分散聚四氟乙烯樹脂加工為短纖維的影響因素

劉文武，李 平，田仁平，王曉妹

（浙江巨圣氟化學(xué)有限公司，浙江 衢州 324004）

分散聚四氟乙烯樹脂加工為短纖維的影響因素

劉文武，李 平，田仁平，王曉妹

（浙江巨圣氟化學(xué)有限公司，浙江 衢州 324004）

介紹了分散聚四氟乙烯（PTFE）樹脂加工為短纖維的影響因素。能夠滿足短纖維加工需求的樹脂要求原始粒子形態(tài)為球狀、分子量分布均勻、標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度為2.16～2.185。短纖維專用分散PTFE樹脂在加工應(yīng)用過(guò)程中，表現(xiàn)出良好的吸油性和成纖性能，能夠獲得拉伸強(qiáng)度高、線密度分布集中的短纖維。

聚四氟乙烯；短纖維；性能

聚四氟乙烯（PTFE）是一種物理和化學(xué)性質(zhì)優(yōu)異的高分子聚合物，其分子量分布范圍極廣，結(jié)晶度能夠達(dá)到90%以上。正是PTFE材料表現(xiàn)出良好的物理以及化學(xué)性能，將其利用切割拉伸法、糊狀擠壓紡絲法以及載體紡絲法等方法制成PTFE纖維，應(yīng)用到過(guò)濾、紡織等領(lǐng)域越來(lái)越受到推崇[1]。近年來(lái)短纖維用PTFE分散樹脂在針刺氈領(lǐng)域的應(yīng)用愈來(lái)愈廣。對(duì)影響PTFE分散樹脂加工成PTFE短纖維的主要因素有樹脂的粒子形態(tài)、分子量、孔隙率等。

1 PTFE短纖維的生產(chǎn)

1.1 分散樹脂

在PTFE聚合釜中一次性投入高純水、乳化劑、引發(fā)劑等助劑，進(jìn)行抽真空以及保壓試驗(yàn)并除去聚合釜內(nèi)的氧氣，O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10×10-6后，連續(xù)通入四氟乙烯（TFE）單體，維持反應(yīng)壓力以及溫度。待聚合反應(yīng)結(jié)束后，分離出石蠟得到PTFE乳液。經(jīng)冷卻、凝聚、洗滌、干燥，獲得PTFE分散樹脂。

1.2 短纖維

PTFE分子鏈?zhǔn)忠?guī)整、剛硬，即使晶體在327℃以上熔融也很難產(chǎn)生熔融液體，而只是黏度較高的凍膠[2]。凍膠流動(dòng)性非常差，不能采用熔融紡絲。此外，PTFE中的碳原子被氟原子完全包圍，使得大分子與其他分子之間的吸引力非常微弱，缺乏溶劑化作用，現(xiàn)有的溶劑無(wú)法溶解PTFE[3-4]。因而，普通濕法紡絲或干紡也不適用于制備PTFE纖維。

目前國(guó)內(nèi)外常用的PTFE纖維加工的方法有切割拉伸法和化纖載絲法。基于環(huán)保等問(wèn)題，目前主要采用切割拉伸法，其加工過(guò)程為：PTFE原料→混料→預(yù)烘→壓坯→推壓→壓延→脫脂→燒結(jié)→破絲→卷曲→定型→切段→開松→成品。

該方法獲得的PTFE短纖維，線密度在2～5 dtex，單根纖維的長(zhǎng)徑比分布不一致、纖維的直徑離散性較高、截面形狀很不規(guī)則，但卻有較大的比表面積[5]。

2 樹脂性能對(duì)加工短纖維的影響

2.1 樹脂原始粒子形態(tài)

分散PTFE是用全氟辛酸銨為乳化劑的乳液聚合，當(dāng)乳化劑的含量超過(guò)臨界膠束含量時(shí)形成以棒狀為主的乳膠粒；當(dāng)乳化劑含量低于臨界膠束含量時(shí)，球形乳膠粒占主體。在轉(zhuǎn)化率很低時(shí)，低分子量的PTFE分散粒子易集結(jié)成六角形分散形態(tài)，而表面活性劑的鏈長(zhǎng)和含量增加有利于六角形乳膠粒的形成；經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的聚合后，乳膠粒形態(tài)以球狀粒子為主。當(dāng)表面活性劑含量接近或大于臨界膠束含量時(shí)，在整個(gè)聚合反應(yīng)過(guò)程中，PTFE粒子都以棒狀粒子為主。

對(duì)不同原始形態(tài)樹脂產(chǎn)品進(jìn)行短纖維加工。發(fā)現(xiàn)棒狀形態(tài)下（圖1(a)）的分散PTFE樹脂在加工過(guò)程容易發(fā)白、發(fā)粗、強(qiáng)度差，不能滿足生產(chǎn)需求；而以球狀粒子為主的（圖1(b)）PTFE樹脂在加工過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)發(fā)白的情況，能夠連續(xù)拉伸分切且強(qiáng)度也能滿足需求。

圖1 分散PTFE樹脂初級(jí)粒子掃描電鏡照片F(xiàn)ig 1 SEM morphologies of dispersion PTFE resin primary particles

2.2 樹脂分子量分布

圖2是PTFE短纖維用PTFE分散樹脂DSC。

圖2 分散PTFE樹脂DSC曲線Fig 2 DSC curves of dispersion PTFE resin

由圖2可知，代號(hào)為A2與A3的熔融峰半峰窄，結(jié)晶度低，分子量分布不均勻，產(chǎn)品在加工過(guò)程中存在發(fā)白、拉伸過(guò)程中易斷、壓延有白條等問(wèn)題，同時(shí)在加工過(guò)程中還存在機(jī)帶寬窄不一，燒結(jié)過(guò)程中霧狀等問(wèn)題，損耗增加，無(wú)法滿足加工需求；代號(hào)為A1樹脂熔融峰寬，分子量分布均勻，能夠滿足加工需求。

造成分子量分布不均勻的原因有聚合釜攪拌槳傳質(zhì)不均勻，無(wú)徑向和軸向傳熱；聚合反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)壓力過(guò)低也會(huì)造成分子量分布不均勻；此外，原材料含有雜質(zhì)、反應(yīng)單體純度低等都會(huì)造成分子量分布過(guò)寬、不均勻。

2.3 樹脂分子量

樹脂分子量的大小對(duì)短纖維樹脂加工影響較大，分子量偏大，樹脂強(qiáng)度大，結(jié)晶度高，在燒結(jié)過(guò)程中，樹脂燒不透，需要提高燒結(jié)溫度，增加了加工難度和能耗；得到的纖維產(chǎn)品過(guò)硬，柔軟度差，不能滿足客戶需求。而分子量偏小，在拉伸過(guò)程中容易拉斷、強(qiáng)度不夠，使得加工無(wú)法進(jìn)行，即使工序勉強(qiáng)走完，獲得的產(chǎn)品強(qiáng)度也達(dá)不到客戶的需求。

影響分子量大小的因素有很多，主要有引發(fā)劑的含量、原料的純度以及乳化劑的純度等，一般調(diào)節(jié)樹脂標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度為2.165～2.190即滿足短纖維樹脂的加工要求。

2.4 樹脂顆粒孔隙率

圖3是分散PTFE樹脂孔徑分布。

圖3 分散PTFE樹脂孔徑分布Fig 3 Pore size distribution of dispersion PTFE resin

對(duì)PTFE樹脂孔分布分析，A3孔隙率過(guò)大，在加工過(guò)程中，吸油量多，熟化助劑需求量增加，不容易脫除，增加脫脂難度和助劑用量，同時(shí)導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中易斷，無(wú)法連續(xù)進(jìn)行燒結(jié)拉伸；A2孔隙率過(guò)小，吸油差，需要增加熟化時(shí)間和熟化溫度，否則會(huì)導(dǎo)致纖維化程度高，壓延樣條偏硬，無(wú)法正常加工。而介于兩者之間的A1樹脂，孔體積集中分布在35～45 mm3/g能夠滿足短纖維加工需求。

3 結(jié)論

影響分散PTFE樹脂加工短纖的要素有粒子形態(tài)、分子量分布、分子量大小以及孔隙率。

能夠滿足短纖加工需求的樹脂要求原始粒子形態(tài)為球狀、分子量分布均勻、標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度為2.16～2.185。

短纖專用分散PTFE樹脂在加工應(yīng)用過(guò)程中，表現(xiàn)出良好的吸油性和成纖性能，能夠獲得拉伸強(qiáng)度高、線密度分布集中的短纖維。

[1]黃次沛.制造聚四氟乙烯短纖維和長(zhǎng)絲的新方法以及纖維的性質(zhì)和用途[J].合成纖維,1979(3):53-58.

[2]陳錫勇,陶建勤,李淑芳.PTFE短纖維性能與梳理工藝淺析[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2010,28(9):34-36.

[3]Okita K.Method for diametrically expanding thermally contractive ptfe resin tube:US4104394[P].1978-08-01.

[4]Girton T,Sogard D.Non-expanded porous polytetrafluoroethylene(PTFE)products and methods of manufacture:US 10002521[P].2001-11-01.

[5]姜兆輝,徐瑞樂(lè),郭增革,等.聚四氟乙烯短纖維的熱及化學(xué)穩(wěn)定性研究[J].化工新型材料,2016,44(12):68-70.

TQ342+.711

BDOI10.3969/j.issn.1006-6829.2016.05.005

2016-07-01