PTFE彩色薄膜的工藝研究及應(yīng)用

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050；2.武漢市工程塑料有限公司，湖北武漢 430056)

PTFE彩色薄膜的工藝研究及應(yīng)用

楊俊秋1周飛1王世山2

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050；2.武漢市工程塑料有限公司，湖北武漢 430056)

本文介紹了PTFE彩色薄膜的性能、特點(diǎn)、應(yīng)用，成型工藝，包括工藝流程,所用主要設(shè)備、工藝條件及產(chǎn)品規(guī)格和性能.經(jīng)測(cè)試PTFE彩色薄膜的電氣強(qiáng)度大于40 kV/mm、拉伸強(qiáng)度大于25 MPa、薄膜材料的分解溫度為386 ℃,推測(cè)了PTFE彩色薄膜的應(yīng)用前景。

PTFE彩色薄膜；絕緣材料；介電性；耐蝕性

聚四氟乙烯(PTFE)彩色薄膜是一種綜合性能優(yōu)良的新型C級(jí)絕緣材料，適用于特殊要求的器件，如以色澤區(qū)分標(biāo)志的電器儀表或?qū)Ь€絕緣等方面，是無(wú)線電工業(yè)、航空工業(yè)以及尖端電子科技領(lǐng)域中不可缺少的重要材料。在PTFE塑料絕緣電線電纜的早期應(yīng)用中，僅僅局限于軍事領(lǐng)域的飛機(jī)、艦艇等機(jī)艙內(nèi)高溫區(qū)域的電氣電子設(shè)備的內(nèi)部布線和引接線。隨著制備技術(shù)的推廣，PTFE逐漸擴(kuò)展到一般高溫環(huán)境下的民用電氣、電子設(shè)備安裝線。過(guò)去國(guó)產(chǎn)PTFE薄膜大都是材料本色(因PTFE薄膜不易著色)，為了區(qū)別不同傳輸信號(hào)的進(jìn)出線路、易于分辨,只好采用涂層法著色，但PTFE表面無(wú)極性,涂層極易剝落,對(duì)區(qū)別線路沒(méi)有保障[1]。

隨著國(guó)內(nèi)PTFE彩色薄膜生產(chǎn)量達(dá)到一定規(guī)模，通過(guò)改進(jìn)工藝，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)也大都達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平。但目前國(guó)內(nèi)PTFE彩色薄膜產(chǎn)品在色感等外觀方面存在明顯不足,表現(xiàn)在色點(diǎn)分布不均勻等問(wèn)題。隨著新的PTFE彩色薄膜制備工藝的進(jìn)展，加上用戶(hù)對(duì)電線電纜阻燃要求的不斷提高,PTFE彩色薄膜絕緣電線電纜己開(kāi)始在高層建筑、機(jī)動(dòng)車(chē)輛、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)、地鐵等非高溫環(huán)境方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1 聚四氟乙稀的性能

聚四氟乙烯簡(jiǎn)稱(chēng)氟-4(F-4),英文名Polytet-rafluoroethylene(PTFE)。PTFE是完全對(duì)稱(chēng)的線型高分子結(jié)晶性化合物,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PTFE結(jié)構(gòu)式

由于C-F鍵是鍵能最高的化學(xué)鍵，要斷開(kāi)它需要很大的能量,因此PTFE具有高度的熱穩(wěn)定性,可在260 ℃連續(xù)使用或在300 ℃短時(shí)期使用。其氧指數(shù)大于95,幾乎不燃。PTFE在-200 ℃的低溫下仍呈高彈態(tài),并具有較好的柔韌性。

PTFE分子具有螺旋狀結(jié)構(gòu)形態(tài),且C-C主鏈完全被體積碩大的氟原子所掩蔽,因此濃酸、濃堿、強(qiáng)氧化劑即便在高溫條件下也難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)PTFE也不受酮類(lèi)、醚類(lèi)等有機(jī)溶劑的侵蝕，僅與熔融堿金屬或在高溫高壓下的全氟烷烴、全氟氯烷烴發(fā)生反應(yīng)。

PTFE僅在分子末端帶有極性基團(tuán),如磺酸基和羧基,其它部分完全是非極性,因此PTFE在1MHz下的相對(duì)介電常數(shù)僅為1.98左右,介質(zhì)損耗角正切值僅為1×10-5,且?guī)缀醪皇軠囟群皖l率的影響。PTFE的體積電阻大于1 018 Ω/cm,直流擊穿電壓強(qiáng)度≥40 kV/mm。

由于PTFE大分子間的相互引力較小,因此PTFE產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度不高。但PTFE的穩(wěn)定性決定了其幾乎不受溫度變化的影響,故能滿(mǎn)足電線電纜的使用要求。

由于PTFE具有的優(yōu)異機(jī)械力學(xué)性能，并且PTFE具有極其優(yōu)良的耐濕耐水性能和耐氣候老化性能,故PTFE被人們冠以“塑料之王”的美稱(chēng)。

2 PTFE彩色薄膜的加工工藝

2.1 樹(shù)脂及顏料的選擇

用于加工PTFE彩色薄膜的樹(shù)脂應(yīng)選用分子質(zhì)量分布均勻、結(jié)晶度高的懸浮樹(shù)脂，結(jié)晶度一般選98%以上，分子質(zhì)量在107～109，樹(shù)脂顆粒粒徑為30 μm左右，采用此種規(guī)格的PTFE原料，制備的PTFE彩色薄膜才具有色感好、色點(diǎn)分布均勻、耐高溫、耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕、高絕緣、柔軟等優(yōu)異性能。通過(guò)試驗(yàn)篩選，山東東岳高分子材料有限公司生產(chǎn)的DF-16A和浙江巨圣氟化學(xué)有限公司生產(chǎn)的JF- 4TM的樹(shù)脂適合加工PTFE彩色薄膜。

顏料的選擇：依據(jù)PTFE成型工藝的條件，顏料需選擇耐高溫的無(wú)機(jī)顏料，顏料的顆粒度應(yīng)小于400目篩網(wǎng)網(wǎng)徑尺寸，通過(guò)試驗(yàn)篩選，大日金化的顏料適合加工PTFE彩色薄膜。

2.2 PTFE彩色薄膜的生產(chǎn)工藝

PTFE彩色薄膜的生產(chǎn)工藝如圖2所示。

圖2 PTFE彩色薄膜的生產(chǎn)工藝流程圖

(1)PTFE樹(shù)脂原料的預(yù)處理

將PTFE懸浮細(xì)料樹(shù)脂放入20 ℃～23 ℃的恒溫室中靜至24小時(shí)進(jìn)行預(yù)處理。

(2)顏料的預(yù)處理

將無(wú)機(jī)顏料置入20 ℃～23 ℃的干燥皿中存放24小時(shí)以上待用。

(3)著色

將一定量預(yù)處理后的PTFE懸浮細(xì)料樹(shù)脂加入到搗料機(jī)中，同時(shí)加入一定量預(yù)處理后的無(wú)機(jī)顏料，高速混合，使顏料分散均勻，樹(shù)脂松散利于模壓加工。

(4)模壓

將染色過(guò)的彩色PTFE細(xì)料，采用冷壓工藝法，將40 000 gPTFE彩色細(xì)料樹(shù)脂加入到模具中，在100噸自動(dòng)壓力機(jī)上，按20 MPa的成型單壓進(jìn)行壓胚，壓制中注意排氣，避免胚料炸裂。

(5)燒結(jié)

將壓制好的彩色胚件放入高溫?zé)Y(jié)爐，以50 ℃/h 的速率升溫至330 ℃，保溫3 h，然后以25 ℃/h的速率升溫至380℃左右，保溫10～14 h，再以20～25 ℃/h 的速率降溫至320 ℃后，保溫3～4 h，最后以50 ℃/h 的速率降溫至150 ℃后，關(guān)電自然冷卻至室溫，取出彩色制品。

(6)車(chē)削加工成薄膜

將燒結(jié)好的彩色制品胚件用專(zhuān)用車(chē)床鏇切加工成薄膜胚件。薄膜胚件為0.1 mm×100 mm×大于300 m(厚度×寬度×長(zhǎng)度)。

(7)壓延定向

將車(chē)削加工好的彩色定向胚件，經(jīng)熱輥定向壓延機(jī)加工(見(jiàn)圖3)成為定向度為1.5～1.8，厚度為0.05 mm的半定向薄膜，熱輥溫度控制在100 ℃左右。

圖3 熱輥定向壓延機(jī)加工彩色PTFE薄膜

(8)切邊

將厚度為0.05 mm的半定向彩色薄膜用專(zhuān)用分切機(jī)加工成為0.05 mm×90 mm×大于10 m(厚度×寬度×長(zhǎng)度)的PTFE彩色薄膜。

(9)檢驗(yàn)包裝

加工好的PTFE彩色薄膜，抽樣進(jìn)行內(nèi)在性能檢驗(yàn)，同時(shí)對(duì)該薄膜進(jìn)行外觀和尺寸檢驗(yàn)，將檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，用PVC薄膜袋進(jìn)行包裝，附上檢驗(yàn)合格證。

3 PTFE彩色薄膜的性能檢驗(yàn)

3.1 測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備

(1)拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率按GB/T 13022-1991標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)[型號(hào)：CMT 8502型(深圳新三思計(jì)量技術(shù)有限公司)]上進(jìn)行測(cè)試, 拉伸速度為100 mm/ min,試驗(yàn)溫度為(23 ℃±2 ℃),每種材料至少取5個(gè)樣，取平均值。

(2)直流擊穿電壓強(qiáng)度按GJB5344-2004標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，在HZXC-Ⅱ全自動(dòng)變壓器上進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)電極用黃銅材料制造，上電極尺寸φ25 mm×50 mm，下電極尺寸φ75 mm×30 mm，試驗(yàn)時(shí)，電壓從零開(kāi)始，電壓以1 kV/s的速度平穩(wěn)升高。共測(cè)10點(diǎn)，取其平均值[2]。

(3)1 MHz下介質(zhì)損耗因素按GB/T 1409-2006標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。

(4)1 MHz下相對(duì)介電常數(shù)按GB/T 1409-2006標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。

(5)體積電阻率按GB/T 1410-1989標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。

3.2 PTFE彩色薄膜的性能指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)以不同定向度[3](定向度-材料的取向程度，其數(shù)值為加熱前和加熱后薄膜試樣長(zhǎng)度之比)的PTFE彩色薄膜與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相比，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、直流擊穿電壓強(qiáng)度等性能如表1所示。

表1 不同定向度的PTFE彩色薄膜與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)性能對(duì)比

4 結(jié)果與討論

相對(duì)于不定向的普通薄膜而言，彩色PTFE半定向薄膜(定向度為1.5～1.8)，有著如下突出特點(diǎn)：

(1)薄膜的色彩性能，PTFE彩色薄膜，色感好、色點(diǎn)分布均勻、不褪色，區(qū)別不同傳輸信號(hào)的進(jìn)出線路、易于分辨, 區(qū)別線路有保障。

(2)薄膜的力學(xué)性能，為了增強(qiáng)PTFE彩色薄膜的機(jī)械強(qiáng)度,對(duì)薄膜的物理機(jī)械性能也有一定的要求，測(cè)試結(jié)果如表1所示，由表可見(jiàn),薄膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值,顯示出PTFE彩色薄膜優(yōu)良的物理機(jī)械性能[4]。

(3)薄膜的電氣性能，作為電線電纜行業(yè)的層間絕緣材料,指標(biāo)要求絕緣層薄膜的直流擊穿電壓強(qiáng)度不得低于40 kV/mm,由測(cè)試結(jié)果表1可見(jiàn),測(cè)得薄膜的強(qiáng)度達(dá)到45 kV/mm，高于標(biāo)準(zhǔn)的要求，其他如介質(zhì)損耗因素、相對(duì)介電常數(shù)、體積電阻率等各項(xiàng)也都符合標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。

(4)薄膜的熱性能，用于電線電纜行業(yè)絕緣的材料,薄膜的耐熱性是個(gè)非常重要的指標(biāo)。氟塑料有著超乎尋常的熱穩(wěn)定性，薄膜材料的分解溫度為386 ℃,使得PTFE彩色薄膜能適應(yīng)150～260 ℃的高溫環(huán)境，從而大大提高了該類(lèi)絕緣材料的使用范圍。

5 結(jié) 語(yǔ)

PTFE彩色薄膜(定向度為1.5～1.8)，是一種新型的電線電纜行業(yè)層間絕緣膜,薄膜的電氣強(qiáng)度大于40 kV/mm、拉伸強(qiáng)度大于20 MPa、薄膜材料的分解溫度為386 ℃,各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)通信、高層建筑、地鐵、高速列車(chē)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，由于PTFE所具有的良好的耐蝕性、高頻介電性、耐熱阻燃性以及優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)等性能，PTFE彩色薄膜電線電纜在航空航天、電氣電子產(chǎn)品、交通等領(lǐng)域中的應(yīng)用將日益廣泛。

1 劉桂林等.Mg/PTFE薄膜制備與性能表征[J].含能材料，2010(2)：205-208．

2 沈麗敏.氟聚合物絕緣和護(hù)套控制電纜的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].價(jià)值工程，2015(2)：143-145．

3 黃慶林等．聚四氟乙烯膜的制備及性能[J]．高分子材料科學(xué)與工程，2010(5)：123-126．

4 劉志敏等.特氟龍薄膜的制備和改性[J].化工新型材料，2015(11)：237-238．

5 營(yíng)營(yíng)等. PTFE 膜材單向拉伸性能[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2010(4):219-223.

6 趙麗等.聚四氟乙烯膜表面處理研究進(jìn)展[J].中國(guó)塑料，2011(6)：22-25．

(責(zé)任編輯：譚銀元)

TechnologyResearchandApplicationofPTFEColorFilm

YANGJun-qiu1,ZHOUFei1,WANGShi-shan2

(1.Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China; 2. Wuhan Engineering Plastics Co., LTD, Wuhan 430056,China)

The paper introduced the properties, characteristics, application, molding technology of PTFE color film, including processing technology, the main equipment, processing conditions and product specifications and performance. By test analysis, the electric strength of this film is greater than 40 kV/mm. Its tensile strength is greater than 25 MPa and the decomposition temperature of this film material is 386 ℃. This paper also analyzed application foreground of PTFE color film.

PTFE color film; insulation material; dielectric property; corrosion resistance

本文系武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年科研項(xiàng)目“彩色聚四氟乙烯薄膜研究及應(yīng)用”2016y06號(hào)階段性研究成果”。

2016-12-25

楊俊秋，女，教授/高級(jí)工程師，主要從事材料成型與應(yīng)用、模具設(shè)計(jì)與制造的教學(xué)與研究工作。

TM215

A

1671-8100(2017)02-0034-04