聚四乙烯(英文全称:Polytetrafluoroethylene,英文缩写:Teflon、PTFE、F4,中文别称:特氟龙),俗称“塑料王”,是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物,分子式为(C2F4)n。
聚四氟乙烯由罗伊·普朗克特于1936年研究
氟利昂的代用品时偶然发现,早期用于
原子弹、炮弹等的防熔密封垫圈,1948年实现工业化生产。
第二次世界大战结束以后的40多年里,聚四氟乙烯被用来解决一些关键的技术问题。聚四氟乙烯外观呈白色粉状或粒状半透明结晶,不溶于强酸、
强碱以及有机
溶剂。其
表面张力极小,不会粘附任何物质,拥有良好的非粘着性与绝缘性。另外,聚四氟乙烯还具有良好的耐热性、耐候性和耐
化学腐蚀性。除熔融
钠和
液氟外,能耐其他一切化学药品,包括强酸、强碱、
王水、
强氧化剂的腐蚀。聚四氟乙烯适宜用于既要耐高温又要有良好的化学稳定性和介电性能的场合,主要用于电子技术、航空、
化学工业、冷藏工业、机械工业、食品工业和医药工业等方面。
2017年10月27日,
世界卫生组织国际癌症研究机构对外公布了致癌物清单,其中聚四氟乙烯被列入3类致癌物清单之中。
历史沿革
氟树脂之父罗伊·普朗克特1936年在美国
杜邦开始研究
氟利昂的代用品时偶然发现了大量的白色粉末,即聚四氟乙烯。早期用于
原子弹、炮弹等的防熔密封垫圈,1948年实现工业化生产。
第二次世界大战结束以后的40多年里,各工业发达的国家由于在原子弹、
宇宙航行等尖端技术以及民用工业方面的迫切需要,聚四氟乙烯被用来解决一些关键的技术问题。美国的月球飞船
阿波罗飞船上使用了金属基氟塑料自润滑轴承。民用方面,
意大利生产的
菲亚特汽车公司汽车上也使用聚四氟乙烯与其它材料合成的轴承。
中国于1958年开始试制聚四氟乙烯
没药树,1961年进行中间规模的生产,1965年正式投产。2017年10月27日,
世界卫生组织国际癌症研究机构对外公布了致癌物清单,其中聚四氟乙烯被列入3类致癌物清单之中。
理化性质
物理性质
外观呈白色粉状或粒状半透明结晶,结晶度为90%~95%。聚四氟乙烯存在两个相转变点,第一个
相变在约19℃,第二个转变(包括结晶相)发生在约30℃。其
熔点达327℃,
沸点为400℃,即便处于低温环境也不会变脆,在-196℃至260℃的较广温度范围内均保持优良的力学性能。其
折射率为1.35,固体状态下密度处于2.1~2.3g/cm³之间。它不具备吸湿特性,并且不会溶于强酸、
强碱以及有机
溶剂(包括
氟锑磺酸)。其
表面张力极小,不会粘附任何物质,拥有良好的非粘着性与绝缘性。
化学性质
聚四氟乙烯具有良好的耐热性、耐候性和耐
化学腐蚀性。除熔融
钠和
液氟外,能耐其他一切化学药品,包括强酸、强碱、
王水、
强氧化剂的腐蚀。在水中煮沸也不起变化。不受强酸和强碱影响。耐热性好,工作温度250~269℃,加热至415℃时,即缓缓分解,高温裂解时聚
四氟乙烯主要解聚为四氟乙烯,还产生少量剧毒的副产物
碳酰氟和
八氟异丁烯。
全氟碳化合物中碳一碳键和碳一氟键的断裂需要分别吸收能量346.94kJ/
摩尔和484.88kJ/mol,聚四氟乙烯解聚生成1mol四氟乙烯仅需能量171.38k]。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,其电性能和力学性能均明显下降。
合成方法
工业上,聚四氟乙烯的合成主要采用悬浮聚合和乳液聚合的方法。
悬浮聚合法
将
四氟乙烯自贮槽以
气相进入加有水、
引发剂(
过硫酸铵和
过硫酸钾)、活化剂(
盐酸)的
耐酸钢聚合釜中,于30~50℃,0.5~0.7MPa压力下进行聚合,聚合时间1~2h。悬浮法制备的聚四氟乙烯树脂分为三类:微粉末、造粒料以及预烧结料。
乳液聚合法
将四氟乙烯
单体自贮槽以气相进人加有水、引发剂(过硫酸铵和过硫酸钾)、
乳化剂(全辛酸铵)的不锈钢聚合釜中,于20~25℃、2MPa压力下进行聚合。反应结束后,所得分散液经搅拌、凝聚、洗涤、干燥后得到粒度比悬浮聚合时更小的粉状
没药树。
加工方法
聚四氟乙烯既不能熔融加工,也不能溶解加工,通常聚四氟乙烯可采用模压成型、挤出成型、涂覆成型和压延成型加工。模压成型是聚四氟乙烯大量采用的成型加工方法,模压成型中,室温下加压10~100MPa,保压一段时间,进行预成型,然后将毛坏放入加热炉中,以一定的温度升温至360~380℃进行烧结,烧结时间以制品透明和半透明为度。挤出成型用于制备大直径厚壁制品,根据物料输送方式分为柱塞挤出成型和螺杆挤出成型。柱塞式挤出成型利用柱塞上下运动分批将聚四氟乙烯送入加热到370~380℃挤出料筒中,进行烧结和冷却,得到连续长度的管、棒等型材。涂覆成型采用喷涂法和浸渍法进行涂覆成型。压延成型用筒压延法制成不同厚度的薄膜,可分为挤出压延法和直接压延法。
包装储运
包装
聚四氟乙烯
没药树应包装在内衬密封的
聚乙烯塑料袋里,外套聚氯乙烯塑料袋,再装入硬质桶内。液体聚四氟乙烯用聚乙烯塑料桶包装。
储运
聚四氟乙烯树脂应储存于阴凉、干燥、通风的库房内,不能露天储存,储存库温不超过30℃,相对湿度保持在80%以下为宜。聚四氟乙烯树脂不可受潮或受日光直接照射。运输时要轻装轻卸,防止包装破损。要经常检查物资是否发生异状等现象。储存期限以一年为宜。如失火可用水、砂土和各种灭火机扑救。
毒性与防护
聚四氟乙烯无毒害,具有生理惰性。由于高温裂解时产生剧毒的副产物
碳酰氟和
八氟异丁烯,使用时注意安全防护并防止聚四氟乙烯接触明火,不粘炊具必须要在低于260℃温度时使用。其生产加工助剂
全氟辛酸(Perfluorooctanoic Acid,PFOA,或称为“
碳八芳烃”)有毒,为2B类致癌物,PFOA会残留于人体短至四年,长达半生的时间,可以导致
肾癌、睾丸癌、溃疡性结肠炎、高胆固醇、先兆
子痫等。
应用领域
聚四氟乙烯适宜用于既要耐高温又要有良好的
化学稳定性和介电性能的场合,主要用于电子技术、航空、
化学工业、冷藏工业、机械工业、食品工业和医药工业等方面。
在耐腐蚀方面的应用
聚四氟乙烯涂料具有强烈的生理惰性,除了个别介质,如氟化介质、熔融
强碱和熔融的
碱金属以外,几乎不受任何化学品,如强酸、强碱、
强氧化剂、
还原剂和有机
溶剂的腐蚀,可以有效保护零件免遭各种侵蚀。因此,聚四氟乙烯可用来制造各种化工机械零件,如管子、软管、薄壁
烧杯、反应器、活门、阀门、隔膜、泵、蓄电瓶嵌件和伸缩接头等。
电工及无线电技术制品
聚四氟乙烯因具有实际上不受温度和频率影响的介电性能,又具有极高的热稳定性,所以成了一种无可替代的绝缘材料,特别是在高频和超高频技术方面。
减磨、密封零件方面的应用
聚四氟乙烯可用来制造各种垫圈和密封填料,如
石棉浸渍聚四氟乙烯填料板、缓冲环、密封圈、阀座、阀瓣以及加料计量器中的独立零件等。此外,还可用来制造各种自润滑、且耐磨的轴承,活塞环等。聚四氟乙烯喷涂在制造
ep和
PF产品的模具表面,可以解决产品粘模、不易脱模的问题,能延长模具的使用时间,如鞋底、轮胎和橡胶手套的模具等。
医药工业上的应用
由于聚四氟乙烯对生理过程没有任何影响,而且能够采用任何方法消毒,故可以用于外科修整手术,如用作代用血管、人工心肺装置等,还可用来制作消毒保护器等。聚四氟乙烯薄膜因有惰性及耐水性,所以可用来包装特别贵重的药品。在医疗器械上,涂装经认证可用于医药或保健器械上的聚四氟乙烯,可避免医药与传输器械直接接触,减小
表面张力和导电度,如针管、滴液器具和医疗设备部件的涂层。
在食品工业中的应用
由于聚四氟乙对脂肪、油类、水分、酸类等具有高度惰性及完全无臭的性质,因而可以用于任何条件下的
食品加工而不会使食品败坏。由于聚四氟乙烯对任何粘性物质没有粘着力,所以可用作食品加工用的子的涂层。
四氟乙烯还可喷涂于各式家庭厨具的表面,能减少食品、油脂和污垢聚集,达到容易清洗和提高食品品质的目的,如制作炒锅、煎锅、
烤饼盘和各种糕点的模具等。聚四氟乙烯烹调器具在常温下是无毒的,但在温度达到260℃之后会发生化学变化,高于350℃时开始分解,若将空的烹调器具放置于炉火上,就很容易超出这个温度,会破坏涂层并产生有害物质。