聚四氟乙烯纖維的制備方法及應(yīng)用研究

李佳寧，劉明月，馬建偉

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071)

聚四氟乙烯(PTFE)又稱特氟隆(Teflon)，有“塑料王”的美稱，聚四氟乙烯特殊的分子結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的性能：廣泛的使用溫度范圍，聚四氟乙烯長時間使用溫度為-190 ℃～260 ℃；突出的不沾性與潤滑性，聚四氟乙烯纖維在現(xiàn)有的合成纖維中表面張力最小，摩擦因數(shù)最低，不黏附物質(zhì)，潤滑性高；絕緣性能好，是高度的非極性材料，有突出的介電性且電阻大；化學(xué)穩(wěn)定性能佳，聚四氟乙烯纖維的化學(xué)穩(wěn)定性極好，對絕大多數(shù)的化學(xué)藥品和溶劑表現(xiàn)出惰性；良好的阻燃性，聚四氟乙烯纖維的極限氧指數(shù)高達95%，可在高溫環(huán)境中有效控制火焰的蔓延；優(yōu)異的耐老化性能，對紫外線穩(wěn)定，室外暴露15年后，聚四氟乙烯纖維力學(xué)性能未發(fā)生明顯變化。聚四氟乙烯纖維的優(yōu)良特性，使其成為解決科研、軍工和民用等領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)和提高生產(chǎn)技術(shù)水平不可缺少的重要材料。目前聚四氟乙烯纖維在化工、石油、紡織、醫(yī)療、機械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1 聚四氟乙烯纖維制備方法

聚四氟乙烯纖維工業(yè)化生產(chǎn)始于1954年，由美國杜邦公司研發(fā)，是最早工業(yè)化的特種合成纖維。奧地利Lenzing公司于20世紀70年代成功開發(fā)出聚四氟乙烯膜裂纖維[1]。目前制備聚四氟乙烯纖維紡絲方法主要有載體紡絲法、糊料擠出紡絲法、靜電紡絲法、切割膜裂法等。

1.1 載體紡絲法

載體紡絲法分為干法紡絲、濕法紡絲兩種方法。載體紡絲法主要原理是借助如黏膠、聚乙烯醇等成纖性聚合物為載體來進行紡絲，經(jīng)過高溫燒結(jié)后使載體炭化，這樣便能夠去除成纖聚合物，使聚四氟乙烯顆粒得到充分熔融、黏結(jié)，最后得到聚四氟乙烯纖維。載體紡絲法的工序簡單且工藝成熟、制備出的纖維線密度均勻，但是有載體用量、損耗比較大、紡絲原液不穩(wěn)定的缺點。

1.2 海島纖維紡絲法

海島纖維紡絲法[2]的原理是首先將兩種不相容的物質(zhì)混合得到共混物，聚四氟乙烯為島狀物質(zhì)，PVA水溶液作為用于促進拉伸的基質(zhì)，在拉伸后最終步驟中被去除。將共混物在80 ℃烤箱中干燥3小時，再熱壓成一層1 mm厚的薄膜，然后切成條狀，并用鉗子在熱板上拉成膠帶，最后使用80 ℃的熱水進行磁力攪拌，從膠帶上去除PVA后，再經(jīng)過濾、漂洗等步驟除去聚四氟乙烯纖維表面的殘留物，獲得聚四氟乙烯納米纖維，但此種方法有生產(chǎn)效率低的缺點。

1.3 靜電紡絲法

靜電紡絲技術(shù)[3]是一種工藝簡單的微米纖維、納米纖維制備技術(shù)。靜電紡絲技術(shù)的原理為在靜電場的作用下將聚合物溶液或者熔體進行噴射紡絲，從而在基體上固化成膜，可以制備出直徑很細的納米纖維。由于聚四氟乙烯有溶解度低、熔體粘度高等特性，采用靜電紡絲的方式較為困難，于是常采用其它聚合物與聚四氟乙烯共混的方式來實現(xiàn)紡絲。靜電紡絲法生產(chǎn)過程的優(yōu)點為工藝簡單、纖維均一性高、成本低、流程短、可以制備超細纖維，有廣泛的應(yīng)用前景，但是該方法產(chǎn)量較低、產(chǎn)業(yè)化較困難、難以制備純聚四氟乙烯纖維。

1.4 膜裂法

膜裂法[4]由奧地利Lenzing公司于20世紀70年代初開發(fā)并工業(yè)化，膜裂法紡絲的大體工藝流程為：首先將粉末狀的聚四氟乙烯加工成圓柱形的坯體，再用壓延的方式將坯體加工成具有一定厚度的薄膜，然后用鋸齒刀或者針輥將薄膜切割成一定寬度的窄條，再經(jīng)過加熱拉伸操作，最終得到聚四氟乙烯纖維。膜裂法紡絲具有工藝簡單無污染、纖維強度高、纖維具有微孔結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，且膜裂法制備聚四氟乙烯纖維過程環(huán)保、加工效率高，制品力學(xué)性能可控度較高，品種和規(guī)格較多，包括不同粗細、形狀、致密程度的縫紉線、長絲和短纖等。膜裂法的主要不足之處是工藝對溫度的要求比較高，且生產(chǎn)出來的聚四氟乙烯纖維粗細均勻度較差、纖維較粗、纖維截面形狀多為扁圓形。

從用途來看，膜裂法聚四氟乙烯短纖維大量應(yīng)用在高溫空氣過濾領(lǐng)域，膜裂法長纖維主要應(yīng)用于高溫空氣過濾材料用增強基布，膜裂法縫紉線主要應(yīng)用于高溫空氣過濾用濾袋縫合，膜裂法長絲則用于填料密封用盤根等領(lǐng)域。

2 聚四氟乙烯纖維的應(yīng)用

2.1 聚四氟乙烯纖維在過濾領(lǐng)域的應(yīng)用

由于聚四氟乙烯纖維在高溫下力學(xué)性能較好，可以長期在260℃及以下高溫使用，溫度280 ℃時也可以短期使用，因此可以作為高溫粉塵過濾材料。利用聚四氟乙烯短纖制備的袋式除塵濾袋具備耐酸、堿性強，抗氧化性能、耐腐蝕性能優(yōu)異的特性；聚四氟乙烯長絲經(jīng)工藝制備的纖維網(wǎng)布，與磺酸樹脂復(fù)合形成離子交換膜，是氯堿工程的關(guān)鍵材料。聚四氟乙烯纖維的表面能較低，也可以用于自清潔過濾介質(zhì)領(lǐng)域，如發(fā)動機和燃氣輪機的進氣系統(tǒng)都可以采用自清潔過濾器，以防止高濃度粉塵帶來的不利影響。LONG J等人[5]通過采用濕法紡絲制備了新型的聚四氟乙烯/纖維素纖維復(fù)合介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯纖維所占百分比較高的復(fù)合介質(zhì)更容易分散顆粒，提高自清潔性能。

2.2 聚四氟乙烯纖維在石油工業(yè)的應(yīng)用

聚四氟乙烯具有優(yōu)異的性能，可應(yīng)用于石油工業(yè)領(lǐng)域的諸多方面。在靜密封方面，設(shè)備接觸面的密封系統(tǒng)里常采用聚四氟乙烯共混復(fù)合材料作為靜密封件。在動密封方面，常采用以聚四氟乙烯懸浮樹脂為基體的聚四氟乙烯共混復(fù)合材料。在潤滑減摩方面，聚四氟乙烯可以添加到潤滑油中作為減摩改性劑，也可以作為稠化劑對潤滑油進行稠化改性。在油水分離方面，聚四氟乙烯常用于原油脫水問題處理以及含油廢水問題的處理[6]。

2.3 聚四氟乙烯纖維在醫(yī)療材料的應(yīng)用

近年來，聚四氟乙烯纖維在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸拓展，如人工心臟瓣膜、人造韌帶、人造食道、人造血管、普通外科和整容外科的手術(shù)縫合等生物醫(yī)用材料方面。聚四氟乙烯纖維本身沒有毒性，化學(xué)惰性良好，并且生物相容性很強，因此機體不會對其產(chǎn)生排斥，對人體沒有生理副作用，且由于聚四氟乙烯纖維耐化學(xué)腐蝕強，因此可以使用任意方法對其進行消毒[7，8]。王祥花等人[9]發(fā)現(xiàn)，因聚四氟乙烯人造血管具有抗血栓性能好，生物相容性良好，內(nèi)徑和長度可調(diào)節(jié)，能夠承受較大的動脈壓力且血管不易塌陷、彎曲，硬度適宜，因此聚四氟乙烯人造血管可用于血液透析患者再建透析通路。

2.4 聚四氟乙烯纖維在建筑的應(yīng)用

通常情況下，建筑工程中的膜材料通常有兩大類，一是以聚四氟乙烯薄膜為代表的非織物類膜材，另一種是以聚四氟乙烯涂層玻璃纖維織物以及涂層覆蓋聚酯纖維織物為代表的織物類膜材。利用聚四氟乙烯纖維制成的膜結(jié)構(gòu)材料透光性好，對于照明及空調(diào)等費用的節(jié)約有很大幫助，且表面系數(shù)低、不易積灰，耐老化性能好、使用壽命更加長久，常用作體育館、室外競技場、大型展會等屋頂材料[10，11]。

2.5 聚四氟乙烯在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

聚四氟乙烯纖維在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下幾個方面：利用聚四氟乙烯纖維的高彎曲疲勞性能，與其它高性能纖維進行混合，制備用于起重作業(yè)的高張力、高彎曲應(yīng)力高性能繩索[10]。醫(yī)用多功能防護服的隔離層常采用聚四氟乙烯復(fù)合材料，其對血液、病毒都有很好的隔離作用，且具有抗菌、防水、阻燃透濕等優(yōu)良的性能。宇航服對于材料的要求很高，需要滿足耐壓、質(zhì)輕、耐老化等特性，而聚四氟乙烯纖維織物通常可以作為宇航服的防撕裂層和限制層[8]。

3 結(jié)語

聚四氟乙烯纖維具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，在過濾、石油、醫(yī)療、建筑、紡織等領(lǐng)域中都有所應(yīng)用。逐步完善聚四氟乙烯纖維的加工工藝及加工設(shè)備，改善纖維細度、性能上的缺陷，是聚四氟乙烯纖維的重要研發(fā)趨勢。