衬聚全氟乙丙烯塑料阀（FEP）性能

　　衬聚全氟乙丙烯塑料阀（FEP）性能
　　
　　上海申弘阀门有限公司
　　
　　摘要介绍了聚全氟乙丙烯塑料（FEP）的性能，成型工艺方法，总结了氟塑料衬里过程中容易出现的几种问题，提出了相应的解决方案。氟化乙烯丙烯共聚物（全氟乙烯丙烯共聚物）英文商品名：Teflon*FEP(Fluorinatedethylenepropylene)FEP是四氟乙烯和六氟丙烯共聚而成的。FEP结晶熔化点为580F，密度为2.15g/CC（克/立方厘米），它是一种软性塑料，其拉伸强度、耐磨性、抗蠕变性低于许多工程塑料。它是化学惰性的，在很宽的温度和频率范围内具有较低的介电常数（2.1）。
　　
　　关键词：聚全氟乙丙烯塑料；阀门；衬里工艺
　　
　　1.概述
　　
　　氟塑料衬里阀门大特点是过流面采用氟塑料蔽覆，以隔绝钢铁金属与强腐蚀性介质的直接接触。这样既解决了氟塑料强度低，不能承受高压力的问题，又解决了钢铁材料不耐腐蚀的问题，而且合理地利用了资源，符合国家节能降耗的产业政策，因而得到迅速的发展。上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,波纹管减压阀,活塞式减压阀,蒸汽减压阀,先导式减压阀,空气减压阀,氮气减压阀,水用减压阀,自力式减压阀,比例减压阀)、安全阀、保温阀、低温阀、球阀、截止阀、闸阀、止回阀、蝶阀、过滤器、放料阀、隔膜阀、旋塞阀、柱塞阀、平衡阀、调节阀、疏水阀、管夹阀、排污阀、排气阀、排泥阀、气动阀门、电动阀门、高压阀门、中压阀门、低压阀门、水力控制阀、真空阀门、衬胶阀门、衬氟阀门。在氟塑料衬里阀门的生产制造中，重要的是选用合适的氟塑料原料和制订合理的衬里工艺及模具设计，本文就此问题谈谈粗浅的看法。
　　
　　2.聚全氟乙丙烯塑料的性能
　　
　　在氟塑料衬里阀门中，氟塑料用量多的是聚全氟乙丙烯，聚全氟乙丙烯是四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，又称氟塑料46，简称FEP。
　　
　　通常四氟乙烯占83％，六氟丙烯占17％。FEP是*氟化的聚合物，它是为克服PTFE成型加工困难而开发的一种改性新型氟塑料。其结构形式：
　　
　　FEP的合成一般采用三氯乙酰过氧化物为催化剂，对四氟乙烯和六氟丙烯进行本体共聚；也可用过硫酸铵、焦磷酸钠为催化剂，在55～64℃内进行悬浮聚合。FEP是一种直链的高分子化合物，可视为PTFE中一部分与主链碳原子相连的氟原子被三氟甲基（－CF3）取代，分子排列混乱非常不规整，结晶速度缓慢，结晶度多为40％～47％。它可看作是无规共聚物。熔体的粘度较低，可用一般热塑性塑料的方法对其成型加工，从而克服了PTFE?成型困难的缺点。但是FEP的分子中也都是由碳氟两种元素以共价键结合而成，所以它的性能又与PTFE基本相同。
　　
　　该材料不引燃，可阻止火焰的扩散。它具有优良的耐候性，摩擦系数较低，从低温到392F均可使用。该材料可制成用于挤塑和模塑的粒状产品，用作流化床和静电涂饰的粉末，也可制成水分散液。半成品有膜、板。棒和单纤维。美国市场经销的FEP有DUIPont公司的Teflon牌、Daikin公司的Neoflo牌、HoechstCelanese公司的IHoustaflow牌。其主要的用途是用于制作管和化学设备的内衬、滚筒的面层及各种电线和电缆，如飞机挂钩线、增压电缆、报警电缆、扁形电缆和油井测井电缆。FEP膜已见用作太阳能收集器的薄涂层。
　　
　　聚全氟乙丙烯FEP或者F46，是四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，六氟丙烯的含量约15%左右，是聚四氟乙烯的改性材料。
　　
　　F－46树脂既具有与聚四氟乙丙烯相似的特性，又具有热塑性塑料的良好加工性能。F－46树脂和聚四氟乙丙烯一样，也是*氟化的结构，不同的是聚四氟乙烯主链的部分氟原子被三氟甲基（－CF3）所取代，结构式如下：
　　
　　由此可见，F－46树脂和聚四氟乙烯虽都由碳氟元素组成，碳链周围*被氟原子包围着，但F－46其大分子的主链上有分支和侧链。这种结构上的差别对于材料在应力下的温度范围上限来看，无很大影响，F－46的上限温度为200℃，而聚四氟乙烯的高使用温度是260℃。但是，这种结构上的差别，却使F－46树脂具有相当确定的熔点，并可用一般的热塑性加工方法成型加工，使加工工艺大为简化。这是聚四氟乙烯所不具备的。这便是用六氟丙烯改性聚四氟乙烯的主要目的。根据加工需要，F－46可分为粒料、分散液和漆料三种。其中，粒料按其熔融指数的不同，可供模压、挤出和注射成型用；分散液供浸渍烧结用；漆料供喷涂等用。
　　
　　F－46中六氟丙烯的含量对共聚体的性能是有一定的影响。当前生产的F－46树脂的六氟丙烯的含量，通常在14%－25%（质量分数）左右。
　　
　　1物理性能
　　
　　F－46树脂的分子量测定，当前尚无可行的方法。但它在380℃时的熔融粘度要比聚四氟乙烯低，为103－104Pa．s。可见F－46的分子量比聚四氟乙烯低得多。
　　
　　F－46的熔点随共聚体的组分不同而有一定的差异，共聚体中六氟丙烯的含量的增加时，熔点变低。按差热分析法所测得的结果，国产F－46树脂的熔点大多在250－270℃之间，比聚四氟乙烯低。
　　
　　F－46树脂是一种结晶性高聚物，结晶度比聚四氟乙烯低一些，当F－46熔体缓慢冷却到晶体熔点以下温度时，大分子重行结晶，结晶度在50%－60%之间；当熔体以淬火方式迅速冷却时，结晶度较小，在40%－50%之间。F－46的晶体结构形态，均为球晶结构，并随树脂和加工成型温度及热处理方式的不同而有一定的差异。
　　
　　2电绝缘性能
　　
　　F－46的电绝缘性能和聚四氟乙烯十分相近。它的介电系数从深冷到高工作温度，从50Hz到1010Hz超高频的广阔范围内几乎不变，并且很低，仅2．1左右。介质损耗角正切随频率的变化则有些变化，但随温度变化不大。
　　
　　F－46树脂的体积电阻率很高，一般大于1015Ω·m，且随温度变化甚微，也不受水和潮气的影响。耐电弧大于165s。
　　
　　F－46的击穿场随厚度的减少而提高，当厚度大于1mm时，击穿场强在30kV/mm以上，但不随温度的变化而变化。
　　
　　3热性能
　　
　　F－46树脂的耐热性能仅次于聚四氟乙烯，能在－85－+200℃的温度范围内连续使用。即使在－200℃和+260℃的极限情况下，其性能也不恶化，可以短时间使用。
　　
　　F－46树脂的热分解温度高于熔点温度，在400℃以上才发生显著的热分解，分解产物主要是四氟乙烯和六氟丙烯。由于F－46大分子通常带有的等端基在熔点以上温度时也会分解，因此300℃以上进行加工时也必须注意适当的通风。F－46在熔点温度以下是相当稳定的，但在200℃高温下机械强度损失较大。图2是F－46树脂的熔融指数在恒温下的瞬间变化情况，熔融指数表示F－46在372℃，5000g重力下，10min内流过规定孔径的克数，因此，可用熔融指数的增加来分析熔体粘度的减少及共聚物发生热分解的情况。图3是F－46与F－4绝缘电线相比较的寿命曲线。
　　
　　F－46在－250℃时仍不定期完硬脆，还保持有很小的伸长率和一定的曲挠性，比聚四氟乙烯甚至更好些，是其他所有各类塑料所不及的。
　　
　　4耐化学稳定性
　　
　　F－46的耐化学稳定性与聚四氟化乙烯相似，具有优异的耐化学稳定性。除与高温下的氟元素、熔融的碱金属和三氟化氯等发生反应外，与其他化学药品接触时均不被腐蚀。
　　
　　5力学性能
　　
　　F－46与聚四氟乙烯相比，硬度及抗拉强度略有提高，摩擦系数也比聚四氟乙烯略大。常温下，F－46具有较好的耐蠕变性能；但当温度高于100℃时，耐蠕变性能反而不及聚四氟乙烯。
　　
　　6其他性能
　　
　　F－46树脂在大气中抗氧化性能非常好，耐大气稳定性高。F－46的耐辐照性要比聚四氟乙烯好，略逊于聚乙烯。在空气中和室温下，F－46开始出现性能变化的小吸收剂量为105－106rad?既103－104Gy，故可作耐辐照材料使用。
　　
　　F－46具有较好的加工工艺性能。可采用通常的挤出法包覆电线电缆的绝缘层。为了正确设计挤出机和模具，控制和掌握F－46树脂的加工条件，首先应了解F－46的流变性能。F－46在390℃温度下剪切应力与剪切速率的关系。其粘度μA随剪切速率加而下降。F－46的临界剪切速率，如果剪切速率超过此数值，就会引起塑料流动的下均匀，结果使制品表面粗糙，无光泽和起层。F－46的临界剪切速率值与聚乙烯，尼龙相比相差悬殊，因而熔融破裂问题尤为严重。
　　
　　F－46树脂在加工中有两个特征，即具有熔融破裂的倾向和熔融状态时有特高的可拉伸性。为了在电线电缆生产中尽量消除或改善熔融破裂和提高生产率，通常采取以下措施：
　　
　　*，采用挤管式模具，扩大模子的开口，以减慢聚合物在模口的流速，使之在低于临界剪切速率的适中挤出速度下挤出树脂，并提高生产率；
　　
　　第二，在不致使树脂分解的前提下，尽可能提高熔融树脂的温度，以降低树脂粘度，从而提高其临界剪切速率。
　　
　　FEP外观和手感类似聚乙烯，但相对密度大一倍多；性能与应用类似PTFE，使用温度比PTFE低50℃；硬度及强度较PTFE高，是标准的热塑性塑料。FEP相对密度为2.14～2.17，结晶度随热处理温度不同而有差异，若六氟丙烯占15％～16％的FEP，其熔融温度为288℃，Tg为130℃，使用温度为－88～250℃，脆化温度－90℃，分解温度＞400℃。FEP的其他性能见表1。表1FEP的性能性能
　　
　　指数拉伸强度/MPa（断裂、23℃）断裂伸长率（％）弯曲弹性模量/MPa洛氏硬度R体积电阻率/Ω·cm相对介电常数（60～106Hz）介电强度/Kv·mm-1介质损耗因数（106Hz）18.62～21.56250～330578.2～656.6251017～10182.120～245×104
　　
　　FEP是改性的PTFE，除使用温度低于PTFE约50℃外，其他都保持了PTFE的优良性能。它的大优点是成型加工性能好，可以进行压模、挤出、注射成型等。
　　
　　FEP有优异的性能，但亦存在着加工时热稳定性差、制品易产生开裂等缺点。针对这些缺点，可通过分子结构均匀性的调整，相对分子质量分布的控制，树脂的烘烤，水蒸汽处理，加入中性盐、碱式盐等，使羧基脱羧转化稳定的－CF2H的端基以及严格控制成型加工条件进行改性。亦可以玻璃粉、石墨、二氧化硅共混，制成各种填充制品。
　　
　　3.聚全氟乙丙烯塑料几种成型工艺方法3.1聚全氟乙丙烯的成型加工工艺特性
　　
　　3.1.1FEP在熔融状态下的流变性接近非牛顿型，即随着剪切速率γ的增加，表面粘度（ηα）下降。而且随着相对分子质量下降，其溶体粘度也随着变小。溶体流动中的γ超过一定极限，就会产生溶体破碎，使制品显示粗糙的表面，故成型加工时应适当提高料温，并加大流道和浇口的直径。
　　
　　3.1.2FEP的粘流温度1MPa为265～278℃，成型加工温度范围窄，成型加工困难。
　　
　　3.1.3FEP的熔体粘度较PTFE低，在343～393℃时的熔体粘度为103～104Pa·s，比相同熔融指数的聚乙烯高一些，可用挤出，注射等方法成型。3.1.4FEP为半透明的聚合物，静电吸着性很强。容易吸附灰尘和杂质，影响成型加工制品的性能。成型时应加入抗静电剂。
　　
　　3.1.5FEP导热系数小，加工时应注意升温速度。考虑其成型加工温度下的腐蚀作用，加工设备应选用铬钢或渗氮高合金钢作为防腐层。3.2聚全氟乙丙烯的成型加工方法
　　
　　3.2.1注射成型机筒和喷嘴温度为320～400℃，模具温度为200～230℃，注射压力为29.4～137.2MPa。
　　
　　3.2.2模压成型模压成型可制取各种板、棒、层压板和填充制品。加热FEP至290～370℃使其熔融，再冷至150～200℃，在7MPa的压力下，使熔体充满模具，压实、脱模即得制品。
　　
　　3.2.3挤出成型挤出机的螺杆长径比大于15，压缩比为3：1，模口温度315～400℃，压力视制品而异，一般为0.98～17.64MPa。挤出制品的淬火温度为10～20℃
　　
　　3.2.4涂覆FEP浓缩水分散液，在FEP的分散液中，加入浓缩剂聚氧乙烯辛烷基酚醚，可用喷涂、刷涂、沸腾浸涂、火焰喷涂等方法，进行涂层施工，再加热塑化。近年来，也开发了FEP的粉末流动床和静电喷涂加工新技术。4.聚全氟乙丙烯塑料衬里阀门模压工艺模压是氟塑料型工艺方法之一（如图1），也
　　
　　是氟塑料衬里阀门常用的方法，适合于多品种小批量的生产方式。它是将一定量的氟塑料（粉状、粒状、纤维状、片状和碎屑状等）放入成型的模腔中，然后闭合，放在加热炉内加热到一定温度，并在压力作用下熔融流动，缓慢充满整个型腔而取得型腔所赋予的形状。随着在模具内塑化、混合和分散，熔体逐渐失去流动性变成不熔的体型结构而成为固体，经冷却到一定温度打开模具，而成为成品，从而完成模压过程。如图2衬里工艺流程图。氟塑料衬里层的质量主要取决于氟塑料原料质量、衬里模压工艺和模具的设计，受篇幅所限，模具设计将在《塑料衬里阀门模具的设计》一文中论述。图1油压机与阀体模压示意图
　　
　　1.油管2.油缸3.紧固螺母4.上横梁5.活动横梁6.立柱7.操纵箱8.下横梁9.压头10.压模11.阀体氟塑料衬里阀门在衬里前的处理很重要，衬氟塑料之前，应将受衬面毛刺、油污清除干净、修磨平整，尽可能使受衬面达到GB8923中规定的St2级，还可以采用机械加工的方法，将受衬面加工出T形槽和螺纹沟槽增加衬里层与基体的结合强度，防止衬里层脱壳。将衬里面内部转角处的棱角锐边倒钝，内圆角R＞2mm，外圆角R＞3mm，减少应力防止衬里层被锐角刺破。总之，应尽量达到衬里工艺规定的要求。
　　
　　氟塑料（FEP）衬里阀门、衬氟阀门成型质量包括衬塑层的内在质量和外在质量。内在质量包括衬塑层的物理和化学性质及其均匀性；它不仅要求聚全氟乙丙烯塑料（F46）具有相应的物理和化学性能。在模压过程中，还要注意塑化的温度和压力，正确掌握模压工艺。外在质量包括衬塑层的规整、尺寸、外观和色泽等。衬塑层的外表面质量主要取决于模具的设计和氟塑料在模具内的塑化、混合和分散的能力。塑化效果的好坏与模具结构以及工艺配方、原料质量和加工工艺条件的控制有直接的关系。解决上述相关问题是提高塑化效果的关键，各项工作（包括原料、模具、工艺等）都应围绕提高氟塑料塑化效果来进行。
　　
　　塑料塑化成型对温度和压力的要求非常严格，掌握氟塑料的塑化时间非常重要。塑化时间太短，氟塑料未成型就已分解交联；若塑化时间太长，则生产效率低，需要很长时间才能固化脱模，生产周期长。在生产中，控制塑化时间的关键因素就是温度和压力。若不能控制好塑化温度和压力，则很可能产生诸如衬里层表面硬度低、表面光亮度不足；衬塑尺寸控制困难；熔接痕难以消除；衬塑层沿氟塑料流动方向有“鱼鳞”样凸凹不平的有规则的波纹，或表面箭头状波纹等问题。值得一提的是在加压过程中放气次数、放气时间、间隔时间都对衬塑层的外观质量有直接影响，在生产中予以标准化严格控制，并做好生产记录。工艺人员可以在生产前对氟塑料拟订其塑化曲线，掌握其塑化时间，然后在实践中根据实际情况进行工艺调整。因每种产品的氟塑料配方、原材料质量、产品质量要求各异，其温度、压力，放气等工艺控制也不尽相同，根据具体情况决定，从而制订出符合本企业的模压工艺规程。
　　
　　5.结语
　　
　　本文介绍了聚全氟乙丙烯塑料（FEP）的基本性能和成型方法，在四种成型方法中，重点介绍了模压成型方法，总结了氟塑料衬里阀门在模压成型过程中容易出现的几种情况，提出了相应的解决方案。
　　
　　参考文献
　　
　　黄锐塑料工程手册［M］北京机械工业出版社，2000。胡远银
　　
　　衬氟塑料阀门设计若干问题的探讨[J]阀门，2007.1
　　
　　钱知勉氟树脂性能与加工应用[J]化工生产与技术，2007年第14卷
　　
　　与本文相关的论文有：中国阀门产值递增