聚四氟乙烯復合材料燒結過(guò)程溫度控制研究

　　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、自潤滑等性能 ,在化工、機械等很多領(lǐng)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(lèi)似粉末冶金的成型方法, 即把聚四氟乙烯粉末經(jīng)壓制再高溫燒結成型, 燒結是指把聚四氟乙烯預成型品加熱到晶體熔點(diǎn)327℃以上, 使聚合物分子由結晶形態(tài)逐漸轉變?yōu)闊o(wú)定型態(tài), 分散的單個(gè)樹(shù)脂顆粒通過(guò)互相擴散熔融黏結成一個(gè)連續的整體, 再經(jīng)冷卻聚合物分子由無(wú)定型逐漸轉變?yōu)榻Y晶形態(tài)。本文作者從聚四氟乙烯復合材料的燒結過(guò)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(diǎn)附近的保溫等要素控制, 來(lái)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(jiàn)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(gè)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(gè)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(jìn)行燒結。

圖2　預設試樣燒結曲線(xiàn)

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(gè)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(guò)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(guò)程中外部和坯料中心的燒結曲線(xiàn)

　　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(xiàn)可以看出,試件在330℃以前、50℃/h升溫速度下, 由于熱傳導過(guò)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(huì )隨之加大, 聚四氟乙烯材料熱膨脹系數大, 溫差過(guò)大會(huì )造成各部位膨脹不一致, 增加坯料開(kāi)裂的風(fēng)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(shí)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(shí)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(shí)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(guò)高(390℃以上) 又會(huì )加速聚四氟乙烯的分解, 造成性能下降, 因此實(shí)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(guò)程明顯出現了兩個(gè)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(diǎn)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(shí)升溫到335～340℃應保溫一段時(shí)間, 以消除內外溫差過(guò)高引起制品開(kāi)裂, 從直徑40mm ×70mm棒料中心的升溫過(guò)程統計保溫時(shí)間隨壁厚的關(guān)系為4min/mm。