分散聚四氟乙烯树脂加工为短纤维的影响因素

2016-11-07刘文武田仁平王晓妹

化工生产与技术 2016年5期

关键词：短纤维聚四氟乙烯乳化剂

刘文武，李平，田仁平，王晓妹

（浙江巨圣氟化学有限公司，浙江衢州 324004）

分散聚四氟乙烯树脂加工为短纤维的影响因素

刘文武，李平，田仁平，王晓妹

（浙江巨圣氟化学有限公司，浙江衢州 324004）

介绍了分散聚四氟乙烯（PTFE）树脂加工为短纤维的影响因素。能够满足短纤维加工需求的树脂要求原始粒子形态为球状、分子量分布均匀、标准相对密度为2.16～2.185。短纤维专用分散PTFE树脂在加工应用过程中，表现出良好的吸油性和成纤性能，能够获得拉伸强度高、线密度分布集中的短纤维。

聚四氟乙烯；短纤维；性能

聚四氟乙烯（PTFE）是一种物理和化学性质优异的高分子聚合物，其分子量分布范围极广，结晶度能够达到90%以上。正是PTFE材料表现出良好的物理以及化学性能，将其利用切割拉伸法、糊状挤压纺丝法以及载体纺丝法等方法制成PTFE纤维，应用到过滤、纺织等领域越来越受到推崇[1]。近年来短纤维用PTFE分散树脂在针刺毡领域的应用愈来愈广。对影响PTFE分散树脂加工成PTFE短纤维的主要因素有树脂的粒子形态、分子量、孔隙率等。

1 PTFE短纤维的生产

1.1 分散树脂

在PTFE聚合釜中一次性投入高纯水、乳化剂、引发剂等助剂，进行抽真空以及保压试验并除去聚合釜内的氧气，O2的质量分数低于10×10-6后，连续通入四氟乙烯（TFE）单体，维持反应压力以及温度。待聚合反应结束后，分离出石蜡得到PTFE乳液。经冷却、凝聚、洗涤、干燥，获得PTFE分散树脂。

1.2 短纤维

PTFE分子链十分规整、刚硬，即使晶体在327℃以上熔融也很难产生熔融液体，而只是黏度较高的冻胶[2]。冻胶流动性非常差，不能采用熔融纺丝。此外，PTFE中的碳原子被氟原子完全包围，使得大分子与其他分子之间的吸引力非常微弱，缺乏溶剂化作用，现有的溶剂无法溶解PTFE[3-4]。因而，普通湿法纺丝或干纺也不适用于制备PTFE纤维。

目前国内外常用的PTFE纤维加工的方法有切割拉伸法和化纤载丝法。基于环保等问题，目前主要采用切割拉伸法，其加工过程为：PTFE原料→混料→预烘→压坯→推压→压延→脱脂→烧结→破丝→卷曲→定型→切段→开松→成品。

该方法获得的PTFE短纤维，线密度在2～5 dtex，单根纤维的长径比分布不一致、纤维的直径离散性较高、截面形状很不规则，但却有较大的比表面积[5]。

2 树脂性能对加工短纤维的影响

2.1 树脂原始粒子形态

分散PTFE是用全氟辛酸铵为乳化剂的乳液聚合，当乳化剂的含量超过临界胶束含量时形成以棒状为主的乳胶粒；当乳化剂含量低于临界胶束含量时，球形乳胶粒占主体。在转化率很低时，低分子量的PTFE分散粒子易集结成六角形分散形态，而表面活性剂的链长和含量增加有利于六角形乳胶粒的形成；经过较长时间的聚合后，乳胶粒形态以球状粒子为主。当表面活性剂含量接近或大于临界胶束含量时，在整个聚合反应过程中，PTFE粒子都以棒状粒子为主。

对不同原始形态树脂产品进行短纤维加工。发现棒状形态下（图1(a)）的分散PTFE树脂在加工过程容易发白、发粗、强度差，不能满足生产需求；而以球状粒子为主的（图1(b)）PTFE树脂在加工过程中不会出现发白的情况，能够连续拉伸分切且强度也能满足需求。

图1 分散PTFE树脂初级粒子扫描电镜照片Fig 1 SEM morphologies of dispersion PTFE resin primary particles

2.2 树脂分子量分布

图2是PTFE短纤维用PTFE分散树脂DSC。

图2 分散PTFE树脂DSC曲线Fig 2 DSC curves of dispersion PTFE resin

由图2可知，代号为A2与A3的熔融峰半峰窄，结晶度低，分子量分布不均匀，产品在加工过程中存在发白、拉伸过程中易断、压延有白条等问题，同时在加工过程中还存在机带宽窄不一，烧结过程中雾状等问题，损耗增加，无法满足加工需求；代号为A1树脂熔融峰宽，分子量分布均匀，能够满足加工需求。

造成分子量分布不均匀的原因有聚合釜搅拌桨传质不均匀，无径向和轴向传热；聚合反应过程中，反应压力过低也会造成分子量分布不均匀；此外，原材料含有杂质、反应单体纯度低等都会造成分子量分布过宽、不均匀。

2.3 树脂分子量

树脂分子量的大小对短纤维树脂加工影响较大，分子量偏大，树脂强度大，结晶度高，在烧结过程中，树脂烧不透，需要提高烧结温度，增加了加工难度和能耗；得到的纤维产品过硬，柔软度差，不能满足客户需求。而分子量偏小，在拉伸过程中容易拉断、强度不够，使得加工无法进行，即使工序勉强走完，获得的产品强度也达不到客户的需求。

影响分子量大小的因素有很多，主要有引发剂的含量、原料的纯度以及乳化剂的纯度等，一般调节树脂标准相对密度为2.165～2.190即满足短纤维树脂的加工要求。

2.4 树脂颗粒孔隙率

图3是分散PTFE树脂孔径分布。

图3 分散PTFE树脂孔径分布Fig 3 Pore size distribution of dispersion PTFE resin

对PTFE树脂孔分布分析，A3孔隙率过大，在加工过程中，吸油量多，熟化助剂需求量增加，不容易脱除，增加脱脂难度和助剂用量，同时导致烧结过程中易断，无法连续进行烧结拉伸；A2孔隙率过小，吸油差，需要增加熟化时间和熟化温度，否则会导致纤维化程度高，压延样条偏硬，无法正常加工。而介于两者之间的A1树脂，孔体积集中分布在35～45 mm3/g能够满足短纤维加工需求。