本文实验旨在研制开发一种耐腐蚀性、耐蠕变性、柔韧性等综合性能相对较好的改性聚四氟乙烯垫片密封材料，并力求保持聚四氟乙烯PTFE自身的优良性能。
1、试样制备及方案
实验所用的试样为自制的四种不同配方的聚四氟乙烯PTFE板材，如表1所示。本试验选用三种粉状填料即玻璃微珠、二氧化硅和硫酸钡。国外大量成功经验表明，此三种填料可以较好地提高PTFE的抗蠕变性能，且可以提高垫片材料的综合性能。图1为试样尺寸和形状示意图，表2列出了所用到的实验仪器和设备。
表1 所选4种聚四氟乙烯板材配方及尺寸
| 编号 |
组成 |
填料用量% |
颜色 |
厚度mm |
| 1 |
PTFE |
- |
白 |
2.0 |
| 2 |
PTFE+玻璃微珠 |
20 |
蓝 |
4.2 |
| 3 |
PTFE+硅藻土 |
17 |
白 |
2.5 |
| 4 |
PTFE+硫酸钡 |
30 |
淡黄 |
2.2 |
选用何种填料改性PTFE密封材料是根据研制目的确定的，不同的使用温度、压力范围、介质腐蚀性等工况均是选用填料过程中必须考虑的因素。玻璃纤维、碳纤维、二硫化钼耐酸碱性能较好，填充制得的PTFE材料的抗蠕变性能得到了明显的提高，但制品硬度过高、可压缩性不好，以致和法兰表面不能紧密接触，已引起界面泄漏。石墨和炭黑填料填充PTFE材料则较为柔软，易填满密封界面上的裂纹、空洞和沟槽，减小了界面泄漏，密封效果好，缺点是制品为黑色。玻璃微珠可赋予PTFE密封材料良好的可压缩性、较好的表现效果，但抗蠕变性能提高不明显。石英和硫酸钡大大降低了PTFE材料的蠕变松弛率，但材料硬度高，韧性差。这就为进一步改性的方向提出了不同的要求。
本试验有两个目的。首先进行拉伸温度、拉伸比、拉伸速率、热定型时间和温度等工艺参数的研究，确定工艺参数对材料性能的影响趋势。工艺参数对材料性能的影响趋势确定以后，就确定了正交试验的因素和水平。然后根据确定的因素和水平进行正交试验，获得最佳工艺方案。因此，根据正交试验设计的要求，按照表3和表4初步确定的因素和水平及试验方案进行单一工艺参数优化和较佳工艺方案研究。
表2 试验设备和仪器
| 编号 |
名称 |
型号 |
生产厂家 |
| 1 |
高速混合机 |
GH-100Y |
北京塑料机械厂 |
| 2 |
高温电磁炉 |
XS2-8-13 |
上海意丰电炉有限公司 |
| 3 |
电子万能材料试验机 |
CSS-44100 |
长春试验机研究所 |
| 4 |
压缩回弹试验装置 |
CRI-4 |
自制 |
| 5 |
真空干燥箱 |
ZK-82A |
上海试验仪器总厂 |
| 6 |
模压模具 |
12X12cm |
自制 |
| 7 |
夹具（用于热定型） |
|
自制 |
| 8 |
蠕变试验装置 |
|
自制 |
| 9 |
扫描电子显微镜（SEM） |
S570 |
日本日立公司 |
表3 正交试验中的因素和水平
| 水平/因素 |
A
拉伸温度
℃ |
B
拉伸比
|
C
拉伸速率
mm/min |
D
热定型温度
℃ |
E
热定型时间
min |
| 1 |
250 |
2 |
10 |
330 |
1 |
| 2 |
260 |
3 |
50 |
340 |
3 |
| 3 |
270 |
4 |
100 |
350 |
5 |
| 4 |
280 |
5 |
300 |
360 |
10 |
表4 试验方案表
| 试验编号/因素 |
A
拉伸温度 |
B
拉伸比 |
C
拉伸速率 |
D
热定型温度 |
E
热定型时间 |
| 1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
| 2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
| 3 |
1 |
3 |
3 |
3 |
3 |
| 4 |
1 |
4 |
4 |
4 |
4 |
| 5 |
2 |
1 |
2 |
3 |
4 |
| 6 |
2 |
2 |
1 |
4 |
3 |
| 7 |
2 |
3 |
4 |
1 |
2 |
| 8 |
2 |
4 |
3 |
2 |
1 |
| 9 |
3 |
1 |
3 |
4 |
2 |
| 10 |
3 |
2 |
4 |
3 |
1 |
| 11 |
3 |
3 |
1 |
2 |
4 |
| 12 |
3 |
4 |
2 |
1 |
3 |
| 13 |
4 |
1 |
4 |
2 |
3 |
| 14 |
4 |
2 |
3 |
1 |
4 |
| 15 |
4 |
3 |
2 |
4 |
1 |
| 16 |
4 |
4 |
1 |
3 |
2 |
2、工艺路线
PTFE树脂的熔融粘度极大，在380℃时熔融粘度仍高达1010Pa.s，比普通热塑性材料10²~10³Pa.s的熔融粘度高几个数量级，在熔融状态仍保持着原来的形状。另外，聚合物对于在无定形状态下的剪切很敏感，容易产生熔体破裂。因此，聚四氟乙烯垫片密封材料不能采用常规的热塑性塑料成型工艺，只能采用类似粉末冶金的方法成型。本文采用拉伸工艺进行改性聚四氟乙烯垫片密封材料的制备。
改性聚四氟乙烯垫片密封材料的制备工艺流程如下图2所示。
具体制备过程如下：
(1)预处理
①树脂预处理
市面上销售的悬浮聚四氟乙烯树脂在运输和储存过程中产生大量热量，使得其易结团，使用前须将其在22~25℃左右的空调环境下放置24销售，然后过100目筛。
②填料预处理
利用偶联对填料进行表面改性的原理见图3.
将填料加入偶联剂处理液中，利用电机带动螺旋桨对混合溶液进行高速搅拌，实现颗粒与处理液的充分混合，混合过程中采取水浴加热，保持处理过程中的温度在80℃~90℃之间，处理时间30min，然后，将其在80℃~90℃之间进行干燥处理。
(2)混料
采用干法混合。将处理和的PTFE悬浮树脂、填料以及其它助剂按比例和密度由小至大的顺序倒入三维运动混合机内混料5-10分钟后取出。取出后放进烘箱内至恒重，然后过100目筛。
(3)模压
将混合好的料称量后装入自制的模具内，置于万能材料试验机上冷呀成型，经过缓慢升压、保压、缓慢降压过程，制得不同厚度的板材。脱模，取出制品静置1h~2h，释放压力。
(4)烧结
将模压成型的试样放入烧结炉内，在一定升温速度、保温时间、降温速度下自由烧结，从而达到足够的初始强度，为拉伸取向创造条件。不同的填充PTFE材料烧结工艺参数不同。
(5)拉伸
将烧结成型的试样切成哑铃形拉伸试样，尺寸和形状如图1所示，在常温下或在烘箱中加热到一定温度时，置于微机控制电子万能材料试验机上拉伸成型，拉伸速度恒定，达到预定的拉伸比时停止拉伸。不同的填充PTFE材料拉伸工艺参数不同。
(6)热处理
拉伸完成后，将拉伸成型的试样在自制的夹具中夹紧、固定，施加一定的应力，然后放入烧结炉内继续缓慢加热，在一定的升温速度、保温时间、降温速度下热定型;随后让PTFE制品随炉冷却或将PTFE制品从烧结炉中取出，以不同的冷却速度进行空冷或水冷至室温，卸下试样，得到制品。
3、性能测试
根据ASTM和DIN标准进行垫片性能测试，主要测试项目包括拉伸强度、断裂伸长率、压缩回弹性能、蠕变松弛性能、耐介质性能、密封性能等。具体测试标准为：
(1)拉伸强度和断裂伸长率按ASTM D1708测试方法进行。
(2)压缩回弹性能按ASTM F36-95测试方法进行。
(3)蠕变松弛性能按ASTM F38-95B测试方法进行。
(4)耐介质性能按ASTM F146测试方法进行。
(5)密封性能按DIN3754测试方法进行。
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