改性聚四氟乙烯制件的熔接方法

张心予

（松下家电研究开发（杭州）有限公司，杭州 310018）

改性聚四氟乙烯制件的熔接方法

张心予

（松下家电研究开发（杭州）有限公司，杭州 310018）

为解决聚四氟乙烯（PTFE）因其极高的化学稳定性和不粘性而相互间熔接困难，特别是大直径PTFE的管材等其他结构装置不可能用注射或糊挤出等方法制得的问题，介绍了改性PTFE介在下的PTFE制件间的熔接技术和改性PTFE制件间直接熔接技术。认为目前国内还缺少熔接用的改性PTFE生产技术、熔接技术和装置，而国内对该改性PTFE和由该树脂制造的设备需求日趋增多、用途逐渐广大，因此要加大研发力度，尽快满足市场需求。

熔接；改性聚四氟乙烯；制件；

聚合物中部分或全部氢原子被氟原子取代后，具有很多其他聚合物无法比拟的优越性能。聚四氟乙烯（PTFE）是含氟聚合物中最主要的产品，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化性，可制成管、棒、带、板、薄膜等制品，一般用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。但PTFE材料本身具有极高的化学稳定性与不粘性，表面张力非常低和熔融粘度非常高，相互间熔接比较困难，限制了用途范围。

改性PTFE是指四氟乙烯（TEF）聚合时添加少量改性单体的共聚物[1]。PTFE的改性单体为X(CF2)nOCF=CF2（X为氢、氟或氯，n为1～6的整数）或C3F7(OCF2CF2CF2)m[OCF(CF3)CF2]pOCF=CF2（m和p为0～4的整数，但不能同时为0）的氟烷基乙烯基醚、CF3CF=CF2、CF2=CFH、CF2=CFCl、CF2=CH2、RfCY=CH2（Rf为碳原子数3～21的多氟烷基，Y为氢或氟）等TFE除外的含氟不饱和单体，常用的是全氟烷基乙烯基醚。通常用量为TFE质量分数的0.01%～1.0%。可熔性PTFE（PFA）虽是TFE与全氟烷基乙烯基醚的共聚物，但为全氟烷基乙烯基醚的质量分数为2.8%～4.0%的共聚物，不属于上述的改性PTFE。

改性PTFE能用聚合得到的粉末或用该粉末经造粒的造粒料，也包括改性PTFE中含适量如玻璃纤维、碳纤维、青铜粉等各种填充剂。本文介绍有关改性PTFE熔接技术。

1 改性PTFE介在下的熔接

Shimoda Yutaka等人提出了熔接装置和方法[2]。该装置设有将氟树脂熔接面面对面地固定，并通过对熔接面及附近加热到氟树脂材料的熔融温度以上的加热，和在该加热段2侧设置比熔融温度低的余热氟树脂的手段。将难熔氟树脂熔接面之间插入改性PTFE，通过加热熔接面或其附近的融着熔接方法。用该装置和方法，加热熔接后不发生收缩变形。加热温度为335～400℃，余热温度为200～300℃。加热段长度为10 mm～100 m，余热段长度为10～100 mm比较合适。如50 mm×50 mm的角材端面相互熔接。在这2个角材熔接面之间插入改性PTFE熔接材料，熔接部位及附近保持比PTFE成形体熔融温度高的温度，而熔接部位及附近以外的PTFE成形体的部位保持比其熔融温度低的温度进行熔接。经测定，质量分数15%玻璃纤维的PTFE材料（母材）的拉伸强度为23.0 MPa，经上述方法熔接后拉伸强度为18.6 MPa，只低于PTFE材料（母材）的81%，而用以往通常的方法，拉伸强度低于PTFE材料（母材）的54%。

Shimoda Yutaka等人针对PTFE制件、改性PTFE制件、PTFE制件间界面的熔接强度还是比较小，即使在熔接面加压也不能提高熔接强度，使用时要引起变形和弯曲等，甚至突然破裂等情况，将PTFE等难熔着性氟树脂材料的熔接面相互对牢，其在熔接面之间插入改性PTFE材料，经加热压着，得到熔着的熔着构造体，然后在熔接面双方形成凹面，嵌入芯材，确保大弯曲强度[3]。

另外，PTFE板材熔接面熔接这样的简单结构在熔接的装置上是能完成的。但如制作框架与有底结构组成的药剂槽这样的复杂结构时，要在熔接部位给予高压而且均一的加工装置和设备上完成。制作这样的装置和设备的费用直接摊派到制品上，使制品成本提高。

Takaya Yoshiharu等人在PTFE压缩成形制件之间介入改性PTFE压缩成形制件，经烧结熔接。该方法提供了不失去耐药品性、电性能、耐热性等优异性能PTFE制件，同时消除了PTFE制件之间熔接困难的缺点复合结构。认为PTFE压缩制件和改性PTFE压制件中粒子间有细微空隙，加热后渐渐膨胀（压缩制件虽然本身有空隙，加热熔融体积在减少，实际上是膨胀的），超过熔点，膨胀剧烈，如接近400℃，膨胀率接近10%。膨胀时在PTFE压缩制件和改性PTFE压缩制件的界面上，熔融的分子相互进入粒子间的空隙，使双方的分子相互缠绕。改性PTFE比PTFE熔融粘度稍低，改性PTFE分子容易进入到PTFE的空隙形成缠绕。在缠绕状态下继续加热，双方形成熔融状态，烧结后形成融着结构[4]。

2 直接熔接

Kondou Shiyousaku提出比熔融黏度1～104MPas的改性PTFE制件相互熔接的方法。如在375℃压机中放置200 mm×200 mm×2 mm的铝板，在该铝板上放置要熔接的2块200 mm×25 mm×2 mm样板，长边对住。样板和铝板在375℃无压力条件下保持约5 min，然后加压到0.3 MPa，保持5 min，样板间就可熔接。熔接后铝板和样板从压机中取出，冷却到室温。经测定，与PTFE制件的熔接体或在PTFE制件间介入PFA的熔接体比较，剥离强度大，熔接状态也良好[5]。

Ishioka Seigo等人在模具中填充改性PTFE的原料粉末，经压缩，形成与容器本体及盖体对应的预制件，烧结成制件，然后车削成形体内部表面，再用熔融用模具将容器成形体与盖成形体一起熔融再烧结，制成贮存药液的密封中空容器[6]。制得的该容器不仅没有污染痕迹，而且清洗性优异、强度高，适用于高纯试剂的保存。

Shirasaki Osamu等人将热收缩率不同的2个改性PTFE预制件熔接面相互对接或接近，然后烧结预制件，形成一体的改性PTFE制件的焊接方法[7]。用该方法得到的厚壁制品的熔接部位有足够高的熔接强度，次品比例减少，成型制件尺寸精度提高。加工操作简单，批量生成能力大幅度提高。如将平均粒径28 μm的改性PTFE粉末在30 MPa压力下成型得到外径100 mm、内径50 mm和高70 mm的管状预成型制件。另外，改性PTFE在相同压力条件下成型得到直径50 mm和厚15 mm的圆片状预成型制件。把圆片状预成型制件插入管状预成型制件的中空部分的最下部作底，把此预成型制件的复合体在360℃下加热6 h。冷却后，圆筒和圆片熔接在一起。

Shirasaki Osamu等人将有密闭的内周长熔接面第1改性PTFE预制件如圆筒，与适合上述内熔接面形状的外周长熔接面的第2改性PTFE预制如圆板的熔接方法。第1的预成型部件内熔接面比第2预成型部件的外侧熔接面相对或稍大，经加热、膨胀、将第2预制件嵌入第1预制件的内侧，然后升温、保持，冷却，使其成为一体。采用该方法，即使是非常大的制件，熔接部位有非常大的熔接强度。如有底圆筒状容器的制作[1]：1）将改性PTFE在30 MPa下压缩成形，制得外径110 mm、内径80 mm、高100 mm圆筒状预成型制件；2）用同样方法制得直径80.5 mm、厚度15 mm圆板状预成型制件；3）将圆筒状预成型制件移至电炉内，以50℃/h的速度升温，在100℃保持40 min、200℃保持30 min、250℃保持20 min、280℃保持20 min，将常温下的底部用圆板状部件插入圆筒状部件下面的内部，然后以50℃/h的速度升到360℃，在这温度条件下保持6 h，然后再以50℃/h的速度冷却后，在25℃放置1 d。

3 小结

PTFE或以PTFE为主的材料因有卓越的热稳定性和化学稳定性，广泛用于热交换器、塔及容器这类化学装置上的耐腐蚀内衬。大直径PTFE的管材不可能用注射或糊挤出的方法制得，特别是对于有比较大内径的装置需要气密、液密相互熔接。目前国内还缺少熔接用的改性PTFE生产技术、熔接技术和装置，而国内对该改性PTFE和由该树脂制造的设备需求日趋增多，用途逐渐广大。因此，要加大研发力度，尽快满足市场需求。 参考文献

[1]Shirasaki Osamu,Tanigawa Shingo.Method for producing modified polytetrafluoroethylene moldings by joint molding: WO9962696[P].1999-12-09.

[2]ShimodaYutaka,TomizawaTakeo,YamagishiEishin.Welding apparatus and welding method:JP2006-068909[P].2006-03-16.

[3]Shimoda Yutaka,Tomizawa Takeo,Yamagishi Eishin.Welded structure of fluoroplastic resin materials:JP2006-068910[P]. 2006-03-16.

[4]Takaya Yoshiharu,Matsumoto Hidemasa,Fujii Tomoya. Method for manufacturing polytetrafluoroethylene-based composite fused structure and polytetrafluoroethylene-based composite fused structure:JP2014-004743[P].2014-004743

[5]KondouShiyousaku.Bondedarticleofmodifiedpolytetrafluoroethylene molding:JP61-136525[P].1986-6-24.

[6]Ishioka Seigo,Minase Kazuo.Hermetically sealed hollow container,and its manufacture:JP2000-140067[P].2000-05 -23.

[7]Shirasaki Osamu,Kawachi Shoji,Tanigawa Shingo.Method for bonding and molding modified polytetrafluoroethylene moldings:WO9824612[P].1998-06-11.

TQ050.4+5

ADOI10.3969/j.issn.1006-6829.2016.03.005

2016-02-28