聚四氟乙烯纤维的制备方法及应用研究

2023-01-07李佳宁刘明月马建伟

山东纺织科技 2022年2期

李佳宁，刘明月，马建伟

(青岛大学纺织服装学院，山东青岛 266071)

聚四氟乙烯(PTFE)又称特氟隆(Teflon)，有“塑料王”的美称，聚四氟乙烯特殊的分子结构使其具有优良的性能：广泛的使用温度范围，聚四氟乙烯长时间使用温度为-190 ℃～260 ℃；突出的不沾性与润滑性，聚四氟乙烯纤维在现有的合成纤维中表面张力最小，摩擦因数最低，不黏附物质，润滑性高；绝缘性能好，是高度的非极性材料，有突出的介电性且电阻大；化学稳定性能佳，聚四氟乙烯纤维的化学稳定性极好，对绝大多数的化学药品和溶剂表现出惰性；良好的阻燃性，聚四氟乙烯纤维的极限氧指数高达95%，可在高温环境中有效控制火焰的蔓延；优异的耐老化性能，对紫外线稳定，室外暴露15年后，聚四氟乙烯纤维力学性能未发生明显变化。聚四氟乙烯纤维的优良特性，使其成为解决科研、军工和民用等领域中关键技术和提高生产技术水平不可缺少的重要材料。目前聚四氟乙烯纤维在化工、石油、纺织、医疗、机械等领域应用广泛。

1 聚四氟乙烯纤维制备方法

聚四氟乙烯纤维工业化生产始于1954年，由美国杜邦公司研发，是最早工业化的特种合成纤维。奥地利Lenzing公司于20世纪70年代成功开发出聚四氟乙烯膜裂纤维[1]。目前制备聚四氟乙烯纤维纺丝方法主要有载体纺丝法、糊料挤出纺丝法、静电纺丝法、切割膜裂法等。

1.1 载体纺丝法

载体纺丝法分为干法纺丝、湿法纺丝两种方法。载体纺丝法主要原理是借助如黏胶、聚乙烯醇等成纤性聚合物为载体来进行纺丝，经过高温烧结后使载体炭化，这样便能够去除成纤聚合物，使聚四氟乙烯颗粒得到充分熔融、黏结，最后得到聚四氟乙烯纤维。载体纺丝法的工序简单且工艺成熟、制备出的纤维线密度均匀，但是有载体用量、损耗比较大、纺丝原液不稳定的缺点。

1.2 海岛纤维纺丝法

海岛纤维纺丝法[2]的原理是首先将两种不相容的物质混合得到共混物，聚四氟乙烯为岛状物质，PVA水溶液作为用于促进拉伸的基质，在拉伸后最终步骤中被去除。将共混物在80 ℃烤箱中干燥3小时，再热压成一层1 mm厚的薄膜，然后切成条状，并用钳子在热板上拉成胶带，最后使用80 ℃的热水进行磁力搅拌，从胶带上去除PVA后，再经过滤、漂洗等步骤除去聚四氟乙烯纤维表面的残留物，获得聚四氟乙烯纳米纤维，但此种方法有生产效率低的缺点。

1.3 静电纺丝法

静电纺丝技术[3]是一种工艺简单的微米纤维、纳米纤维制备技术。静电纺丝技术的原理为在静电场的作用下将聚合物溶液或者熔体进行喷射纺丝，从而在基体上固化成膜，可以制备出直径很细的纳米纤维。由于聚四氟乙烯有溶解度低、熔体粘度高等特性，采用静电纺丝的方式较为困难，于是常采用其它聚合物与聚四氟乙烯共混的方式来实现纺丝。静电纺丝法生产过程的优点为工艺简单、纤维均一性高、成本低、流程短、可以制备超细纤维，有广泛的应用前景，但是该方法产量较低、产业化较困难、难以制备纯聚四氟乙烯纤维。

1.4 膜裂法

膜裂法[4]由奥地利Lenzing公司于20世纪70年代初开发并工业化，膜裂法纺丝的大体工艺流程为：首先将粉末状的聚四氟乙烯加工成圆柱形的坯体，再用压延的方式将坯体加工成具有一定厚度的薄膜，然后用锯齿刀或者针辊将薄膜切割成一定宽度的窄条，再经过加热拉伸操作，最终得到聚四氟乙烯纤维。膜裂法纺丝具有工艺简单无污染、纤维强度高、纤维具有微孔结构等优点，且膜裂法制备聚四氟乙烯纤维过程环保、加工效率高，制品力学性能可控度较高，品种和规格较多，包括不同粗细、形状、致密程度的缝纫线、长丝和短纤等。膜裂法的主要不足之处是工艺对温度的要求比较高，且生产出来的聚四氟乙烯纤维粗细均匀度较差、纤维较粗、纤维截面形状多为扁圆形。

从用途来看，膜裂法聚四氟乙烯短纤维大量应用在高温空气过滤领域，膜裂法长纤维主要应用于高温空气过滤材料用增强基布，膜裂法缝纫线主要应用于高温空气过滤用滤袋缝合，膜裂法长丝则用于填料密封用盘根等领域。

2 聚四氟乙烯纤维的应用

2.1 聚四氟乙烯纤维在过滤领域的应用

由于聚四氟乙烯纤维在高温下力学性能较好，可以长期在260℃及以下高温使用，温度280 ℃时也可以短期使用，因此可以作为高温粉尘过滤材料。利用聚四氟乙烯短纤制备的袋式除尘滤袋具备耐酸、碱性强，抗氧化性能、耐腐蚀性能优异的特性；聚四氟乙烯长丝经工艺制备的纤维网布，与磺酸树脂复合形成离子交换膜，是氯碱工程的关键材料。聚四氟乙烯纤维的表面能较低，也可以用于自清洁过滤介质领域，如发动机和燃气轮机的进气系统都可以采用自清洁过滤器，以防止高浓度粉尘带来的不利影响。LONG J等人[5]通过采用湿法纺丝制备了新型的聚四氟乙烯/纤维素纤维复合介质，发现聚四氟乙烯纤维所占百分比较高的复合介质更容易分散颗粒，提高自清洁性能。

2.2 聚四氟乙烯纤维在石油工业的应用

聚四氟乙烯具有优异的性能，可应用于石油工业领域的诸多方面。在静密封方面，设备接触面的密封系统里常采用聚四氟乙烯共混复合材料作为静密封件。在动密封方面，常采用以聚四氟乙烯悬浮树脂为基体的聚四氟乙烯共混复合材料。在润滑减摩方面，聚四氟乙烯可以添加到润滑油中作为减摩改性剂，也可以作为稠化剂对润滑油进行稠化改性。在油水分离方面，聚四氟乙烯常用于原油脱水问题处理以及含油废水问题的处理[6]。

2.3 聚四氟乙烯纤维在医疗材料的应用

近年来，聚四氟乙烯纤维在医疗领域的应用逐渐拓展，如人工心脏瓣膜、人造韧带、人造食道、人造血管、普通外科和整容外科的手术缝合等生物医用材料方面。聚四氟乙烯纤维本身没有毒性，化学惰性良好，并且生物相容性很强，因此机体不会对其产生排斥，对人体没有生理副作用，且由于聚四氟乙烯纤维耐化学腐蚀强，因此可以使用任意方法对其进行消毒[7，8]。王祥花等人[9]发现，因聚四氟乙烯人造血管具有抗血栓性能好，生物相容性良好，内径和长度可调节，能够承受较大的动脉压力且血管不易塌陷、弯曲，硬度适宜，因此聚四氟乙烯人造血管可用于血液透析患者再建透析通路。

2.4 聚四氟乙烯纤维在建筑的应用

通常情况下，建筑工程中的膜材料通常有两大类，一是以聚四氟乙烯薄膜为代表的非织物类膜材，另一种是以聚四氟乙烯涂层玻璃纤维织物以及涂层覆盖聚酯纤维织物为代表的织物类膜材。利用聚四氟乙烯纤维制成的膜结构材料透光性好，对于照明及空调等费用的节约有很大帮助，且表面系数低、不易积灰，耐老化性能好、使用寿命更加长久，常用作体育馆、室外竞技场、大型展会等屋顶材料[10，11]。

2.5 聚四氟乙烯在纺织领域的应用

聚四氟乙烯纤维在纺织领域的应用主要有以下几个方面：利用聚四氟乙烯纤维的高弯曲疲劳性能，与其它高性能纤维进行混合，制备用于起重作业的高张力、高弯曲应力高性能绳索[10]。医用多功能防护服的隔离层常采用聚四氟乙烯复合材料，其对血液、病毒都有很好的隔离作用，且具有抗菌、防水、阻燃透湿等优良的性能。宇航服对于材料的要求很高，需要满足耐压、质轻、耐老化等特性，而聚四氟乙烯纤维织物通常可以作为宇航服的防撕裂层和限制层[8]。