聚四氟乙烯(PTFE)的后處理工藝包括拉伸工藝和熱處理工藝,下面具體介紹兩種工藝的特點(diǎn)。
一、拉伸工藝
復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)從根本上保證了制品的性能,采用的拉伸工藝是對(duì)現(xiàn)有的PTFE成型加工工藝的改進(jìn),它能從根本上改變PTFE的晶體結(jié)構(gòu)和形貌結(jié)構(gòu)。因此,制備改性聚四氟乙烯墊片密封材料時(shí),拉伸工藝參數(shù)的正確選用十分重要。選用拉伸工藝參數(shù)時(shí),必須綜合考慮拉伸速率、拉伸比、拉伸溫度等因素對(duì)制品性能的影響。
拉伸工藝分單向拉伸和雙向拉伸。
1、單向拉伸
在實(shí)際應(yīng)用中,單向拉伸會(huì)使聚四氟乙烯在拉伸方向的性能有所提高,但性能改善的程度依然有限。但是,單向拉伸工藝簡(jiǎn)單,可以在試驗(yàn)中采用。
在進(jìn)行單項(xiàng)拉伸時(shí),聚四氟乙烯節(jié)點(diǎn)開(kāi)始延伸,微細(xì)纖維與拉伸方向平行。在高溫及高速條件下進(jìn)行拉伸所得的聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)中可以得到具有均勻空間結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)與大量聚四氟乙烯纖維相連構(gòu)成一種高質(zhì)量的網(wǎng)狀物,而且在高溫高速下拉伸可以增加制品的強(qiáng)度。
2、雙向拉伸
雙向拉伸包括從縱向拉伸和橫向拉伸,在一定的溫度和設(shè)定的速度下,同時(shí)或分步在垂直的兩個(gè)方向(縱向、橫向)上進(jìn)行的拉伸,之后還要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?,通過(guò)雙向拉伸的PTFE,在垂直的兩個(gè)方向上性能提高較大,綜合性能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需要。雙向拉伸的方法有許多種類(lèi),實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)產(chǎn)品的性能要求、生產(chǎn)的規(guī)模及生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備特點(diǎn)來(lái)確定。通過(guò)改變工藝條件,及立場(chǎng)和溫度場(chǎng),可以獲得縱橫兩個(gè)方向的物理機(jī)械性能相同(各向同性)的板材,也可以制出一個(gè)方向的機(jī)械性能高于另一個(gè)方向的各向異性板材。這是由于在雙向拉伸中,縱向與橫向哪一個(gè)方向用的力大,那么在那個(gè)方向上纖維就較長(zhǎng),數(shù)目也較多。增加拉伸比可以增加纖維的長(zhǎng)度。節(jié)點(diǎn)的大小和形狀與拉伸比有關(guān),單向拉伸的制品節(jié)點(diǎn)形狀呈細(xì)長(zhǎng)的扁球體,雙向拉伸的制品節(jié)點(diǎn)接近球形。纖維長(zhǎng)短、粗細(xì)與拉伸、熱定型條件有關(guān),而纖維的性質(zhì)又影響著制品的機(jī)械性能,總之,通過(guò)控制拉伸方向、拉伸比、拉伸速率等因素,可以控制聚四氟乙烯墊片制品的結(jié)構(gòu),進(jìn)而控制其機(jī)械性能。
在雙向拉伸聚四氟乙烯板材的過(guò)程中,由于聚合物在縱、橫兩個(gè)方向經(jīng)歷了一定的拉伸,改變了分子和鏈段的排列,因此,拉伸板材的主要性能比非拉伸板材有明顯的變化。機(jī)械性能、抗蠕變性能、回彈性能和柔韌性都有明顯增加。
3、常溫拉伸和高溫拉伸
板材的拉伸,可以從室溫到接近聚四氟乙烯熔點(diǎn)(327℃)的范圍內(nèi)進(jìn)行。一般地說(shuō),溫度較低時(shí),拉伸比及拉伸速率均受一定限制,這是由高分子的力學(xué)性能所決定的。溫度高時(shí),高分子鏈易于變形,拉伸比及速率均可相應(yīng)提高。高溫拉伸一般在250~300℃之間進(jìn)行。
4、拉伸比和拉伸速率
拉伸比的大小是影響性能的重要因素之一。拉伸比用拉伸后試樣長(zhǎng)度與拉前試樣長(zhǎng)度之比來(lái)表示。隨拉伸比的增加,制品的拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和柔軟性增加,表觀密度下降,所以提高拉伸比對(duì)制品的性能有益。但拉伸比過(guò)大,制品易斷、成型困難。拉伸比主要受樹(shù)脂種類(lèi)、干燥溫度、制品截面積等方面的影響。通常拉伸比應(yīng)在2~7之間選擇。
拉伸速率一般不唱歌1m/min,如要求有較高的抗拉強(qiáng)度時(shí),就要增加拉伸速度。
二、熱處理工藝
選擇適宜的熱處理方法和條件是改進(jìn)聚四氟乙烯板材性能的主要途徑。試樣拉伸后都要經(jīng)過(guò)熱處理,其目的是加速聚合物的二次結(jié)晶或結(jié)晶過(guò)程,使分子鏈取向轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶取向,消除內(nèi)應(yīng)力,提高結(jié)晶度,使晶體結(jié)構(gòu)趨于完善,使尺寸穩(wěn)定化等。但是,在高溫處理時(shí),溫度越高,材料的機(jī)械性能下降越明顯。因此,必須根據(jù)試樣的性能要求來(lái)選擇合適的熱處理?xiàng)l件。
1、熱定型
板材拉伸后必須采用熱定型處理。高分子拉伸后,受熱會(huì)引起分子鏈回復(fù)拉伸前狀況,宏觀即引起板材的翹曲。所以熱定型時(shí),在材料拉伸方向上要保持一定拉力,以免影響材料的性能和外觀。如完全無(wú)拉力下加熱,會(huì)使板材發(fā)生嚴(yán)重的變形。本研究采用夾具夾緊,以保持拉力,使板材在加熱時(shí),在拉伸方向上保持一定拉力。
當(dāng)被拉伸的預(yù)成型加熱到熔點(diǎn)以上時(shí),結(jié)晶相漸漸轉(zhuǎn)變成無(wú)定型相,結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的無(wú)定型部分沿著結(jié)晶軸做較大的滑動(dòng),由于纖維和節(jié)點(diǎn)的阻礙,在應(yīng)力下阻止了這種滑動(dòng)。因此,熱定型過(guò)程可看作是無(wú)定型部分的固定過(guò)程。聚四氟乙烯的微觀結(jié)構(gòu)在無(wú)定型相固定階段沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)的變化,但是,如果無(wú)定型部分長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)高的溫度下,微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化,節(jié)點(diǎn)增加,纖維破壞,導(dǎo)致制品強(qiáng)度降低。熱處理溫度高于390℃時(shí),一分鐘內(nèi)就可能引起分解、失強(qiáng)。
2、冷卻
冷卻過(guò)程是一個(gè)由無(wú)定型相轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相的過(guò)程,是大分子鏈段重新排入晶格并由無(wú)序變?yōu)橛行虻乃沙谶^(guò)程。冷卻速度決定著制品的結(jié)晶度,影響到制品的各種物理機(jī)械性能。聚四氟乙烯的更大結(jié)晶度出現(xiàn)在比熔點(diǎn)低10~20℃的溫度下,即是在310~315℃的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。冷卻方法包括兩種:緩慢冷卻(不淬火);快速冷卻(淬火)。
緩慢冷去即在空氣中按合適的速度直接冷卻,所得制品的結(jié)晶度較大,收縮率較大,制品收縮率較大。
快速冷卻即把拉伸后的試樣置于水中或空氣中以更快的速度通過(guò)結(jié)晶速度更大的溫度區(qū)域進(jìn)行冷卻,使制品內(nèi)保存有大量非晶區(qū),這種方法所獲得的制品結(jié)晶度低、韌性好、硬度低、拉伸強(qiáng)度大、制品收縮率較小,但容易出現(xiàn)裂紋,造成廢品,此外,由于聚四氟乙烯的導(dǎo)熱性查,在淬火過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力而使制品撓曲或變形,但如果在快速冷卻時(shí)加壓冷卻,即把拉伸后的試樣壓入冷模腔,在1/3的預(yù)成型壓力下冷卻,所得制品將不會(huì)出現(xiàn)快速冷去給制品造成的缺陷且質(zhì)量接近緩慢冷卻所得到的制品。