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聚四氟乙烯以及聚四氟乙烯密封圈

 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物。英文缩写为PTFE。聚四氟乙烯的基本结构为. - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 - CF2 -. 聚四氟乙烯广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的,它本身对人没有 毒性,但是在生产过程中使用的原料之一全氟辛酸铵(PFOA)被认为可能具有致癌作用。
聚四氟乙烯相对分子质量较大,低的为数十万,高的达一千万以上,一般为数百万(聚合度在104数量级,而聚乙烯仅在103)。一般结晶度为90~95%,熔融温度为327~342℃。聚四氟乙烯分子中CF2单元按锯齿形状排列,由于氟原子半径较氢稍大,所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向,而是形成一个螺旋状的扭曲链,氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面。这种分子结构解释了聚四氟乙烯的各种性能。温度低于19℃时,形成13/6螺旋;在19℃发生相变,分子稍微解开,形成15/7螺旋。
虽然在全氟碳化合物中碳-碳键和碳-氟键的断裂需要分别吸收能量346.94和484.88kJ/mol,但聚四氟乙烯解聚生成1mol四氟乙烯仅需能量171.38kJ。所以在高温裂解时,聚四氟乙烯主要解聚为四氟乙烯。聚四氟乙烯在260、370和420℃时的失重速率(%)每小时分别为1×10-4、4×10-3和9×10-2。可见,聚四氟乙烯可在 260℃长期使用。由于高温裂解时还产生剧毒的副产物氟光气和全氟异丁烯等,所以要特别注意安全防护并防止聚四氟乙烯接触明火。
力学性能 它的摩擦系数极小,仅为聚乙烯的1/5,这是全氟碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低,所以聚四氟乙烯具有不粘性。
聚四氟乙烯在-196~260℃的较广温度范围内均保持优良的力学性能,全氟碳高分子的特点之一是在低温不变脆。
耐化学腐蚀和耐候性 除熔融的碱金属外,聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸,甚至在王水中煮沸,其重量及性能均无变化,也几乎不溶于所有的溶剂,只在300℃以上稍溶于全烷烃(约0.1g/100g)。聚四氟乙烯不吸潮,不燃,对氧、紫外线均极稳定,所以具有优异的耐候性。
电性能 聚四氟乙烯在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低,而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。
耐辐射性能 聚四氟乙烯的耐辐射性能较差(104拉德),受高能辐射后引起降解,高分子的电性能和力学性能均明显下降。
聚合 聚四氟乙烯由四氟乙烯经自由基聚合而生成。工业上的聚合反应是在大量水存在下搅拌进行的,用以分散反应热,并便于控制温度。聚合一般在40~80℃,3~26千克力/厘米2压力下进行,可用无机的过硫酸盐、有机过氧化物为引发剂,也可以用氧化还原引发体系。每摩尔四氟乙烯聚合时放热171.38kJ。分散聚合须添加全氟型的表面活性剂,例如全氟辛酸或其盐类。
应用 聚四氟乙烯可采用压缩或挤出加工成型;也可制成水分散液,用于涂层、浸渍或制成纤维。聚四氟乙烯在原子能、航天、电子、电气、化工、机械、仪器、仪表、建筑、纺织、食品等工业中广泛用作耐高低温、耐腐蚀材料,绝缘材料,防粘涂层等。
化学性质
1耐腐蚀性:能够承受除了熔融的碱金属,氟化介质以及高于300℃氢氧化钠之外的所有强酸(包括王水)、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用。
2绝缘性:不受环境及频率的影响,体积电阻可达1018欧姆•厘米,介质损耗小,击穿电压高。
3耐高低温性:对温度的影响变化不大,温域范围广,可使用温度-190~260℃。
4自润滑性:具有塑料中最小的摩擦系数,是理想的无油润滑材料。
5表面不粘性:已知的固体材料都不能粘附在表面上,是一种表面能最小的固体材料。
6耐大气老化性,耐辐照性能和较低的渗透性:长期暴露于大气中,表面及性能保持不变。
7不燃性:限氧指数在90以下。
物理性质
聚四氟乙烯的机械性质较软。具有非常低的表面能。

聚四氟乙烯密封圈
PTFE(聚四氟乙烯)复合材料是含有PTFE的两种或两种以上不同性质或不同相物质共混、共聚或组合在一起构成的性能比其组成材料优异的一类新型复合材料。通过材料复合,既发挥了PTFE的优异特性,又克服了PTFE的冷流蠕变和不耐磨等缺点,使其具有减摩、耐磨、自润滑、耐蚀、耐热、耐老化、耐压缩、抗蠕变、尺寸稳定和线膨胀系数低等优点,并提高了导热性和硬度,降低了成本。国内外已用这种新型复合材料制成特殊工况用的密封件,比如高压、高温、高速、高真空、易燃易爆、有毒、强腐蚀性介质等,这些密封件广泛用于石油化工、化肥、农药、航空、航天及核工业上,常用作往复轴向运动的密封,如活塞和活塞杆的密封。既可用于干摩擦无油润滑的场合,又可在条件允许的情况下实行油润滑。
为增强PTFE复合材料密封件的弹性,必须与弹性体、压紧环、凸面座、凹面座、各种形式的金属弹簧进行结构组合,形成弹性致动密封。最常用的是金属弹簧致动,这是将螺旋形的平弹簧或圆金属丝弹簧置于密封圈内通过机械加工或模压制成的环形空间内,以保证密封件能产生高度的弹性和磨损自动补偿作用,从而形成优异的动密封。
2.1 J形和L形聚四氟乙烯密封圈
J和L形密封圈常用PTFE添加石墨、玻璃纤维、青铜、二硫化钼和各种金属氧化物,以改善并增强PTFE的各种性能。其特点是摩擦力小,能承受干摩擦;唇口和轴表面的磨损率低;温度适用范围为-50~200℃;耐油耐蚀;密封性优良。例如用PTFE添加玻璃纤维等制作的L形密封圈用于液压和气动活塞上。若添加15%玻璃纤维,就可使热膨胀系数下降1/2。L形密封圈可作单向或双向运动的活塞密封。
J形密封圈用作活塞杆的密封,一般是将其安装在壳体上作为固定式密封,用来密封往复运动轴。密封圈的底夹在壳体的凹槽中,由压盖支承。唇端总是朝向正压侧,唇的内径与轴相接触,以便利用自紧密封原理实现密封,唇可以沿轴表面自由运动。
2.2 U形密封圈
以PTFE为基料再添加填料所制作的U形密封,可以安装在运动的活塞上,又可以作为固定密封安装在壳体上(图29.6-4)起密封作用,而不需要调整填料压盖。
U形密封是平衡型密封,也就是在内径和外径上都密封,并配有支承环来保护密封(图29.6-4a),以防止在压力作用下被压扁或扭曲。U形圈装在密封槽中,压环和唇之间间隙1.6~3mm,即至少为唇缘厚度的25%,使唇部不得接触压环,以便系统流体自由进入,从而可以利用自紧原理进行密封。压环的垂直腹板上的横向孔可以保证U形开口内的压力平衡。图b所示是用一个橡胶O形圈来增加静态和动态的接触力,以改进初始密封效果。

图29.6-4 U形密封圈的安装
a)随活塞运动的U形密封图;b)带有O形圈的U形密封图
2.3 V形密封圈
用PTFE添加玻璃粉、石墨或二硫化钼等可以制作V形圈。V形圈以多个圈成组安装,有一个凸面座和一个凹面座(图29.6-5)。这样可以提高密封效果和使用寿命。图c表示用波形弹簧增加自动接触力,从而起到预加载荷的作用并自动补偿V形圈的磨损。

图29.6-5 V形密封圈及部件
a)V形圈组件,b)凸面座和凹面座;c)带波形弹簧的V形圈和组件
唇的截面内侧轮廓线为曲线,外侧轮廓线为直线,从而使得两个相邻环之间为点接触,以得到较高的挠性。唇的曲线使得套装在一起的密封圈形成单线接触,从而迫使各密封圈以最小的摩擦靠着相邻圈的45°斜边产生挠曲。
凹面座的作用是防止压力升高时密封圈变形,凸面座有助于唇自动起作用,并在承受压力时产生可靠的密封。
适宜的弹簧尺寸,应使密封圈圆周长度上的平均载荷为18~27N/cm。每套填料密封组件中V形圈的数量取3~5个。
2.4其他密封圈
图29.6-6为碳氟密封是用PTFE添加石墨、二硫化钼等混合物制成。这种材料的耐磨性是纯PTFE的上百倍。运动寿命比硅橡胶密封长。适应温度范围-40~200℃,密封压力达70MPa。

图29.6-6 用于往复运动轴的碳氟密封
该密封用于往复轴的密封。密封内装有圆形和V形截面的各种机械弹簧(可用不锈钢带),有敞开的也有PTFE复合材料包起来的。密封在安装时必须使弹簧受到压缩,从而可以在无压力时形成初始密封。因其具有自密封机理,故密封效能随着压力的增加而增强。密封嵌入时应使C形套的开口总是面对系统压力一侧,以形成自紧式密封。敞形式的弹簧材料应根据流体的腐蚀性来选材。当采用金属簧时,可用O形环弹性体来替代。

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