PTFE 濕法造粒設(shè)備及產(chǎn)品性能比較

孫克原，張敏華，陳勤勤，汪海飛

（南京肯特復(fù)合材料股份有限公司，江蘇南京211162）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）為四氟乙烯單體經(jīng)自由基聚合而生成的高分子聚合物，享有“塑料王”的美譽(yù)［1］。其具有耐腐蝕、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定、摩擦系數(shù)低、自潤(rùn)滑等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、建筑、化工、船舶等領(lǐng)域［2］。由于PTFE特殊的分子結(jié)構(gòu)特征，使其具有極高的溶體黏度（107～108kPa）,在熔融狀態(tài)下也不流動(dòng)，針對(duì)其熔融黏度高，加工困難的不足，工業(yè)上探索和發(fā)明了模壓成型、液壓成型、柱塞擠出成型、注射成型等多種成型工藝和方法［3］，在這些成型過程中，都需要把樹脂粉末均勻加入到特定的模具中。因此，樹脂粉末注模的均勻性、流動(dòng)性和快速性直接影響到產(chǎn)品的性能和加工效率。對(duì)于工業(yè)上用量最大的懸浮法聚合得到的PTFE懸浮粉料，顆粒一般在20～80μm，體積密度在200～500 g/L，其體積密度低、粒徑分布廣、流動(dòng)性能很差［4］。由于其極差的流動(dòng)性，因此在樹脂注模過程中往往需要手工加料，加入模腔中的樹脂還要手工搗勻，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)效率極其低下。對(duì)于一些厚度較薄的產(chǎn)品，由于模腔中的樹脂流動(dòng)不均經(jīng)常導(dǎo)致產(chǎn)品在模壓過程中的孔隙和開裂，影響產(chǎn)品性能。近年來，隨著制造業(yè)自動(dòng)化水平的提高和下游產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的增加，對(duì)于樹脂的自動(dòng)模壓和提高產(chǎn)品質(zhì)量提出了新的需求。需要用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣呔鬯姆蚁渲捏w積密度和粉末流動(dòng)性性能［5］。一些研究人員采取過篩的方法將PTFE粉末進(jìn)行細(xì)化或?qū)Τ尚腕w車削加工，此類方法較為復(fù)雜，成本高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)［6］。

為解決此類問題，主要通過造粒設(shè)備對(duì)粉料進(jìn)行造粒可以極大地提高粒料的流動(dòng)性。造粒工藝一般分為干法造粒和濕法造粒［7-9］。其中，干法造粒不采用任何液體介質(zhì)，將懸浮聚合得到的PTFE壓制成片，然后將該片材進(jìn)行粉碎，再進(jìn)行篩分后得到造粒料。此方法過程簡(jiǎn)單，但粒料物性較差。而濕法造粒采用水、有機(jī)液體或水、有機(jī)液體混合物浸潤(rùn)PTFE細(xì)粉，通過凝聚的過程來提高PTFE粉末的體積密度和流動(dòng)性能。濕法造粒得到的PTFE造粒料形狀規(guī)則，流動(dòng)性優(yōu)異，改善了PTFE粉末的充模性能，適合于較薄與較窄制品的模壓、自動(dòng)模壓過程。

1 聚四氟乙烯濕法造粒工藝及設(shè)備

1.1 聚四氟乙烯濕法造粒工藝

首先，將經(jīng)冷藏過的聚四氟乙烯樹脂細(xì)粉加入一定體積比的有機(jī)溶劑，將流動(dòng)性差的聚四氟乙烯用溶液淋濕后，連同容器一起夾持在一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備上進(jìn)行粗混，使溶劑和樹脂之間充分混合。然后，把粗混好的濕料放入一體化造粒設(shè)備中進(jìn)行碎混合造粒，通過不同形式的滾轉(zhuǎn)過程來促進(jìn)聚四氟乙烯粉末聚集。之后須蒸發(fā)掉聚四氟乙烯樹脂中的有機(jī)溶劑，然后對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)處理，最終可經(jīng)篩分獲得聚四氟乙烯造粒料。工藝流程如圖1所示。

圖1 PTFE濕法造粒工藝流程

1.2 聚四氟乙烯濕法造粒設(shè)備

造粒工藝關(guān)鍵過程在于碎混合造粒過程，此過程的控制直接關(guān)系到造粒成品的性能。筆者所在公司開發(fā)了一種用于濕法造粒的上蓋可翻轉(zhuǎn)的碎混合造粒一體式造粒機(jī)［10］，用于對(duì)濕物料進(jìn)行顆粒分解，充分混合與濕式滾動(dòng)造粒連續(xù)作業(yè)。主要包括底座、碎混箱、造粒機(jī)構(gòu)和上蓋等。碎混合造粒機(jī)構(gòu)由固連在底座上的柱形料筒和底部一個(gè)能轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤組成，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)由安裝在底座上的電機(jī)和傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)。碎混箱和料斗都安裝在上蓋上，兩者相通。碎混箱安裝在上蓋的下表面，料斗安裝在上蓋的上表面，兩者都可隨上蓋一起打開，上蓋蓋上時(shí)，碎混箱則位于轉(zhuǎn)盤的上方，濕物料從料斗中喂入，然后在碎混箱粉碎后落入轉(zhuǎn)盤中進(jìn)行滾轉(zhuǎn)造粒。滾動(dòng)造粒時(shí)，為了防止轉(zhuǎn)盤上的物料受離心力作用在料筒邊緣堆積，在上蓋兩側(cè)設(shè)置了兩個(gè)轉(zhuǎn)角可以調(diào)節(jié)的瓦形撥片，用于將物料撥向轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)中心。料筒上設(shè)計(jì)一個(gè)出料口，用于收集造粒好的粒料。上蓋連同附屬部件通過鉸鏈和限位裝置設(shè)計(jì)為可翻轉(zhuǎn)，上蓋與料筒間的夾角于一定角度范圍內(nèi)可在不同角度固定，便于檢查機(jī)內(nèi)狀況和清潔維修工作，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其工作原理有以下幾點(diǎn)。

圖2 造粒設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.2.1 物料碎混

物料碎混合造粒都位于料筒內(nèi)，其位置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。碎混箱位于料斗正下方，主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的內(nèi)軸、可旋轉(zhuǎn)的刀盤和安裝在刀盤上的旋轉(zhuǎn)刀片和旋轉(zhuǎn)葉片以及外圍的有孔濾網(wǎng)組成。碎混物料的關(guān)鍵部件刀盤、旋轉(zhuǎn)刀片和葉片結(jié)構(gòu)如圖4所示。

粗混后含溶劑的濕式物料由料斗喂入碎混箱，在碎混箱內(nèi)，刀盤帶動(dòng)刀盤上的旋轉(zhuǎn)刀片高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)落入的濕料施加沖擊力，把成塊狀的濕物料反復(fù)打散粉碎實(shí)現(xiàn)充分混合。刀盤底部安裝了一對(duì)斜面的旋轉(zhuǎn)葉片，隨刀盤一起旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)物料施加一個(gè)向上的作用力，使物料在受到刀片周向作用力而周向流動(dòng)的同時(shí)亦受到底部葉片軸向作用力而軸向流動(dòng)，使物料混合更加均勻。經(jīng)充分混合的、顆粒直徑符合要求的物料由濾網(wǎng)連續(xù)排出。

1.2.2 滾動(dòng)造粒

圖3 料筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 刀盤和旋轉(zhuǎn)刀片結(jié)構(gòu)

經(jīng)碎混箱篩網(wǎng)排出的物料落入料筒，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤工作面對(duì)于物料施加摩擦力，物料受到摩擦力的作用而滾動(dòng)，物料相互團(tuán)結(jié)黏合形成粒體，在粒體滾動(dòng)時(shí)同樣受到離心力的作用使粒體遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)中心時(shí)受到瓦形撥片的作用，粒體回復(fù)至轉(zhuǎn)盤工作面，物料在粒體表面繼續(xù)團(tuán)結(jié)黏合，粒體的體積不斷增大。調(diào)節(jié)瓦形撥片的轉(zhuǎn)角即可以調(diào)節(jié)瓦形撥片對(duì)于粒體的作用力，當(dāng)粒體離心力的分力不小于瓦形撥片對(duì)于粒體的作用力時(shí)，粒體脫離轉(zhuǎn)盤工作面由出料口出料完成造粒。造粒料的體積密度和平均粒徑可以通過控制轉(zhuǎn)盤的滾動(dòng)時(shí)間和撥片的角度來進(jìn)行調(diào)整和控制。圖5為滾動(dòng)造粒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 滾動(dòng)造粒結(jié)構(gòu)

1.2.3 清潔和維修

本設(shè)備還設(shè)計(jì)了上蓋可翻轉(zhuǎn)的功能，便于清潔內(nèi)部零部件表面和縫隙處的PTFE粉料，同時(shí)也方便檢查和更換內(nèi)部零部件，減少清潔和維修作業(yè)時(shí)間。可翻轉(zhuǎn)上蓋結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，驅(qū)動(dòng)及限位裝置和蝸輪蝸桿減速器安裝在底座上，蝸輪蝸桿減速器動(dòng)力輸出端帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪通過鏈條帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使上蓋以傳動(dòng)軸為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至目標(biāo)角度。利用蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)時(shí)小輸入轉(zhuǎn)矩、大輸出轉(zhuǎn)矩的特性和良好的自鎖性能，可以使蝸輪蝸桿減速器的動(dòng)力輸出軸在任一轉(zhuǎn)角固定，也可將上蓋復(fù)位。

圖6 可翻轉(zhuǎn)上蓋結(jié)構(gòu)

2 聚四氟乙烯濕法造粒料特性及產(chǎn)品性能

采用濕法造粒設(shè)備，筆者對(duì)比了聚四氟乙烯未造粒的細(xì)粉料和造粒料的外觀形貌和物理性能。原料采用晨光懸浮細(xì)粉料CGM-16F。聚四氟乙烯濕法造粒料相比于未造粒的細(xì)粉料具有優(yōu)良的特性,造粒料和未造粒的細(xì)粉料性能如表1所示，其外觀形貌如圖7所示。

從圖7和表1可看出，PTFE造粒料的粒子形狀更為規(guī)則，外觀表現(xiàn)為粒狀的小球，且分布較均勻。從物理性能對(duì)比來看，PTFE造粒料的體積密度、平均粒徑和流動(dòng)性有很大提高，相比于未造粒的細(xì)粉料具有優(yōu)良的特性，加工流動(dòng)性好，充模性能優(yōu)異，制品的外觀也相對(duì)較為優(yōu)良。

3 結(jié)語

近年來，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)聚四氟乙烯制造工藝和制造設(shè)備的深入研究，滿足多種加工工藝和自動(dòng)化成型設(shè)備的需求，濕法造粒技術(shù)得到廣泛的關(guān)注。采用濕法碎混合造粒的一體化濕法造粒設(shè)備得到的聚四氟乙烯造粒料的粒徑和體積密度顯著提高，具有優(yōu)異的流動(dòng)性優(yōu)良的表面形貌和物理性能，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率。隨著下游聚四氟乙烯應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，目前發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本，歐洲等國(guó)家開發(fā)生產(chǎn)的聚四氟乙烯造粒料及產(chǎn)品的品級(jí)較多［11］，而國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展卻相對(duì)滯后。因此，設(shè)計(jì)多品級(jí)、高性能的聚四氟乙烯造粒料和自動(dòng)化程度較高的造粒設(shè)備和后道成型加工設(shè)備，是未來研究和發(fā)展的一個(gè)重要方向。

圖7 PTFE未造粒料和造粒料外觀形貌

表1 造粒料與細(xì)粉料性能對(duì)比