可熔性聚四氟乙烯(PFA)的性能及其應(yīng)用

沈 潮 程井動 郭玉玲 吳君毅

(上海三愛富新材料股份有限公司，上海 200241)

可熔性聚四氟乙烯(PFA)的性能
及其應(yīng)用

沈 潮 程井動 郭玉玲 吳君毅

(上海三愛富新材料股份有限公司，上海 200241)

介紹了可熔性聚四氟乙烯(PFA)的結(jié)構(gòu)和性能，詳述了PFA的主要應(yīng)用領(lǐng)域，指出增加PFA制品的品種以及對現(xiàn)有品種進行系列化將是今后我國PFA應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究方向。

可熔性聚四氟乙烯(PFA)；性能；應(yīng)用

0 概述

四氟乙烯(TFE)與全氟丙基乙烯醚(PPVE)的共聚物，簡稱PFA,俗稱可熔性聚四氟乙烯。它擁有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、物理機械性、電絕緣性、潤滑性、不黏性、耐老化性、不燃性和熱穩(wěn)定性。與“塑料王”聚四氟乙烯(PTFE)相比，PFA最大的優(yōu)點是可熔融加工，即可采用常規(guī)的熱塑性樹脂加工方法加工。另外，PFA在高溫下的機械強度是普通PTFE的2倍左右。

PFA樹脂首先由美國杜邦公司于1973 年開發(fā)成功，商品名為Teflon PFA。此后大金公司(Neoflon PFA)、旭硝子公司(Flon PFA)、3M公司(Dyneon PFA) 和蘇威 (Solvay solexis)公司(Solef PFA)等先后開發(fā)成功。目前，世界上PFA樹脂的主要生產(chǎn)廠家有杜邦、大金、旭硝子、3M和蘇威公司，國內(nèi)還未有廠家生產(chǎn)。

1 結(jié)構(gòu)與性能

PFA為少量丙基全氟乙烯基醚(PPVE)與四氟乙烯(TFE)的共聚物。PFA中的共聚單體PPVE含量為1%～10%，少量PPVE的引入，有效抑制了PTFE的結(jié)晶過程，在賦予PFA良好機械加工性能的同時，保持了聚四氟乙烯優(yōu)良的物理機械特性、電性能和化學性能等性能[1-3]，見表1和表2。

表1 PFA樹脂的物理機械性能[4]

表2 PFA樹脂的電性能

2 可熔性聚四氟乙烯(PFA)的應(yīng)用

PFA不僅具有聚四氟乙烯(PTFE)出色的耐腐蝕性、耐熱性、電絕緣性、自潤滑性、不黏性、摩擦系數(shù)低、耐大氣老化性等優(yōu)異特性，而且可以通過常規(guī)加工工藝進行熔融加工。工業(yè)中，PFA常被作為防腐涂層、防老化涂層、特種過濾纖維、反應(yīng)釜內(nèi)襯、管材內(nèi)襯、光纜外皮、宇航器材等，廣泛應(yīng)用于建筑、化工、機械、電氣、航天、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域[5-7]。

2.1 在高溫電線電纜方面的應(yīng)用

PFA在室溫下具有優(yōu)良的電氣絕緣性能。PFA制作的電線電纜絕緣層連續(xù)使用溫度高，耐應(yīng)力開裂性強，并且PFA能熱熔融流動，成型制品內(nèi)孔隙少，可以確保它具有穩(wěn)定的電性能。因此，PFA廣泛用于制造加熱電線、安裝線等電線主絕緣線、同軸電纜、多芯電纜護套、扁平電纜、繞包薄膜、硅片承載器、連接件、接線柱、支座、插口等。

1)同軸電纜

近年來，以手機、筆記本電腦為代表的消費類電子產(chǎn)品和通信、醫(yī)療、軍事類電子產(chǎn)品的微型化發(fā)展趨勢加快，性能要求不斷提高，這些產(chǎn)品內(nèi)的傳輸各種頻率信號的帶狀電纜、柔性電路板等傳統(tǒng)布線元件迅速被傳輸速率高、頻帶寬且抗電磁干擾強的極細同軸電纜取代。特別是20世紀90年代中期移動通信的普及，更是促進了極細同軸電纜的研發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)[8]。

通常情況下，絕緣材料多選用具有優(yōu)異的機械物理性能、耐高低溫性能、電氣性能和阻燃性能的氟塑料，如可熔性全氟烷氧基共聚物(PFA)、聚全氟乙丙烯(FEP)等。其中PFA主要用于柔軟性要求高或絕緣外徑小于0.3 mm的極細同軸電纜，F(xiàn)EP主要用于柔軟性要求低或絕緣外徑大于0.3 mm的極細同軸電纜，絕緣型式多為實心結(jié)構(gòu)。在醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)機器人用電纜中，還會大量用到泡沫或泡沫皮絕緣結(jié)構(gòu)以進一步減小電纜尺寸。一些尺寸相對較大的電纜，也采用PFA薄膜繞包，然后通過高溫燒結(jié)而形成絕緣層。

能用于薄壁絕緣的高速擠塑PFA，應(yīng)當具有較高的熔融指數(shù)和熔體延伸率。配用色母料應(yīng)當與絕緣料有良好的相容性，其中的顏料或染料的顆粒直徑應(yīng)細膩而分散均勻，否則將導致擠塑時出模熔體錐有明顯的“熔體坨”、且無法拉細到所要求的絕緣外徑。

以PFA制造的同軸線纜具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、機械耐磨性和電絕緣性能，可抗強酸強堿、耐腐蝕、耐火不燃、氧指數(shù)高、低煙無鹵、不老化。適用于電子機器、小型電器設(shè)備內(nèi)部布線、對彎曲性能要求較高的場所,如手機、筆記本電腦、數(shù)字Video等。

2)加熱電線

加熱電線中的導體用電阻線。加熱電線繞在列管外，通電后發(fā)熱，比蒸汽加熱列管容易保溫，控制方便，操作簡單又經(jīng)濟。PFA加熱電線可直接用于較短管道的加熱。長距離管道的加熱，一般采用表面電流加熱法(SECT)。SECT法的原理是交流電的表面效應(yīng)在管道中的應(yīng)用。電流在導體表面流過，特別對于磁性強的鋼管，電流僅在鋼管內(nèi)壁深度 1 mm 處集中流動而使管道發(fā)熱。

圖1為發(fā)熱鋼管與管道示意圖。發(fā)熱鋼管(SECT管)中SECT線的結(jié)構(gòu)是在直徑6 mm的導體外包覆3.5 mm厚的有機硅橡膠，再外包2層各厚 1.6 mm 的PFA，成為直徑16 mm、長6 m的發(fā)熱線。這種包線可加熱至120～150 ℃溫度，用來輸送重油。

1.輸液管 2.保溫層 3.伴熱電纜 4.伴熱管

2.2 在防腐防酸堿、機械方面的應(yīng)用

根據(jù)美國商務(wù)部的一篇報告,估計美國每年因腐蝕而報廢的設(shè)備約占其鋼鐵年產(chǎn)量的40%，前蘇聯(lián)對自己的估計是30%,澳大利亞估計是20%。1974年世界鋼產(chǎn)量是7億多噸,如都以20%計算,則每年有一億四千多萬噸鋼用于更換因腐蝕而損壞的設(shè)備。腐蝕造成的經(jīng)濟損失就更高了,美國每年高達150億美元,占國民生產(chǎn)總值的1.25%。這一數(shù)字較之美國每年因水、火、風及地震等災(zāi)害的損失總和還要多26億美元[9]。而由于合金、陶瓷、橡膠、玻璃等材料在性能上存在著某些缺陷，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)當中苛刻的溫度、壓力和化學介質(zhì)共存的情況，然而PFA有良好的耐溫、耐溶劑化學穩(wěn)定性,成為了原子能、石油、化學和紡織工業(yè)等方面不可缺少的關(guān)鍵性的耐腐蝕材料，經(jīng)常被用作半導體制造裝置；熱交換器、蒸氣配管；高純度試劑輸送管；各種腐蝕性介質(zhì)(苛刻溶劑)輸送管道；復極式離子膜法燒堿生產(chǎn)中進出口撓性軟管；各種頻率電線電纜護套，槽絕緣管；全包氟塑膠O型密封圈用管等。

PFA的物理性能、電性能和化學性能與聚四氟乙烯類似。兩者最主要的區(qū)別是PFA為可熔融加工的熱塑性塑料。PFA管具有優(yōu)異的耐應(yīng)力開裂性和彎曲壽命，但是滲透性能不如PTFE。PFA管金屬離子含量很低，并且在較高的溫度下能夠保持較強的機械強度和爆破壓力。其化學純度符合FDA要求，耐溫高達260 ℃。由于PFA樹脂有優(yōu)良的高溫強度、撓曲壽命和化學惰性，又有熔融加工性，所以可通過擠出、注塑、壓模等加工方法將PFA樹脂加工成各種制品：如管配件、泵、閥門、容器，貯槽的襯里，膜片、接頭、波紋管、墊片、精餾塔填料等。

3.3 在其他方面的應(yīng)用

利用PFA的不黏性作為靜電復印機的軸承、脫模涂層及其他要求潤滑性好的部件；利用其光學性能將PFA薄膜作為太陽能裝置包覆材料；利用PFA樹脂和PTFE的熱熔黏結(jié)性，PFA樹脂制成各種焊條以焊接PTFE板、管等。

3 結(jié)語

PFA成型制品的性能與PTFE、FEP等相比有許多優(yōu)勢,并且潛力巨大，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、生活等各個領(lǐng)域。國外根據(jù)PFA的不同用途及制品的加工特點,開發(fā)出各種品級的PFA,滿足了現(xiàn)代人們個性化的需求。隨著我國PFA應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開發(fā),增加PFA的品種以及對現(xiàn)有的品種進行系列化,將是今后我國科研技術(shù)工作者的一個重要研究方向。

[1] Ralph K, Helmut T. Perfluoro copolymers of tetrafluoro-ethylene and perflouro alkyl vinyl ethers: US, 6686426[P]. 2004-02-03.

[2] Kazutaka H, Tatsuro U, Shinichi Y. Modified polytetra-fluoroethylene fine powder and process for preparing the same: US, 6747108[P]. 2004-06-08.

[3] Klaus H, Ralph K, Friedrich K. Fluoropolymers from tetrafluoroethylene and perfluoro (alkoxyalkyl vinyl) ether: US, 7060772[P]. 2006-06-13.

[4] 鄧凱. 含氟聚合物PTFE與PFA的技術(shù)分析[R]. 深圳琦富瑞電線電纜研究所, 2009.

[5] Vita G, Ajroldi G, Miani M. Process of making multifila-ment yarns of thermoplastic polymers basic on tetrafluoroethylene: US, 5618481[P]. 1997-04-08.

[6] Thomas J B, Lisa P, Chen R. Fluoropolymers resistant to stress cracking: US, 6984697[P]. 2006-01-10.

[7] Thomas J B, Denis D. High purity fluoropolymers: US, 714301[P]. 2006-12-12.

[8] 代康, 肖飚. 極細同軸電纜技術(shù)及標準簡介[C] //第二屆高品質(zhì)射頻電纜及組件技術(shù)研討會論文集. 上海： 中國電子元件行業(yè)協(xié)會, 2011.

[9] 黃魁元. 國外金屬腐蝕與防腐蝕有關(guān)資料介紹[J]. 陜西化工, 1979(2): 13-15.

Properties and Application of Perfluoroalkoxy Polymer

Shen Chao, Cheng Jinadong, Guo Yuling, Wu Junyi

(Shanghai 3F New Materials Co., Ltd., Shanghai 200241, China)

This paper introduces the properties and application of perfluoroalkoxy(PFA) and describes the main application fields of PFA in detail. Also points out that increasing the variety of PFA resins and serialized product will be the important research direction of the PFA application field in the future.

perfluoroalkoxy resins; properties; application

沈潮(1990—)，男，畢業(yè)于江蘇大學材料學院，助理工程師，高級實驗員。從事可熔性聚四氟乙烯(PFA)的研究與開發(fā)。