閥門密封聚四氟乙烯（PTFE）性能改進

之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進從聚四氟乙烯(PTFE)的結(jié)構(gòu)特點分析了其具有良好密封性能的主要原因及其密封缺陷,針對其缺陷討論了聚四氟乙烯的填充改性技術(shù)和化學(xué)改性技術(shù)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,提出了聚四氟乙烯密封材料的開發(fā)研究方向。閥門密封材料里，PTFE、PEEK、VITON的都在什么情況下各自選用。請專家明示。
答一：PTFE一般用在溫度不高于204度的腐蝕性介質(zhì)的中低壓閥門密封面，也可用于墊片和填料。peek一般用于高壓的球閥的密封面。VITON是氟橡膠，冷流性比上面兩種好，多用于O型圈類密封。你這問題問的有點泛，不好回答。
答二：聚四氟乙烯PTFE  氟橡膠VITON。
聚四氟乙烯PTFE ：硬度75  高溫度205  低溫度-20。
答三：現(xiàn)在材料更新很快，選用四氟需要謹慎。四氟因耐蠕變性差，所以后續(xù)產(chǎn)品很多。
答四：我們公司的密封材料一般選用PTFE。
關(guān)鍵詞：聚四氟乙烯;密封;填充改性;化學(xué)改性
0 引言
*, 聚四氟乙烯(PTFE)擁有“塑料王” 的美稱, 是美國杜邦公司于1938 年為國防和技術(shù)需要而開發(fā)的, 1941年進行中間試驗, 1949 年實現(xiàn)工業(yè)化, 而后逐漸推廣到民用。聚四氟乙烯具有優(yōu)良的物化性質(zhì),是一種較好的密封材料, 廣泛應(yīng)用于等許多領(lǐng)域的密封裝置上。但是PTFE自身固有的缺陷如耐蠕變性能差、回彈性差等嚴重限制了它的應(yīng)用范圍, 使其良好的密封性能不能得到充分發(fā)揮。因此, 國內(nèi)外研究人員投入大量精力進行了PTFE性能的改進工作, 不斷研究PTFE改性技術(shù), 開發(fā)研制新型PTFE密封材料。
1 閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進聚四氟乙烯的結(jié)構(gòu)特點和物化性質(zhì)
聚四氟乙烯是由四氟乙烯單體經(jīng)自由基聚合而得到的全氟直鏈型熱塑性高聚物,為白色、無臭、無味、無毒的粉狀物,晶體結(jié)構(gòu)為結(jié)晶薄片與無序非晶相間隔排列的帶狀構(gòu)型。在聚四氟乙烯分子中,氟原子間相互排斥力很大, 使整個大分子不能像C-H鍵一樣呈鋸齒形, 而使C-F鍵的空間排列呈螺旋形;由于氟原子共價鍵半徑比氫原子大一倍多,主鏈上的碳原子被屏蔽起來構(gòu)成圓柱形外殼, 這層惰性的螺旋形全氟外殼使PTFE具有優(yōu)良的耐溶劑性、化學(xué)穩(wěn)定性和極低的吸附能密度;主鏈上碳原子被屏蔽, 加上分子鏈中鍵、無親水基團、無光敏性基團, 使PTFE耐候性、耐大氣老化性很好;同時,C-F鍵極牢固, 其鍵能達460.2 kJ/mol, 遠比C-H鍵(410kJ/mol)和C-C鍵(372kJ/mol)高,這使PTFE具有較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性;另外PTFE螺旋排列也使PTFE的分子間作用力極弱而使分子間易滑動,從而使PTFE表面摩擦系數(shù)低、易冷流變形和低溫時延展性較好, 導(dǎo)致PTFE的耐蠕變能力較差;PTFE的無分支對稱主鏈結(jié)構(gòu)也使得它具有高度的結(jié)晶性,使PTFE的加工比較困難。

閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進通過以上分析, 可以看出PTFE具有下列特點:
(1)優(yōu)良性能:良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高低溫性、耐候性、低滲透性、低摩擦系數(shù)、耐高壓性等。
(2)致命缺點:熱導(dǎo)率低、抗壓縮蠕變性差、回彈性差、承載能力低、不耐磨、不易加工、導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大及在較大的負荷下表現(xiàn)出“冷流” 現(xiàn)象等。
PTFE這些*的密封性能使其成為生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境極為苛刻情況下的密封材料[ 1] , 但是這些致命缺點卻使得其在受到載荷的作用和循環(huán)作用時, 密封穩(wěn)定性較差。

2 閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進聚四氟乙烯密封材料的改性技術(shù)
在國外, 聚四氟乙烯密封材料的改性技術(shù)研究始于20世紀70年代, 到了80 年代已基本成熟, 現(xiàn)在對PTFE密封材料的研究主要著
重于其改性品級的研制與開發(fā)。在眾多的改性技術(shù)研究機構(gòu)里, Garlock公司和Flexitallic公司是代表性的公司, 目前其研制的產(chǎn)品已經(jīng)系列化、商品化。國內(nèi)PTFE改性技術(shù)的研究起步較晚, 且技術(shù)落后, 僅有浙江巨化、上海市有機氟材料研究所和武漢工程塑料有限司等做了大量系統(tǒng)研究。目前, 聚四氟乙烯的改性技術(shù)主要有填充改性、共混改性、拉伸改性以及化學(xué)改性的共聚、交聯(lián)等, 這些技術(shù)手段克服了PTFE密封材料的缺陷, 提高了其密封能力和使用壽命, 擴大了其應(yīng)用范圍。本文主要介紹PTFE密封材料的化學(xué)改性和填充改性技術(shù)的研究進展。
2.1 閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進填充改性
填充改性是常見、也是實用的一種塑料改性技術(shù), 它不僅可以降低產(chǎn)品成本,更重要的是可以顯著改善基體樹脂的某些物理和化學(xué)性能, 例如能克服高分子的低強度、不耐低溫、低剛硬性、易膨脹性、易蠕變等缺點。填充改性PTFE密封材料的作用機理是填料粒子內(nèi)外表面上可與高分子鏈形成一些吸附點和一些化學(xué)作用點, 然后形成化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)、纏結(jié)網(wǎng)、填料高分子網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 通過改變PTFE晶體結(jié)構(gòu)和形貌結(jié)構(gòu)起到了改性作用。填充后的PTFE與純PTFE相比, 線膨脹系數(shù)降低80%、導(dǎo)熱性提高5 倍、蠕變性降低30% ～ 50%、尺寸穩(wěn)定性增大1倍、抗負荷變形能力提高30%, 大大提高了PTFE材料的密封能力, 擴大了其應(yīng)用范圍。值得注意的是在國外PTFE填充技術(shù)均由PTFE樹脂生產(chǎn)廠家完成, 而我國卻是由加工生產(chǎn)企業(yè)來完成。
閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進填充改性PTFE的性能與填充劑的性能、含量以及工藝有密切關(guān)系。一般選擇填充劑時必須考慮如下因素:
(1)能經(jīng)得住PTFE的燒結(jié)溫度(380℃以上), 且能與聚四氟乙烯均勻混合;
(2)能改善PTFE的物理機械性能, 提高導(dǎo)熱性、抗冷流性、耐蠕變性, 降低線膨脹系數(shù)等;
(3)在使用時填料不會與其接觸的金屬及介質(zhì)發(fā)生反應(yīng);
(4)在燒結(jié)條件下, 填料自身不會簇集;
(5)填料粒度≤150μm。
同時, 還要注意在聚四氟乙烯中加入填料時, 不但要提高其主要性能指標, 還要注意其整體性能, 只有這樣才能得到的改性效果。通常填充改性PTFE密封材料的填料分無機類、金屬類及高聚物類三大類。常用的填充劑有:玻璃纖維、碳纖維、石墨、高齡土、二硫化鉬、無定形炭、氟化鈣、青銅粉、陶瓷、聚苯酯、聚苯硫醚、聚酰亞胺等。國外的專業(yè)生產(chǎn)密封材料的廠家Garlock公司和Flexitallic公司則采用玻璃微珠、硅藻土、重晶石等填料。
填充改性PTFE密封材料的組分應(yīng)根據(jù)研制目的、應(yīng)用環(huán)境的不同選擇單一或多種填料。一般而言, 選用玻璃纖維、碳纖維填充改性PTFE的強度較高;改善PTFE抗壓縮蠕變性用碳纖維、玻璃纖維、聚苯酯、聚苯硫醚、硅藻土等較好;提高耐磨性聚苯酯、石墨、青銅粉、氮化硼、玻璃纖維;提高拉伸強度, 可在共混物中加入四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP);提高柔韌性可用玻璃微珠、硅藻土等軟填料。但聚四氟乙烯制品柔韌性的好壞重要的還是取決于制品的成型工藝。表2為Garlock公司用微孔PTFE、玻璃微珠、硅藻土、硫酸鋇分別填充改性的聚四氟乙烯密封材料的GYLON系列產(chǎn)品性能。

閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進表1 填充改性PTFE性能
表1 填充改性PTFE性能
表2 Garlock公司GYLON系列產(chǎn)品性能
表2 Garlock公司GYLON系列產(chǎn)品性能
由表2可見, 該系列產(chǎn)品綜合性能較好,改性后克服了聚四氟乙烯的易冷流性, 提高了回彈性及可壓縮性, 取得了良好的改性效果;綜合性能相對較好的為玻璃微珠填充聚四氟乙烯板材, 其低應(yīng)力下壓縮率較高[2, 3] , 使得板材柔韌性較好, 其*缺點是蠕變松弛稍大,但可以通過復(fù)合填充其他填料如碳纖維、玻璃纖維、聚苯酯、硅藻土、硫酸鋇等來克服。
美國一[ 4] 用18% ～ 21%玻璃微珠填充的聚四氟乙烯和純PTFE制成夾層式的密封墊片, 具有較高的壓縮率, 其壓縮率可達到45%甚至更高。外面兩層采用純PTFE各占整個厚度的20% ～ 25%, 主要提供墊片較高的壓縮率;中間一層為填充PTFE, 起回彈和耐蠕變松弛的作用。
為了彌補單一填料填充帶來的缺陷, 美國一[ 5] 通過復(fù)合填充不銹鋼來提高墊片的拉伸強度和尺寸穩(wěn)定性。單一填料可以是硅藻土或重晶石或玻璃微珠。這種墊片不僅強度高、尺寸穩(wěn)定而且具有優(yōu)異的回彈性和極低的蠕變松弛性。
文獻[ 6] 介紹了用玻纖10% ～ 20%、三氧化二鋁10% ～ 15%、二硫化鉬2% ～ 5%填充PTFE, 制得的靜密封墊片拉伸強度、抗壓強度、耐腐蝕性均較好, 但邵氏硬度較高。分析其原因主要是三氧化二鋁和二硫化鉬的加入提高了墊片硬度, 筆者認為可以更換成硅藻土。
日本成功開發(fā)了含有可膨脹石墨的填充改性PTFE新型高功能無石棉墊片[7] ,該制品可以在100℃以上的高溫條件下連續(xù)使用,解決了以往無石棉墊片不能在高溫條件下使用的問題。另外,在高溫條件下使用的墊片因含有可膨脹石墨板, 但沒有粘合劑,因此性脆,不易進行處理。該制品還有很好的處理性能, 除此之外,還具有耐藥品性能。
有時也在填料中添加顏料來調(diào)節(jié)PTFE制品的顏色。如碳纖、玻纖填充制得的PTFE密封材料外觀為黑色, 極不美觀, 通過添加鈷藍、酞菁藍、群青等顏料就可以改變制品的顏色。
總之, 填充改性技術(shù)提高和改善了聚四氟乙烯密封材料的某些性能, 但隨著工業(yè)的發(fā)展又漸漸不能滿足設(shè)備的密封要求,尤其是填充改性后其拉伸強度明顯降低, 同時該種改性技術(shù)并不能使填料與PTFE較好的融合且成型加工仍然較困難。為了解決這些問題,化學(xué)改性技術(shù)應(yīng)運而生。安裝前，需要對法蘭連接結(jié)構(gòu)或螺紋連接結(jié)構(gòu)、靜密封面和聚四氟乙烯墊片進行檢查，經(jīng)檢查無誤后，其他閥件業(yè)經(jīng)修復(fù)完畢的情況下，方可安裝聚四氟乙烯墊片。

閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進聚四氟乙烯墊片
上聚四氟乙烯墊片前，密封面、聚四氟乙烯墊片、螺紋及螺栓螺母旋轉(zhuǎn)部位涂上一層石墨粉或二硫化鉬粉。墊片、石墨應(yīng)保持干凈，不得沾污(聚四氟乙烯墊片袋裝不粘灰;石墨粉盒裝加蓋)隨用隨取，不得隨地丟放。
聚四氟乙烯墊片安在密封面上要正確、適中，不能偏斜，不能伸入閥腔或擱置在臺肩上。聚四氟乙烯墊片內(nèi)徑要略大于密封面內(nèi)孔，聚四氟乙烯墊片的外徑應(yīng)比密封面外徑稍小，這樣才能保證受壓均勻。
密封面采用液體密封墊片(又稱無墊密封)時，膠粘劑應(yīng)與工況條件相適應(yīng)，粘接操作符合相應(yīng)的粘接規(guī)程。密封面要認真清理或表面處理。平面密封面應(yīng)研磨并有足夠吻合度，涂抹要均勻，要盡量排除空氣，膠層一般為0.1?0.2mm厚，螺紋密封處與平面密封一樣，相接觸兩個面都要涂抹，旋入時應(yīng)取立式姿態(tài)，以利空氣排除，膠液不宜過多，以免溢出污染其他閥件。
當螺紋密封采用聚四氟乙烯薄膜生料帶時，先將生料帶起頭處拉伸變薄一些，貼在螺紋面上，然后將起頭多余的生料帶除掉，使貼在螺紋上的薄膜形成楔形。視螺紋間隙，一般纏繞一至二圈，纏繞方向應(yīng)與螺紋旋向一致，終端將重合起頭處時，漸漸拉斷生料帶，使之呈楔形，這樣可保證纏繞的厚度均勻。旋入前，把螺紋端部的薄膜壓合一下，以便生料帶隨螺紋一起旋入螺孔中，旋入要慢、用力均勻適當，旋緊后不要再松動，切忌避免回旋，否則容易泄漏。
密封面只準安裝一只聚四氟乙烯墊片，不允許在密封面間安裝兩片或多片聚四氟乙烯墊片來彌補密封面間的間隙不足。
梯形(橢圓)墊圈的安裝應(yīng)使墊圈內(nèi)外圓相接觸，墊圈的兩端面不得與密封槽底面接觸。
O形圈的安裝除了圈和槽應(yīng)符合設(shè)計要求外，壓縮量適當。金屬空心O形圈一般適宜的壓扁度為10%?40%,橡膠O形密封圈的壓縮變形率，圓柱面上的靜密封取13%?20%，平面靜密封面取15%?25%，對于內(nèi)壓較高以及真空密封，壓縮變形應(yīng)大些，在保證密封的前提下，壓縮變形率越小越好，可延長O形圈的壽命。
閥門中法蘭密封墊片裝妥后，安裝閥蓋前，應(yīng)使閥桿處于開啟位置，以免影響安裝和損壞閥件。裝蓋時要對準位置，不得用推拉的方法調(diào)整，以免擦傷墊片和發(fā)生位移。調(diào)整時應(yīng)將閥蓋慢慢提起，對準后再輕輕放下。
上螺栓時，鋼號標記的一端應(yīng)裝在便利檢査的一面，應(yīng)對稱、輪流、均勻地擰緊蟝栓，分2?4次旋緊，螺栓應(yīng)滿扣，整齊無松動。螺紋連接墊片壓蓋，如有扳手位置，則不得使用管鉗。螺栓連接或螺紋連接的墊片盡可能處于水平安裝位置。
聚四氟乙烯墊片壓緊前，應(yīng)對壓力、溫度、介質(zhì)的性質(zhì)，聚四氟乙烯墊片材料的特性了解清楚，確定預(yù)緊力，一般非金屬材料墊片，如橡膠石棉、柔性石墨、橡膠、塑料等墊比金屬墊的預(yù)緊力要低些，復(fù)合材料居中，在非金屬墊片中，橡膠石棉墊片比其他材料的墊片預(yù)緊力要大些。低的是橡膠。擰緊螺栓使用扭矩扳手。預(yù)緊力應(yīng)得保證在試壓不漏的情況下，盡量小。過大的預(yù)緊力容易破壞墊片，使墊片失去回彈力。
聚四氟乙烯墊片壓緊后，應(yīng)保證連接件間留有適當間隙，以備聚四氟乙烯墊片泄漏時有壓緊的余地。法蘭之間以及螺紋連接處沒有間隙，一旦墊片泄漏.就沒有再壓緊的余地了。
在高溫工況下，螺栓會因高溫蠕變，應(yīng)力松弛，變形增大，致使靜密封泄漏，這時應(yīng)在熱態(tài)情況下壓緊聚四氟乙烯墊片。反之，螺栓在低溫工況條件下，會產(chǎn)生收縮，靜密封墊片載荷過大，易壓壞墊片，螺栓需要在冷態(tài)情況下適當旋松。高溫或低溫管道及其閥門，在開車試運行時，熱緊為加壓，冷松為卸壓。熱緊或冷松都要適度，操作時要嚴格遵守安全技術(shù)規(guī)程。

2.2 閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進化學(xué)改性
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥化學(xué)改性是為改進懸浮聚四氟乙烯的耐應(yīng)力開裂、抗蠕變和加工工藝性能而由美國Dupont公司和德國Hoechst公司于20世紀70年代末80年代初開始著手研制[8] 。化學(xué)改性是聚四氟乙烯改性的基本方法之一, 改性原理為在聚合物線性分子鏈上引入體積較為龐大的側(cè)基, 可減小分子量、降低熔融粘度和減少結(jié)晶度, 同時仍可保持PTFE傳統(tǒng)的*性能。
化學(xué)改性包括共聚、交聯(lián)等方法, 常用改性劑為醚單體、乙烯、偏氟乙烯等。引入少量(<1% wt)的醚單體全氟丙基乙烯基醚(PPVE)就足以降低聚四氟乙烯的結(jié)晶度[9] ,制成類似熱塑性樹脂的懸浮PTFE, 醚改性的PTFE在加工溫度下具有很好的熱穩(wěn)定性。常用的醚類共聚改性劑有六氟丙烯、三氟氯乙烯、全氟烷基乙烯基醚等, 其中全氟烷基乙烯醚(PFVE)有全氟甲基乙烯基醚(甲醚)、全氟丙基乙烯基醚(丙醚)、全氟間二氧環(huán)戌烯等。調(diào)節(jié)結(jié)晶度、控制無定形區(qū)、選用合適分子量的PTFE樹脂都是改變收縮率、蠕變性的辦法[ 10] 。改性后, 因較龐大的醚單體側(cè)基團破壞了PTFE的晶格點陣結(jié)構(gòu), 從而降低了PTFE的結(jié)晶度。結(jié)晶度高結(jié)晶排列緊密, 聚四氟乙烯制品的強度低、硬度大、韌性差;結(jié)晶度低無定形區(qū)大, 聚四氟乙烯制品的強度高、硬度小、韌性好。因此, 化學(xué)改性聚四氟乙烯可以獲得強度高、柔韌性較好的密封制品。
表3所示為化學(xué)改性和填充改性相結(jié)合制得的PTFE密封材料, 可見化學(xué)改性PTFE的拉伸強度、回彈率、密封性均較高, 蠕變松弛率仍然很大, 但添加填料后耐蠕變松弛性能得到了明顯的提高。通常, 化學(xué)改性填充聚四氟乙烯后得到改善的主要特性是:(1)壓縮穩(wěn)定性提高, 亦即降低了PTFE的冷流性; (2)閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進滲透性低; (3)可成型性好; (4)柔韌、機械加工性能好;(5)使用壽命長[11] 。
表3 化學(xué)改性聚四氟乙烯的性能
表3 化學(xué)改性聚四氟乙烯的性能
一種已商品化的改性聚四氟乙烯———四氟乙烯和全氟丙基乙烯基醚(丙醚)的共聚物可熔性聚四氟乙烯, 其作為密封材料優(yōu)于聚四氟乙烯, 提高了聚四氟乙烯密封材料的耐蠕變松弛性能。用醚單體化學(xué)改性的聚四氟乙烯材料制造的平面密封片在化工設(shè)備制造和管道連接上將會得到廣泛應(yīng)用, 同時用這種密封材料可以降低密封凸緣表面的不平整性、粗糙度和歪斜變形。
文獻[12]介紹了一種化學(xué)改性聚四氟乙烯制備新技術(shù)即交聯(lián)改性,其新產(chǎn)品的耐磨性是普通PTFE的1000～10000倍, 抗蠕變性為普通PTFE的2～3倍, 且透明度和彈性較好,適合用作密封材料。該技術(shù)是由日本日立電纜公司開發(fā)的,通過在327℃惰性氣體環(huán)境下用電子束輻射使PTFE產(chǎn)生交聯(lián),輻射劑量大于5×104Gy,具體劑量則由產(chǎn)品所需要的性能決定。

3 閥門密封聚四氟乙烯(PTFE)性能改進結(jié)束語
聚四氟乙烯作為耐腐蝕性的一類高分子密封材料, 隨著改性技術(shù)的不斷發(fā)展及其綜合性能的不斷提高,在管道和各種化工設(shè)備上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。填充改性和化學(xué)改性在改善PTFE材料一些性能方面各有特點和優(yōu)勢,應(yīng)根據(jù)不同的密封要求選用不同的改性方法制備密封材料,必要時可以復(fù)合運用兩種改性技術(shù)。
根據(jù)國內(nèi)外研究動態(tài),依據(jù)中國豐富的自然資源,不斷尋找新的填充材料,特別是高聚物等輕質(zhì)材料,結(jié)合化學(xué)方法進行復(fù)合改性應(yīng)是國內(nèi)科研工作者當前的主要研究方向。近年來, 納米技術(shù)不斷開發(fā)應(yīng)用, 粒子表面處理技術(shù)不斷進步, 聚合物與納米粒子的相互作用機理研究不斷完善,這種發(fā)展趨勢為尋找新的PTFE改性方法提供了理論依據(jù), 可以預(yù)見納米顆粒改性PTFE密封材料一定會得到蓬勃的發(fā)展,新的PTFE改性方法及技術(shù)將會不斷出現(xiàn)。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：禁油脫脂氧氣減壓閥操作維護
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