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新型填充改性聚四氟乙烯密封板材性能研究
添加:2017-6-29 16:35:09    游览:1113    来源:网络

  摘要:采用冷压成型和自由烧结工艺研制开发出了一种新型填充改性聚四氟乙烯密封板材,性能检测结果表明,该板材具有优良的密封性能。通过分析测试,深入研究了玻璃微珠对PTFE密封板材性能的影响。结果表明:玻璃微珠对改性PTFE密封板材的性能有较大影响,当玻璃微珠质量含量在30%左右且粒度较细时,PTFE密封板材综合性能较佳。

  关键词:聚四氟乙烯塑料;玻璃微珠;密封材料;性能

  聚四氟乙烯(PTFE)具有耐高低温、耐化学腐蚀性、对介质呈惰性、无溶解性、耐老化、现场使用方便、不沾性等优异性能,是一种较好的密封材料,被广泛应用于石油、化工、航空航天、机械和医药等领域。但其线膨胀系数大、耐蠕变性能差、承载能力低、导热性差以及硬度低等缺陷严重限制了它的应用范围,因此,国内外研究人员投入大量精力进行了PTFE性能的改进工作。目前,PTFE改性主要采用无机、金属、高聚物填充或化学重聚方法,在调研国内外改性PTFE密封材料最新情况的基础上,笔者选用玻璃微珠作为填料,采用冷压成型和自由烧结工艺研制开发出了一种新型填充改性聚四氟乙烯密封板料,着重就玻璃微珠对改性PTFE密封板性能的影响进行了较为深入的研究。

  1 实验部分

  1.1 原料

  聚四氟乙烯粒径∅20~∅30μm

  玻璃微珠选400目和1250目两种粒径

  偶联剂KH-570,分散剂使用丙酮

  1.2 板材制备工艺

  填充改性聚四氟乙烯板材料制备过程见图1

图1 改进聚四氟乙烯密封板材制备过程

  预处理包括对PTFE进行冷冻过筛,对填充剂进行干燥和表面处理。后处理包括对实验制品进行热处理、整形和机加工。

  1.3 密封板材性能评定

  相对密度按ASTM D972测试方法进行评定;

  拉伸性能按ASTM F152-95测试方法进行评定;

  压缩回弹性能按ASTM F36-95测试方法进行评定;

  蠕变松弛性能按 ASTM F38-95测试方法进行评定;

  气密性按ASTM F37测试方法进行评定。

  2 结果与讨论

  2.1 玻璃微珠对PTFE密封材料性能的影响

  2.1.1 抗拉强度

  抗拉强度表示材料抵抗张力的能力,与垫片所处工作环境介质压力直接相关,通常垫片主要手压缩作用,理论上垫片的抗拉强度很小也不会发生问题,但在实际应用中,即使一般场合,垫片也必须具有基本的抗拉强度。纯PTFE抗拉强度足以满足密封使用的要求,填充改性后抗拉强度会出现一定程度的降低。不同粒度玻璃微珠质量含量对PTFE材料抗拉强度的影响见图2。

图2 玻璃微珠质量分数对PTFE密封板材

  由图2可以看出,随玻璃微珠质量含量的增加,PTFE密封板材的抗拉强度逐渐减小,而且下降幅度较大,这符合粉状填料增强改性非极性聚合物的一般规律,同时不同粒度微珠对抗拉强度影响不同,粒度越粗拉伸千古的减小越明显,这是因为对于含玻璃微珠填料的板材,当填料粒子不足够细时,玻璃微珠和PTFE的相容性不好,粒子分散在PTFE内部和表面,没有很好地与PTFE树脂相结合,因此不同粒度微珠填充效果不一样,粗粒度微珠不如细粒度微珠填充的PTFE板材抗拉强度高,尽管PTFE密封板材抗拉强度有一定程度的降低,但由于使用过程中主要受压缩作用,其抗拉强度是以满足使用要求。

  2.1.2 压缩回弹性能

  压缩回弹性能体现了密封材料填补密封表面缺陷和弹性补偿的能力,是衡量PTFE密封板材性能优劣的一个重要指标。良好的密封板材应该具有合适的压缩性和最大的回弹率。纯PTFE密封板材压缩率过大而回弹率较低,因此受载荷的循环作用时,密封稳定性较差,通过填充玻璃微珠可以改善PTFE的这种性能,见图3和表1。

图3 PTFE密封板材压缩变形性能曲线

表1 PTFE密封板材压缩性能回弹性能

  可以看出,改性PTFE密封板材的压缩回弹性能优于纯聚四氟乙烯密封材料,压缩率随玻璃微珠质量含量的增加而减小,回弹率玻璃微珠质量含量的增加而增加。由填充改性机理和PTFE的粘弹性模型,笔者认为是因为玻璃微珠主要为SiO2,其结构呈多孔,具有良好的压缩回弹性。另外填料粒径很小,比表面积极大,有吸水性,表面形成的硅醇基(Si-OH)通过氢键作用和PTFE基体树脂形成类似于膨胀PTFE的网络结构,使得PTFE板材回弹性较好,改善了PTFE板材的压缩回弹性能。因此,添加适量玻璃微珠提高了PTFE密封材料的回弹能力,获得了较为合适的压缩率。

  2.1.3 蠕变松弛性能

  蠕变松弛性能反映了密封材料抗变形和维持螺栓残余载荷的能力,性能的好坏直接影响密封件的密封能力和使用寿命。PTFE材料的蠕变松弛现象和洁净度有关,主要发生在无定形区,可以通过化学改性或添加填料改变材料形貌结构进行玻璃微珠质量含量及粒度大小对PTFE密封材料(常温下)蠕变松弛性能的影响见图4.

图4 玻璃微珠质量分数对板材蠕变松弛性能的影响

  由图4可以看出,填充玻璃微珠后PTFR板材的耐蠕变性能得到了明显的改善,且当玻璃微珠质量含量大于30%以后曲线趋于平缓,蠕变松弛率变化不大,纯PTFE由球形树枝状结晶与无定形玻璃体构成,二者间隔排列。将玻璃微珠与PTFE通过湿法混合,制成树脂包裹微珠的类似圆球形壳-壳混合料。在对混合料进行模压过程中,由于微珠硬度高,原先PTFE树脂包裹层受到挤压,并充填于微珠形成的空隙。根据填料的堆砌理论,玻璃微珠充填在PTFE树脂基体中形成“球的最小密度堆积体系”排布,PTFE树脂包裹层将球形微珠相隔开。由此可知,PTFE主要分布在多个微珠颗粒的交汇处以及颗粒表面,即以交汇处树脂为节点、以包裹层为纽带在三维方向形成连续介质相的网络结构,从而提高板材抗蠕变松弛性能。尽管微珠质量含量小时粒度大的微珠改性效果优于粒度小的微珠,但PTFE密封板材的蠕变松弛率仍然很大,而当质量含量大于15%后,粒度小的微珠填充PTFE密封板材的耐蠕变松弛性能明显好于粒度大的微珠。由此可见,玻璃微珠的粒度大小对PTFE板材的耐蠕变松弛性能影响很大,细粒度微珠改性效果明显较好。

  2.2 玻璃微珠对PTFE板材外观影响

  聚四氟乙烯是粘度很大的树脂,流动性不好,即使在熔融时流动性仍然很差,另外PTFE对于在无定形状态下的剪切很敏感,因此在模具内平铺原料的过程中很容易产生皱褶,很难使其平整,加工性能较差。玻璃微珠不仅可以改善基体树脂的基本性能而且可以改善加工性能。笔者选择了几种填料分别进行了试做并做了比较,实验结果见表2,可以看出玻璃微珠填充PTFE制得的板材外观相对较好。玻璃微珠为球状粒子,形状光滑圆整,具有等向性,无尖锐尖角,在树脂分散性能好。因此,玻璃微珠填充到PTFE树脂中,板材的模压工艺性能得以改善,消除了对剪切的敏感度,可以较好地避免填充PTFE板材表面不平整的现象,制得的板材性能和外观均较好,另外实验过程中发现添加适量的分散剂后,玻璃微珠在板材内部和表面分散得更均匀。

表2 填料对板材外观的影响

  2.3 性能对比

  采用ASTM测试标准对笔者研制开发的玻璃微珠填充改性PTFE密封板材进行了性能检测,并和国外密封公司的同类产品进行了性能对比,见表3,性能检测结果表明,研制开发的PTFE密封板材A综合性能指标较好,基本上达到了国外同类产品B的性能,满足了一定使用要求,可以推广使用。

表3 聚四氟乙烯密封板材性能对比

  3 结论

  (1) 细粒度玻璃微珠较好地改善了纯PTFE抗蠕变松弛性能差及冷流大的缺点,较大地提高了回弹性能,且抗蠕变松弛性能,回弹性能随着玻璃微珠质量分数的增加而逐渐增加,扩大了PTFE密封板材的应用范围。

  (2) 玻璃微珠同时降低了PTFE密封板材的抗拉强度,且随微珠质量含量增加逐渐降低。综合考虑玻璃微珠对PTFE密封板材性能的影响,微珠质量分数在30%左右为宜。

  (3) 通过和国外同类材料的性能对比,笔者研制的新型填充改性PTFE密封板材外观及密封性能均较好,可广泛应用于中、低压及高,低温下的管道和螺塞法兰连接,可进行推广应用。

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