gamma como Cobalt -60, cesio -137 y Strontium -90, así como varios tipos de aceleradores como tubos de rayos X, aceleradores lineales y ciclotrones.
PTFE puede tratarse con productos químicos para mejorar su actividad superficial. Estos productos químicos incluyen solución de tetrahidrofurano de sodio-naftaleno, solución de amoníaco de sodio metálico, amalgama de metal alcalino, solución de hierro pentacarbonilo, etc. La solución de tratamiento de sodio-naftaleno se obtiene disolviendo o complejando cantidades iguales de sodio y naftaleno en eters activos como tetrofurano y etileno glycolexencolecolex. El sodio transfiere los electrones más externos a la órbita vacía de naftaleno para formar radicales libres de aniones, que luego forman pares de iones con sodio y liberan una gran cantidad de energía de resonancia; Luego, los aniones de naftaleno se transfieren a PTFE, destruyen el enlace CF y eliminan algunos átomos de flúor en la superficie, formando así una capa carbonizada y algunos grupos polares en la superficie de Pt-Fe. Hay grupos activos como hidroxilo, carbonilo y carboxilo en la superficie de la PTFE tratada, lo que mejora las propiedades de unión de la superficie PTFE.
2. Modificación de mezcla
El principio básico de la mezcla es el principio de disolución similar, por lo que el valor de solubilidad y la tensión superficial de los materiales combinados deben ser similares. Combinar PTFE con otros plásticos de ingeniería puede lograr el propósito de las ventajas complementarias al tiempo que integran las fortalezas de cada componente, ampliando así el campo de aplicación hasta cierto punto. En la modificación de la mezcla, PTFE se puede usar como material de matriz y un relleno para reforzar otros polímeros. Aquí presentamos principalmente éster de polifenileno (POB), polifenileno sulfuro (PPS) y poleetheretheretona (mirada).
POB tiene una excelente resistencia a la fluencia de compresión y alta dureza. La mezcla con PTFE puede compensar las deficiencias de PTFE y mejorar las propiedades mecánicas y tribológicas de PTFE.
A diferencia de POB, PPS tiene una excelente resistencia al desgaste, resistencia al solvente, resistencia al calor y una fácil fabricación. Se usa ampliamente en aeroespacial y otros campos. También se puede usar como matriz para recubrimientos súper hidrofóbicos. PTFE tiene las ventajas de la biodensidad potencial, la alta estabilidad térmica, la alta inercia química, la baja energía de la superficie y la buena capacidad de lubricación. Combinar PPS con PTFE es una opción ideal para mejorar las propiedades tribológicas de los recubrimientos hidrófobos.
PEEK y PTFE son materiales de matriz comunes en compuestos lubricantes sólidos. Cai Zhenjie et al. preparado compuestos de PTFE modificados y estudiaron las propiedades mecánicas y el mecanismo de desgaste. Cuando la fracción de masa de la micropowder PTFE es del 5%, el coeficiente de fricción se reduce de 0. 35 a aproximadamente 0. 3, y el desgaste del volumen se minimiza. Este material compuesto se puede usar no solo en el campo mecánico, sino también en el campo de la medicina.
La modificación de la mezcla es más simple y libre de contaminación que la modificación química de la superficie, pero generalmente solo se modifica con polímeros, lo que limita la adición de rellenos inorgánicos como metales, cerámicas y fibras, lo que resulta en un rendimiento limitado para mejorar la resistencia, la dureza y la conductividad térmica de los materiales compuestos. Además, la alta inercia de PTFE lo hace menos compatible con otros polímeros. La superficie debe tratarse antes de la modificación o algunos componentes específicos deben agregarse durante el proceso de modificación para mejorar la compatibilidad.
3. Modificación de llenado
El llenado de PTFE modificado es un método simple y efectivo. Agregar rellenos y aditivos puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas de PTFE, especialmente la tasa de fluencia y desgaste. Los rellenos de uso común incluyen fibra de vidrio, fibra de carbono, grafito, disulfuro de molibdeno, bronce, acero, etc.
El grafito es un buen lubricante sólido. Llenar el grafito en PTFE no solo puede reducir en gran medida el desgaste de los compuestos PTFE, sino también mejorar la conductividad térmica y la pobre fluencia de compresión de PTFE.
El disulfuro de molibdeno (MOS2) tiene un coeficiente de fricción más bajo que el grafito y es de naturaleza estable, por lo que se usa ampliamente. Sin embargo, el precio de MOS2 es muy alto. El rendimiento del disulfuro de tungsteno (WS2) no es muy diferente al de MOS2, pero WS2 tiene un mejor rendimiento de fricción seca. MOS2 y WS2 pueden mejorar la estabilidad de la fricción y la resistencia al desgaste de los materiales compuestos al tiempo que mejora las propiedades mecánicas. En comparación con PTFE puro, la estabilidad de fricción del llenado de WS2 se puede mejorar en aproximadamente un 33.3%. Si se usa el relleno compuesto, la resistencia al desgaste se puede mejorar en un 2,3% en comparación con el relleno único.
La fibra de carbono (CF) tiene alta resistencia específica, alta módulo, baja densidad, excelente resistencia al desgaste y propiedades de fluencia. La fibra de carbono es esencial para reducir la fluencia, aumentar la dureza, aumentar la flexibilidad y el módulo de compresión. El politetrafluoroetileno mezclado con compuestos de fibra de carbono tiene una alta conductividad térmica y un bajo coeficiente de expansión térmica. La fibra de carbono está inerte a fuertes álcali y ácido hidrofluorico (la fibra de vidrio puede tolerar estos dos ácidos). Estas piezas son muy adecuadas para fabricar piezas automotrices, como amortiguadores.
GF siempre ha sido favorecido en la producción de materiales de fricción industrial debido a su alta resistencia, alta módulo y un precio relativamente bajo, y se usa más ampliamente que la CF en el campo del llenado y modificación de polímeros.
El bigote de titanato de potasio (PTW) tiene propiedades mecánicas mucho mejores que las GF, CF, etc. de uso común debido a su estructura cristalina única altamente ordenada. La adición de PTW puede mejorar en gran medida la resistencia y la resistencia al desgaste del material compuesto, al tiempo que mejora la rigidez y la dureza del material compuesto, tanto fortaleciendo como endurecimiento, cambiando el fenómeno previo de mejorar una propiedad mientras sacrifica otra al modificar la GF y la CF, y tiene propiedades químicas estables, buena intenación térmica y resistencia al desgaste. Aunque el efecto de llenado y modificación de PTW es mejor que GF y CF, la compatibilidad entre PTW y el material de la matriz debe mejorarse aún más.
PTFE lleno de bronce, este compuesto tiene una excelente conductividad térmica y conductividad eléctrica, por lo que es muy adecuada para aplicaciones con cargas y temperaturas extremas.
IV. Resumen de PTFE
PTFE tiene excelentes propiedades integrales y es la variedad más utilizada entre los fluoroplásticos, que juega un papel cada vez más importante. Con el avance de la ciencia y la tecnología, puro PTFE ya no puede satisfacer la demanda del mercado, por lo que se ha convertido en una tendencia inevitable para modificar PTFE, principalmente modificación de la superficie, modificación de combinación y modificación de llenado. En la actualidad, China se ha convertido en un importante productor de PTFE, y básicamente ha dominado los métodos de moldeo y procesamiento de PTFE modificado. Sin embargo, en comparación con los países extranjeros, todavía hay una gran brecha en la tecnología y la calidad del producto. Por lo tanto, la investigación, el procesamiento y la aplicación de PTFE modificado y el comportamiento tribológico y el mecanismo en diferentes condiciones de trabajo deben estudiarse más a fondo.
