聚四氟乙烯具有優良的耐腐蝕性、耐高低溫性、耐老化性, 以及極低的摩擦因數、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壓制再高溫燒結成型, 燒結是指把聚四氟乙烯預成型品加熱到晶體熔點327℃以上, 使聚合物分子由結晶形態逐漸轉變為無定型態, 分散的單個樹脂顆粒通過互相擴散熔融黏結成一個連續的整體, 再經冷卻聚合物分子由無定型逐漸轉變為結晶形態。本文作者從聚四氟乙烯復合材料的燒結過程, 研究了坯料內外部位的升溫變化, 以及升、降溫速度, 晶型轉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, 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箱內, 另取一個溫控儀的探頭置于燒結箱內靠近棒料側面, 按圖2所示的燒結程序進行燒結。

圖2　預設試樣燒結曲線

1.2.2、試驗二

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

2、結果與討論

　　從試驗一測得的該填充聚四氟乙烯試樣在燒結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棒料燒結過程中外部和坯料中心的燒結曲線

　　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。

　　根據壁厚不同, 燒結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時升溫到335～340℃應保溫一段時間, 以消除內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計保溫時間隨壁厚的關系為4min/mm。