为了克服聚四氟乙烯 (PTFE)抗蠕变性差、易冷流、回弹性差、承载能力低、线膨胀系数大、在高温260℃下易软化等这些缺点，开发具有广泛适用性的新型 PTFE 密封材料，国内外研究者一般采用填料填充的方法对PTFE进行改性。本文以碳纤粉、短玻纤为主要增强纤维，采用冷压成型和自由烧结工艺制备改性聚四氟乙烯密封复合材料，分析了增强纤维含量以及不同纤维表面处理工艺对材料抗拉强度和压缩回弹、应力松弛等密封性能的影响。

　　一、试验制备和方法

　　(一) 制备工艺图和工艺流程

　　试验材料如表1所示：

　　制备工艺图如图1所示：

　　首先，碳纤、玻纤填充改性PTFE的制备工艺流程如图1所示 。主要工艺过程为:

　　1.混合拌料：将改性后 的碳纤粉、短玻纤加入高速搅拌机，再加入PTFE ，搅拌10~15min ，搅拌后的混合物料过60目筛。

　　2.模压成型：将适量混合料置于密封垫片模 具中，在液压机上以20MPa的压力保压10min成型，升压过程中放气 2次，得到厚度为 2～3 mm的改性聚四氟乙烯垫片坯料 。

　　3.高温烧结：将坯料置于 PTFE 材料专用烧结炉中，以100℃/h的速度升温至330℃，保温1.5h，再以37℃/h的速率缓慢加热到385℃保温3h，然后以35℃/h的速率从385℃降温至315℃，保温1.5h，最后以55℃/h的速率从 315℃降温到260℃后随炉冷却。

　　4.表面处理工艺：相对于碳纤粉,短玻纤的表面处理工艺较为成熟和简单，因此主要研究碳纤粉的不同处理工艺对材料性能的影响。表2所示为碳纤粉的各种表面处理方法。

　　根据上述几种工艺,可得到表3所示 3种碳纤粉的表面处理组合工艺。

　　对玻璃短纤维可选择在高速搅拌器中采用质量分数1%的KH550或1%的KH560硅烷偶联剂乙醇溶液进行表面浸渍处理。

　　(二)材料测试设备和方法

　　密封材料的主要性能指标为抗拉强度、压缩回弹率和蠕变松弛率，其中后两者反应了材料的密封性能。拉伸强度按照ASTMD638-03标准在明珠公司的MZ-2000型电子万能试验机上进行测试，压缩回弹性能按照ASTMF3609 标准在英国英斯特朗公司制造的电子万能试验机Instron3367上进行测试;蠕变松弛率按照GB/T12621-1990 标准阳 B种试验方法在专用的垫片材料蠕变松弛试验台上进行测试。

　　二、试验结果与讨论

　　(一)纤维表面处理工艺对材料性能的影响

　　抗拉强度是密封材料的重要指标之一，反应密封材料耐介质压力能力和抗拉时效损伤的能力，也可在一定程度上表征填料和机体结合程度的好坏。压缩回弹性能反映了密封材料发生弹性或塑性变形，填补密封表面缺陷，并进行弹性补偿维持密封的能力，密封材料的压缩率必须维持在一合适的范围内，而回弹率越高，补偿能力越强。蠕变松弛率反应了材料在温度、压力共同作用下一定时间内的塑性、黏弹塑性变形量，密封垫片材料的蠕变是导致螺栓法兰系统产生泄漏的主要原因。

　　表4为纯PTFE密封材料的性能测试结果。

　　表5和表6为不同表面处理工艺 下碳纤粉改性PTFE密封材料的性能测试结果。表中试样均为碳纤粉粉质量分数为 I 5 % 的改性聚四氟乙烯垫片材料。

　　表5 不同表面处理工艺下碳纤粉改性PTFE密封材料的性能

　　表6 表面处理组合工艺下碳纤粉改性PTFE密封材料的性能

　　比较表 5 、表 6和表4结果可知，虽然碳纤粉填充后对材料强度方面没有起到有利的作用，填充后PTFE材料的抗拉强度要低于纯 PTFE 材料，但碳纤粉的填充改性对于提高材料的密封性能还是具有显著效果的，尤其是在耐高温性能方面，对导致螺栓法兰系统产生泄漏主要原因的蠕变松弛性能提高更显著，碳纤粉填充PTFE材料20 0℃时的蠕变松弛率要远小于纯PTFE材料。碳纤粉的填充并未起到很好的纤维增强效果而更接近于颗粒填料填充所起到的作用，其原因在于本研究中受限于所制备垫片材料的厚度以及混料工艺，无法使用长径比超过100以上的短碳纤粉，而碳纤粉颗粒的长径比较小(10-20)，低于临界长径比值，故对 PTFE 基体材料强度的改善效果有限。

　　不同的碳纤粉表面处理工艺对 PTFE 材料性能的改善效果较为接近，单一表面处理方法用等离子处理3s和400℃空气氧化1.5h处理效果较好，但是提高的幅度不大;表面处理组合工艺中，采用400℃空气氧化法加表面涂层方法较好，优于单一表面处理方法 。

　　采用等离子对碳纤粉进行表面处理时，填充后PTFE材料的抗拉强度随处理时间的增长呈明显的递减趋势。当处理时间为20s时，材料的抗拉强度甚至低于未经处理情况，这与等离子处理时间过长所导致的碳纤维表面严重刻蚀破坏有关。2种偶联剂处理后的碳纤粉填充 F E材料的抗拉强度均低于未经处理的情况，其原因应在于偶联剂的使用温度一般低于300℃，当材料经过370℃的高温烧结后，偶联剂发生分解从而失去作用。在表面处理组合工艺时，不是各种表面处理方法越多越好，如表 3中第三种工艺下材料的抗拉强度反而低于第一种工艺。

　　采用同样的工艺制备偶联剂表面处理后短玻纤增强PTFE密封材料，并测试其抗拉强度，结果表明，KH550偶联剂处理后的玻纤增强 PTFE 材料的抗拉强度是13.15MPa，明显高于采用KH560偶联剂处理后的抗拉强度13.08MPa，KH550偶联剂的处理效果优于KH560。

　　(二)增强纤维含量对材料密封性能的影响

　　在上述研究的基础上，对碳纤粉采用表3所示第一种组合工艺进行表面处理，对短玻纤采用KH550进行表面偶联剂处理，制备不同增强纤维含量的 PTFE 密封复合材料，并以其在高温下的应力松弛率为主要指标，分析纤维含量对材料性能的影响。在 PTFE 机体中填充耐热性、尺寸稳定性较好的碳纤粉、短玻纤可促进其内部纤维状网格结构的形成，减少载荷作用下晶格的滑移 ，降低材料的蠕变松弛率，提高材料的长期工作温度和工作载荷。图2 ，3为初载荷40Mpa，200℃试验温度下，不同纤维填充量改性 PTFE 密封材料的应力松弛曲线。可见两种纤维填充PTFE材料的蠕变松弛主要发生在前200min内，而在1000min后变化缓慢，基本趋于稳定。2种纤维填充PTFE材料的应力松弛率随纤维填充量的增加均呈明显 的递减趋势，当碳纤粉(CF)质量分数为 25%、30%和短玻纤( GF)质量分数为3 0 %时，材料的应力松弛率小于35%，与纯PTFE材料69.7%的应力松弛率相比，其抗蠕变松弛性能得到较大改善，能够满足密封材料的应力松弛率指标要求。

　　当然，增强纤维对 PTFE 材料蠕变性能的改善作还能够通过材料压缩回弹性能试验过程中所测得的冷流率得到体现。如图4所示为碳纤粉质量分数为20%的PTFE材料常温下的压缩回弹曲线，图中加入了纯 PTFE 的压缩回弹曲线进行比较。其中，AB段为压缩阶段; B C段为60S 保压阶段，该阶段内材料在恒定载荷下产生一定的蠕变量 ( 冷流量)，C D段为回弹阶段。

　　可见，碳纤增强 PTFE 密封材料的压缩率明显小于纯 PTFE ，但回弹率显著提高;从保压60s的BC段和C段长度的比较看，纤维增强PTFE材料的蠕变量极小，反应出纤维的填充对提高 P T F E材料的耐蠕变性能，减小冷流率具有明显的作用。不同含量碳纤粉、短玻纤填充改性PTFE材料的性能测试结果如表 7所示。

　　表7 不同含碳碳纤粉、短玻纤改性PTFE密封材料的密封性能

　　可见 ，与纯 PTFE 材料相比，纤维的填充对材料密封性能有明显的改善作用。随填充量的提高，碳纤粉、短玻纤增强 PTFE 材料的抗拉强度，回弹率呈先上升后下降的趋势，在质量分数为20%时达到最大压缩率、冷流率呈先下降后上升的趋势，并在质量分数为20%时取得最小值。同时，表7表明，同等含量情况下碳纤粉对PTFE的填充改性效果好于短玻纤。尤其在提高材料高温应力松弛率方面，碳纤的改性效果较为明显，同时碳纤粉还具有低密度、高导热性等优点，因此与短玻纤相比，更适合于耐高温 PTFE 密封复合材料的制备。

　　三、结论

　　1.纤维的填充能够有效改善 PTFE 材料的耐温性能，并使其蠕变松弛性能得到了较大的提高。

　　2.虽然增强纤维的表面处理工艺对 PTFE 复合材料各项性能的影响不甚明显，但研究表明，对碳纤粉采用 400℃空气氧化后表面涂层的表面处理工艺，对短玻纤采用KH550偶联剂浸渍处理工艺，能够获得相对较好的处理效果。

　　3.增强纤维含量对 PTFE 密封材料的密封性能具有较为明显的影响，随含量的提高，材料的压缩、回弹性能、蠕变松弛性能以及耐温能力均有显著的提高，碳纤粉质量分数为25%和30%或者短玻纤质量分数为30%的纤维增强PTFE材料能够在200℃高温下长期使用。

　　4.同等含量下碳纤粉对PTFE的填充改性效果好于短玻纤，同时碳纤粉还具有低密度、高导热性等优点，因此与短玻纤相比，更适合于耐高温PTFE密封复合材料的制备。

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