聚四氟乙烯軟管組件成型工藝與質(zhì)量控制

張正清

上海市塑料研究所 （上海 200090）

聚四氟乙烯軟管組件成型工藝與質(zhì)量控制

張正清

上海市塑料研究所 （上海 200090）

介紹了聚四氟乙烯軟管組件成型工藝與質(zhì)量控制點(diǎn)，實(shí)施了一些穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的具體措施，提出了提高產(chǎn)品檔次的具體辦法。

聚四氟乙烯 軟管組件 成型工藝 質(zhì)量控制

0 前言

聚四氟乙烯軟管組件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)F4軟管組件）是由聚四氟乙烯內(nèi)管、鋼絲增強(qiáng)層和兩端組裝的金屬連接件組成的柔性連接管件。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

F4軟管組件具有重量輕、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、耐老化及安裝方便等特點(diǎn)，這種產(chǎn)品國(guó)外于上世紀(jì)50年代初期開(kāi)始研制到60年代中期已被開(kāi)發(fā)應(yīng)用，國(guó)外生產(chǎn)這種F4軟管組件的公司主要有美國(guó)的Parker Co.、Resistoflex Co.和Stratoflex Co.等。我國(guó)于上世紀(jì)60年代開(kāi)始研制生產(chǎn)F4軟管組件，目前這類(lèi)F4軟管組件已被廣泛應(yīng)用于航空、航天和汽車(chē)工業(yè)。影響F4軟管組件質(zhì)量的因素有聚四氟乙烯管的性能、鋼絲增強(qiáng)的過(guò)程控制、F4軟管組件裝配時(shí)的裝配控制以及接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等，所有影響F4管質(zhì)量的因素，均應(yīng)加以嚴(yán)格控制，這是確保F4軟管組件質(zhì)量的關(guān)鍵所在。本文主要通過(guò)對(duì)F4軟管組件形成過(guò)程的介紹，闡明過(guò)程控制穩(wěn)定性、可靠性和產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的重要性。

1 F4軟管組件成型工藝

1.1 F4軟管組件成型工藝流程

F4軟管組件成型工藝典型流程見(jiàn)圖2。

1.2 聚四氟乙烯內(nèi)管成型工藝

1.2.1 聚四氟乙烯樹(shù)脂的選擇

根據(jù)F4軟管組件的使用環(huán)境和特點(diǎn)，它內(nèi)通各種有一定壓力的液體、氣體或燃油且大多在彎曲狀態(tài)之下工作，因此，F(xiàn)4內(nèi)管必須具有低滲透性和高彎曲壽命才行。這就要求聚四氟乙烯樹(shù)脂經(jīng)燒結(jié)后內(nèi)管中的空隙含量要越少越好，彎曲壽命越高越好。要獲得這種性能的樹(shù)脂，通常的做法是對(duì)聚四氟乙烯樹(shù)脂作共聚改性，即用少量的另一種含氟單體如全氟代丙基乙烯基醚（PPVE）與四氟乙烯（TFE）共聚，該全氟代醚作為分子的支鏈。這樣的共聚物不僅分子量降低（熔融狀態(tài)下，可提高樹(shù)脂顆粒間的凝聚力），而且少量的共聚單體降低了主鏈的結(jié)晶性，使它的無(wú)定形相增加。具有這些特征的典型樹(shù)脂牌號(hào)為杜邦公司生產(chǎn)的Teflon 62，其結(jié)晶度與相對(duì)密度、彎曲壽命的關(guān)系見(jiàn)表1。從表1可以看出，通過(guò)淬火等工藝手段，使產(chǎn)品結(jié)晶度下降到50%時(shí)，聚四氟乙烯具有良好的彎曲壽命。選擇這種類(lèi)型的F4樹(shù)脂是設(shè)計(jì)出高質(zhì)量聚四氟乙烯軟管組件的關(guān)鍵之一。曾用這種F4樹(shù)脂加工成聚四氟乙烯內(nèi)管替代Teflon 6C樹(shù)脂，取得了良好的效果。

表1 F4結(jié)晶度與相對(duì)密度、彎曲壽命關(guān)系

1.2.2 助擠劑

（1）助擠劑的作用 助擠劑與聚四氟乙烯分散樹(shù)脂混合后成為糊膏狀物，主要是起潤(rùn)滑作用，減少樹(shù)脂與樹(shù)脂之間、樹(shù)脂與模具之間的磨擦阻力，以便經(jīng)剪切力作用后，使球狀樹(shù)脂顆粒拉伸成均勻的纖維狀結(jié)構(gòu)。未加進(jìn)助擠劑的樹(shù)脂，不但極易粘模，而且因無(wú)潤(rùn)滑性、阻力大，推壓不出制品。

（2）對(duì)助擠劑的要求 應(yīng)具有良好的潤(rùn)滑性，容易滲透到樹(shù)脂粉末中；在成型過(guò)程中不發(fā)生任何化學(xué)變化，在低于燒結(jié)溫度時(shí)能全部逸出；助擠劑完全逸出后，制品內(nèi)部和表面不留有任何影響外觀、降低制品性能的殘留物。

滿(mǎn)足以上條件的助擠劑諸如Exxon公司生產(chǎn)的Isopar溶劑、Shell公司生產(chǎn)的VM＆P石腦油及江蘇泰州石化公司生產(chǎn)的200＃溶劑油等。

1.2.3 混料

聚四氟乙烯的分子質(zhì)量較大，約數(shù)百萬(wàn)，一般結(jié)晶度為90%～95%，熔融溫度為327～342℃。聚四氟乙烯分子中CF2單元按鋸齒形狀排列，由于氟原子半徑較氫稍大，所以相鄰的CF2單元不能完全按反式交叉取向，而是形成一個(gè)螺旋狀的扭曲鏈，氟原子幾乎覆蓋了整個(gè)高分子鏈的表面。這種分子結(jié)構(gòu)解釋了聚四氟乙烯的各種性能。

聚四氟乙烯晶體在19℃時(shí)有一個(gè)晶型轉(zhuǎn)變點(diǎn)。在低于19℃時(shí)，聚四氟乙烯晶體呈三棱體型，這時(shí)螺旋大分子中每13個(gè)碳原子扭轉(zhuǎn)180℃，其軸向間距為16.9×10-10m；在高于19℃時(shí)呈六面體型，每15個(gè)碳原子扭轉(zhuǎn)180℃，軸向間距19.5×10-10m。這種晶型轉(zhuǎn)變可以引起聚合物的比容有1%的變化。聚四氟乙烯晶體在327℃時(shí)熔化。在這一溫度以上，晶體的結(jié)晶構(gòu)造消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鞯臒o(wú)定形凝膠狀態(tài)，并伴隨有比容約25%的劇增。

聚四氟乙烯分散樹(shù)脂除了以上特點(diǎn)外，還具有成纖性，它在定向力的作用下樹(shù)脂顆粒之間能形成具有一定強(qiáng)度的絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)。但這種成纖性只允許在樹(shù)脂推壓時(shí)形成，如果在推壓之前的操作過(guò)程如搬運(yùn)、過(guò)篩和加料時(shí)讓樹(shù)脂顆粒受力而把F4纖維拉出顆粒表面，這種過(guò)早的纖維化會(huì)導(dǎo)致樹(shù)脂結(jié)團(tuán)，而結(jié)團(tuán)料在推壓時(shí)難以再纖維化，卻會(huì)成為F4制品中產(chǎn)生空隙和開(kāi)裂等的原因。

根據(jù)聚四氟乙烯分散樹(shù)脂的以上特點(diǎn)，在加工工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，必須做到在19℃以下方可對(duì)聚四氟乙烯過(guò)篩及樹(shù)脂與助擠劑的混合，混合的方式和時(shí)間應(yīng)以樹(shù)脂不成纖而又能混勻?yàn)橐?。在高?9℃的一定溫度范圍內(nèi)，對(duì)混合料進(jìn)行必要的陳化處理是保證產(chǎn)品質(zhì)量的措施之一。

1.2.4 壓坯（坯料預(yù)成型）

坯料預(yù)成型的目的是把上述混好的聚四氟乙烯分散樹(shù)脂的體積減小，壓縮比通常為3左右，同時(shí)去除樹(shù)脂中的空氣。在把聚四氟乙烯混合料加入預(yù)成型料腔時(shí)，應(yīng)均勻地放入。填充不均勻可造成聚四氟乙烯內(nèi)管壁厚不均勻。預(yù)成型壓力一般為0.7～2.0 MPa，壓縮速度一般為50 mm/min左右，壓縮速度過(guò)快，空氣將被夾住，從而導(dǎo)致產(chǎn)品裂縫或發(fā)生氣泡。保壓時(shí)間為1～5 min，以助擠劑不滲出為度。預(yù)成型件應(yīng)迅速放入密封容器里面，以防助擠劑的揮發(fā)。

1.2.5 推壓（生管成型）

根據(jù)不同牌號(hào)的聚四氟乙烯分散樹(shù)脂和制品的要求選擇推壓料腔和口模，其中，壓縮比是一個(gè)很重要的參數(shù)，其公式如下：

壓縮比（RR，斷面縮小率）=擠出料筒截面積/口模成型面截面積

常用的聚四氟乙烯樹(shù)脂壓縮比見(jiàn)表2。

表2 聚四氟乙烯分散樹(shù)脂壓縮比

推壓通常在立式推壓機(jī)上推出F4生管，通常把未經(jīng)燒結(jié)強(qiáng)度很低的推壓坯管稱(chēng)為生管。聚四氟乙烯軟管組件中的F4內(nèi)管壁厚為1～2 mm，剛推壓出來(lái)的生管若受外力碰觸、彎折，極易產(chǎn)生隱性縱向開(kāi)裂且不能在燒結(jié)過(guò)程中消失。所以，推壓過(guò)程中嚴(yán)格的質(zhì)量把關(guān)是極其重要的。在料腔、芯棒、口模等的裝配過(guò)程中，力求芯棒固定板、活塞固定板和料腔固定板等“三板”之間相互平行的同時(shí)，必須使芯棒和料腔保持良好的同心度等，這些都是保證產(chǎn)品壁厚均勻的基本要求。

1.2.6 預(yù)燒結(jié)

由于F4推壓生管極其嬌嫩，所以，可以放置于鋁槽在燒結(jié)爐中進(jìn)行干燥和預(yù)燒結(jié)。在這個(gè)過(guò)程中，隨著溫度的升高，F(xiàn)4管樹(shù)脂的晶相部分逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形相，推壓生管纖維結(jié)構(gòu)消失，分子鏈相互擴(kuò)散，隨后經(jīng)冷卻再結(jié)晶的變化，使其成為具有一定強(qiáng)度的堅(jiān)韌管體。預(yù)燒結(jié)溫度通常在350～370℃，保溫時(shí)間視F4管的壁厚和實(shí)際需要確定。由于聚四氟乙烯在327℃有25%的比容劇增，所以，在燒結(jié)升溫曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)上應(yīng)避免急速升溫。

1.2.7 淬火

通過(guò)預(yù)燒結(jié)的F4管的結(jié)晶度在75%左右，需把結(jié)晶度降低到50%左右，F(xiàn)4管才能具有很好的抗彎曲疲勞性能。所以，必須進(jìn)行淬火處理。與一般金屬的淬火處理不同，經(jīng)淬火處理后的F4管的硬度下降，柔韌性增強(qiáng)。有點(diǎn)類(lèi)似于1Cr18Ni9Ti的固溶處理，能使產(chǎn)品軟化。燒結(jié)和冷卻溫度是否合適可用DSC法（差示掃描量熱法）測(cè)試F4樹(shù)脂的熔融熱。未燒結(jié)過(guò)的F4樹(shù)脂在大于342℃熔點(diǎn)處有明顯的熔融峰。如果測(cè)得的熔融熱平均值為20～23 J/g時(shí)被認(rèn)為淬火溫度是合適的。燒結(jié)過(guò)度的F4測(cè)得的熔融熱平均值大于28～30 J/g。

1.3 鋼絲增強(qiáng)工藝

用于航空飛行器上的F4軟管組件的耐壓壓力一般是工作壓力的2倍,高溫爆破壓力一般為工作壓力的3倍,室溫爆破壓力一般為工作壓力的4倍，從已發(fā)布的產(chǎn)品規(guī)范來(lái)看，高壓F4軟管組件的液壓脈沖試驗(yàn)是一個(gè)十分嚴(yán)酷的試驗(yàn)項(xiàng)目，通常需要通過(guò)1.5倍工作壓力25萬(wàn)次的高低溫沖擊。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，如果按室溫爆破壓力1.4倍的可靠系數(shù)設(shè)計(jì)，脈沖試驗(yàn)需通過(guò)35萬(wàn)次驗(yàn)證較為合適。

就聚四氟乙烯內(nèi)管而言，其耐壓性能一般在4 MPa以?xún)?nèi)，如果聚四氟乙烯軟管組件的工作壓力為21 MPa，那么，就要根據(jù)不同的通經(jīng)來(lái)設(shè)計(jì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，通常?10 mm以下產(chǎn)品可采用單層或雙層不銹鋼絲編織，?10 mm以上的產(chǎn)品可設(shè)計(jì)成纏繞加編織的結(jié)構(gòu)。

要獲得高質(zhì)量的聚四氟乙烯軟管組件，就要嚴(yán)格控制不銹鋼絲的粗細(xì)均勻度、強(qiáng)度；編織和纏繞時(shí)的行程、角度、張力；確保F4內(nèi)管在所有過(guò)程中不受傷害。其中編織角度的設(shè)計(jì)是保證質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。編織角的定義：內(nèi)管在編織機(jī)上編織時(shí)，無(wú)論24錠還是36錠編織機(jī)，總有一半錠子是順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)，另一半是逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)，這樣相反旋轉(zhuǎn)的錠子施放兩組鋼絲在芯軸內(nèi)管上形成一定角度，定義為編織角。根據(jù)材料力學(xué)，對(duì)薄壁圓筒容器在內(nèi)壓P作用下，即軟管在內(nèi)壓的作用下，產(chǎn)生的周向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍。鋼絲增強(qiáng)層一般以一定的角度包繞在內(nèi)管上，當(dāng)軟管在承受壓力時(shí)，其管體仍然保持原來(lái)的長(zhǎng)度，且體積呈最大值，此時(shí)稱(chēng)增強(qiáng)層包繞的角度達(dá)到“平衡角”。通過(guò)計(jì)算：α=54°44′。這是通過(guò)把軟管假定為薄壁圓筒容器推算的理論上的平衡角。F4軟管組件增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其編織角通常按54°44′作為平衡角進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到增強(qiáng)層之間的配合，還需經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)值的修正，方能設(shè)計(jì)出可靠度高的產(chǎn)品。這個(gè)編織角同樣適用于纏繞狀態(tài)。

1.4 裝配

對(duì)裝配扣壓式金屬連接件而言，裝配過(guò)程分為落料、清洗吹干、裝套筒、裝接頭和扣壓等?？蹓簳r(shí)，需按確定的扣壓高度和扣壓尺寸實(shí)施扣壓，并對(duì)產(chǎn)品實(shí)施100%的檢驗(yàn)。

1.5 質(zhì)量控制

1.5.1 聚四氟乙烯軟管組件的失效分析及措施（見(jiàn)表3）

引起聚四氟乙烯軟管組件失效的原因，從大類(lèi)上可分成工藝控制和設(shè)計(jì)因素。

（1）工藝控制方面的關(guān)鍵點(diǎn)

作為耐高壓管使用的F4內(nèi)管推壓管必須是無(wú)裂紋的（非透過(guò)性裂縫）。裂紋又稱(chēng)銀紋（Craze）,與裂縫（Crack）是有區(qū)別的，主要表現(xiàn)在：

一是裂紋的質(zhì)量不為零，如PS裂紋的密度相當(dāng)于本體密度的40%，它的內(nèi)部含有取向的聚合物，它通過(guò)取向聚合物在其上下面與本體聚合物相連接，在光學(xué)顯微鏡下檢查呈現(xiàn)連續(xù)性。

二是裂紋具有可逆性，含裂紋的樣品在壓縮力的作用下或者在Tg以上退火處理，樣品中的裂紋趨向回縮和消失，并能回復(fù)到未開(kāi)裂時(shí)的光學(xué)均一狀態(tài)。但裂紋在應(yīng)力集中作用下與裂縫一樣。

對(duì)于F4內(nèi)管而言，產(chǎn)生裂紋的原因多數(shù)是由于成型時(shí)粉料操作不當(dāng)所致，尤其在高溫狀態(tài)下操作粉料時(shí)很容易產(chǎn)生切變粒子，而它一旦混入料中就是裂紋的起因。所以，F(xiàn)4樹(shù)脂在與助擠劑配料時(shí)，必須嚴(yán)格控制環(huán)境溫度在19℃以下。剛推出的F4生管確保不能碰傷，因?yàn)橐坏┡鰝?，在后續(xù)的工藝中是不能消除這種隱患的。同時(shí)，必須嚴(yán)格控制淬火時(shí)的燒結(jié)溫度，防止因爐溫的不均勻性造成F4內(nèi)管的夾生情況存在，這會(huì)造成聚四氟乙烯軟管組件在實(shí)際使用中逐漸暴露，呈批次性質(zhì)量隱患。所以，按規(guī)定周期實(shí)施爐溫的校準(zhǔn)是確保產(chǎn)品質(zhì)量的措施之一。在質(zhì)量檢驗(yàn)方面，常規(guī)的做法是目視檢查或借助于內(nèi)窺鏡的檢查，或在產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)時(shí)，對(duì)F4內(nèi)管實(shí)施滾壓和耐壓試驗(yàn)。如何設(shè)計(jì)一套檢驗(yàn)方案，使F4內(nèi)管在進(jìn)入增強(qiáng)工序之前就能檢驗(yàn)出F4內(nèi)管的隱患所在，這是很多公司在探求的課題之一。在增強(qiáng)過(guò)程中，特別是纏繞過(guò)程中，要嚴(yán)格控制鋼絲張力和行程，防止因控制不當(dāng)，造成個(gè)別鋼絲嵌入F4內(nèi)管中，在高溫高壓的作用下，這些應(yīng)力集中點(diǎn)會(huì)成為聚四氟乙烯軟管組件失效的原因。

表3 聚四氟乙烯軟管組件的失效分析及措施

（2）接頭設(shè)計(jì)方面的原因

盡管接頭的形式很多，但接頭上的密封筋與F4內(nèi)管有著直接的體膚接觸，這種接觸會(huì)造成F4內(nèi)管的變形，《聚四氟乙烯壓縮變形回復(fù)圖》對(duì)于研究扣壓尺寸與F4內(nèi)管在扣壓應(yīng)力的作用下的破壞機(jī)理是有益的，特別是對(duì)接頭尾部密封筋的設(shè)計(jì)尤為重要。具體變形量的控制應(yīng)由試驗(yàn)驗(yàn)證確定。對(duì)于超過(guò)F4內(nèi)管應(yīng)力集中忍受點(diǎn)的密封筋，這如同“骨刺”，應(yīng)用手術(shù)的方法加以切除，這樣，方能提高聚四氟乙烯軟管組件產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。這已被試驗(yàn)證實(shí)。

2 結(jié)論

（1）在F4軟管組件生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)以上所述方案來(lái)控制各工藝過(guò)程是可行而有效的，生產(chǎn)的產(chǎn)品能滿(mǎn)足《聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范》GJB2837-97的要求；

（2）通過(guò)滾壓、耐壓等檢驗(yàn)手段早期發(fā)現(xiàn)F4內(nèi)管的缺陷是可以設(shè)計(jì)的；

（3）通過(guò)手術(shù)方式，降低“骨刺”的影響，是穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量行之有效的手段；

（4）選用高韌性的F4樹(shù)脂（如Teflon 62）是提高產(chǎn)品檔次和質(zhì)量的保證措施之一。

TQ325.4

張正清 男 1965年生 工程師 從事聚四氟乙烯成型工藝研究

2010年5月