聚四氟乙烯材料基礎(chǔ)性能研究

張震鋒，白曉萍，惠 偉

（西安西電開(kāi)關(guān)電氣有限公司，西安 710077）

1 聚四氟乙烯的結(jié)構(gòu)

聚四氟乙烯（PTFE）是白色臘狀的熱塑性塑料，具有高度的結(jié)晶性，熔點(diǎn)為327℃，熔點(diǎn)以上為透明狀態(tài)，幾乎不流動(dòng)。它不被通常的化學(xué)藥品侵蝕，僅被高溫高壓下的元素氟和熔融的堿金屬所作用，其分子結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱而且沒(méi)有支鏈的線型高分子，分子不具有極性，并且其分子結(jié)構(gòu)中碳氟鍵是所有化學(xué)鍵中鍵能最高的，斷開(kāi)需要較大的能量，具有高度的穩(wěn)定性；聚四氟乙烯晶態(tài)時(shí)為螺旋形結(jié)構(gòu)，揉曲性高；氟原子的半徑數(shù)值，可以把-C-C-鍵主鏈覆蓋起來(lái)，氟原子殼保護(hù)著易受侵蝕的碳原子鏈，使PTFE耐化學(xué)藥品腐蝕性能優(yōu)良；PTFE有極強(qiáng)的碳-氟原子鍵，具有非常強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，同時(shí)與其他聚合物相比，它的熔融黏度也非常高[1-3]。

2 PTFE的性能

PTFE可在-250℃～260℃寬廣的溫度范圍內(nèi)使用，化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、阻燃性和耐候性優(yōu)異，吸水率極低，并具有自潤(rùn)滑性和不粘性等獨(dú)特的性能，是其他工程塑料所無(wú)法比擬，廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)設(shè)備中，通常用于導(dǎo)向支撐作用、耐磨、絕緣等方面，特別是作為斷路器滅弧室開(kāi)斷用的關(guān)鍵零件即噴口材料，其性能直接影響著斷路器的開(kāi)斷特性[4-8]。

研究PTFE材料以及填充劑的基礎(chǔ)性能，主要包括如下電性能：（1）介電性能：PTFE分子鏈結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，分子不帶極性，故具有良好的介電性能；（2）電阻：PTFE具有很高的體積電阻和表面電阻，表面電阻在不清潔的情況下會(huì)明顯降低；（3）耐電弧性：PTFE在電弧作用下分解為不導(dǎo)電的低分子氟碳化合物氣體，不炭化，在材料上并不殘留導(dǎo)電性物質(zhì)；（4）純的聚四氟乙烯的主要性能、指標(biāo)以及試驗(yàn)方法如表1所示[6]。

表1 聚四氟乙烯的主要性能、指標(biāo)以及方法

3 聚四氟乙烯填充劑

PTFE材料屬于結(jié)晶型高分子化合物，具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，但當(dāng)它們吸收能量溫度上升后，會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變、松弛和分解等現(xiàn)象，影響其綜合性能。為了進(jìn)一步提高PTFE材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性能、耐高溫以及耐燒蝕性能等，須對(duì)PTFE進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男裕砑犹畛鋭┚褪且环N簡(jiǎn)單有效的改性方法，在PFTE中加入不同的填充劑，可使其物理以及力學(xué)性能明顯改善。

（1）玻璃纖維：外觀呈白色，具有良好的力學(xué)性能、耐磨耗性、尺寸穩(wěn)定性及介電性能，耐強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑，但不耐氟輕酸及堿，導(dǎo)熱性差。玻璃纖維在水中不耐磨。

（2）石墨：呈鐵黑色至鋼灰色，具有良好的導(dǎo)電性、可塑性、潤(rùn)滑性，耐化學(xué)腐蝕，尤其能耐腐蝕性氣體的腐蝕，但不耐強(qiáng)氧化劑，耐磨性也較差。

（3）二硫化鉬：黑色稍帶銀灰色粉末，有金屬光澤；溶于濃硫酸、濃硝酸和王水，它的摩擦系數(shù)較低，具有較好的分散性，導(dǎo)熱性好，加入后能增加制品表面的硬度；是一種光吸收材料，加入PTFE后吸熱均勻、分解均勻且僅限入表層，不會(huì)在內(nèi)層產(chǎn)生崩爆，因此主要應(yīng)用于滅弧的噴口材料。

（4）碳纖維：由合成纖維在特定高溫條件下處理而得，具有優(yōu)良的耐高溫性能，導(dǎo)熱性、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕等性能。碳纖維不耐強(qiáng)氧化劑，但可提高聚四氟乙烯制品在空氣或水中的耐磨性。具有良好的抗蠕變性，使用碳纖維時(shí)，拉伸強(qiáng)度比石墨更加優(yōu)良。增加碳纖維后，具有抗高溫以及耐燒蝕的作用，電弧分解物具有很好的絕緣性能，有助于介電性能的恢復(fù)，具有很高的電壽命，廣泛應(yīng)用于斷路器滅弧的噴口材料。

4 試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)選擇如表2所示的16種材料類型。試驗(yàn)材料由不同的廠家提供，分別稱為廠家A、廠家B、廠家C，試樣的種類、材料要求以及形狀見(jiàn)表2。

表2 試樣的材料要求及其形狀

5 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)所提供的試驗(yàn)樣片，分別從添加物的含量、密度、拉伸強(qiáng)度、體積電阻、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、介電常數(shù)、耐電弧燒蝕深度等方面進(jìn)行研究。

5.1 添加物含量測(cè)試

采用熱失重法測(cè)量添加物含量，結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，三家公司提供的樣品成分含量雖有差異，但曲線趨勢(shì)相似。

圖1 添加物含量測(cè)量結(jié)果

5.2 密度檢測(cè)

圖2為密度測(cè)量結(jié)果。從圖2可知，填料的加入對(duì)密度有明顯影響。隨著Al2O3填料加入比例增加，密度明顯提高；隨著碳纖維填料加入比例增加，密度降低趨勢(shì)明顯；其他填料的加入比例，對(duì)密度的影響不大。

圖2 密度測(cè)量結(jié)果

5.3 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

圖3為拉伸強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果。從圖3可知，填料的加入，會(huì)降低聚四氟乙烯材料的拉伸強(qiáng)度；各種填料相比，石墨的添加對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響明顯，降低幅度最大；同種填料，隨著填料比例的增大，拉伸強(qiáng)度呈明顯的下降趨勢(shì)。

圖3 拉伸強(qiáng)度結(jié)果

5.4 拉斷伸長(zhǎng)率試驗(yàn)

圖4為拉斷伸長(zhǎng)率測(cè)量結(jié)果。從圖4可知，填料的加入，會(huì)降低聚四氟乙烯材料的拉伸強(qiáng)度；各種填料相比，石墨的添加對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響更大；同種填料，隨著添加比例的增大，拉伸強(qiáng)度呈明顯的下降趨勢(shì)。

圖4 拉斷伸長(zhǎng)率結(jié)果

5.5 老化后拉伸強(qiáng)度變化率試驗(yàn)

圖5為老化后拉伸強(qiáng)度變化結(jié)果。從圖5可知，老化后拉伸強(qiáng)度不但沒(méi)有降低，而且有增加趨勢(shì)。廠家A提供的樣品在14#點(diǎn)為負(fù)，變化率為降低趨勢(shì)，而且整個(gè)拉伸強(qiáng)度圖幅波動(dòng)較大，這種現(xiàn)象應(yīng)該與廠家提供的樣片翹曲，燒結(jié)后冷卻快有關(guān)相吻合。

圖5 老化后拉伸強(qiáng)度變化結(jié)果

5.6 老化后伸長(zhǎng)率變化率試驗(yàn)

圖6為老化后伸長(zhǎng)率變化結(jié)果。從圖6可知，老化后伸長(zhǎng)率不但沒(méi)有降低，而且有增加趨勢(shì)。廠家A的樣品在14#點(diǎn)為負(fù)，變化率為降低趨勢(shì)，而且整個(gè)圖幅波動(dòng)較大。這種現(xiàn)象應(yīng)與樣片翹曲，燒結(jié)后冷卻快有關(guān)相吻合。

圖6 老化后伸長(zhǎng)率變化結(jié)果

5.7 體積電阻的試驗(yàn)

圖7為體積電阻試驗(yàn)結(jié)果。從圖7可知，填料的加入會(huì)明顯影響試樣的體積電阻；同種填料添加比例增加，對(duì)體積電阻的降低影響趨勢(shì)增強(qiáng)；石墨的加入嚴(yán)重影響聚四氟乙烯體積電阻，由1014絕緣體等級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)?06導(dǎo)體等級(jí)，使聚四氟乙烯從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。

圖7 體積電阻試驗(yàn)結(jié)果

5.8 擊穿場(chǎng)強(qiáng)試驗(yàn)

圖8為擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從圖8可知，石墨和碳纖維的加入，會(huì)使試樣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯降低，尤其是石墨的加入，使聚四氟乙烯試樣從絕緣體轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。Al2O3、BN、MoS2、玻纖的加入比例不同，對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)沒(méi)有規(guī)律性影響。

圖8 擊穿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

5.9 介電常數(shù)試驗(yàn)

圖9為介電常數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。從圖9可知，石墨的加入，會(huì)使試樣的介電常數(shù)明顯降低。而Al2O3、BN、玻纖、碳纖維的添加比例增加，介電常數(shù)有明顯的上升趨勢(shì)。

圖9 介電常數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

5.10 耐電弧燒蝕深度試驗(yàn)

圖10為耐電弧燒蝕深度試驗(yàn)結(jié)果。從圖10可見(jiàn)，加入15%Al2O3后，耐電弧燒蝕深度較大。添加7%BN后，耐電弧燒蝕深度較小，耐電弧燒蝕性能優(yōu)良。

圖10 耐電弧燒蝕深度試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

（1）在需要絕緣性能的場(chǎng)合，建議選用添加Al2O3、BN、MoS2的 PTFE材料，不能選取添加石墨的PTFE材料。

（2）使用場(chǎng)合對(duì)力學(xué)性能、耐磨耗性、尺寸穩(wěn)定性及介電性能要求高者，建議選用添加玻璃纖維的PTFE材料。

（3）對(duì)于需要導(dǎo)熱性優(yōu)良、制品表面硬度要求高的場(chǎng)合，建議選用添加MoS2的PTFE材料。

（4）對(duì)于需要耐高溫性能、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕且對(duì)導(dǎo)熱性有要求的使用場(chǎng)合，建議選用添加碳纖維的PTFE材料。