涨知识:膨体聚四氟乙烯的应用!

20世纪60年代末,美国Gore公司采用机械拉伸方式开发出膨体聚四氟乙烯薄膜,产品名为GORE-TEX,它具有结点和纤维组成的网状结构,结点由许多PTFE颗粒粘结在一起构成,纤维是从PTFE颗粒中拉伸出来。20世纪70年代中期,Gore公司利用双向拉伸技术开发出PTFE双向拉伸微滤膜,并成功应用于服装面料、空气过滤等行业。

膨体聚四氟乙烯膜简称ePTFE膜,是一种新型高分子材料,具有微米或亚微米级的多孔立体网状微观结构,由PTFE树脂经拉伸、车削等特殊加工方法制成,在保持了PTFE优良化学性能的同时,通过改变材料的结构、形态、厚度、表面几何形状,然后搭配不同特性的辅助材料,从而实现不同的功能和用途。ePTFE膜具有高度化学稳定性、耐高低温、耐腐蚀、耐气候、高润滑、良好的不粘附性、电绝缘性、生物相容性佳等优良特性,是一种非常优秀的防水、防尘、透气材料。

ePTFE膜及其组件制造加工的主要原材料为PTFE树脂、PP、PE等高分子原料,该类原材料属于石油化工产品;由于其在声、电、磁、热等方面拥有特殊性能,ePTFE膜及其组件已广泛应用在了汽车、消费电子、新能源、医疗、服装、工业过滤、航空航天等领域。在世界范围内,北美和欧洲是世界主要的制造和消费市场地区。 戈尔,克拉克,圣戈班和唐纳森是全球领先的膨体聚四氟乙烯微孔膜制造商
膨体PTFE虽然在结构上发生了改变,但仍然保持PTFE的优良化学性能,同时还扩大了使用温度范围、提高了机械强度并增加了一些新的特性,如抗蠕变性能提高,膨胀系数减小,具有了多孔性、透气性、疏水性及极高的韧性,而这些优异的性能决定了它在各个领域均有广泛应用。表1列出了膨体PTFE和其他PTFE的一些典型性能。

一、防水透湿织物

 

ePTFE薄膜防水 透 湿 层 压 织 物 首 先 由 美 国Gore公司研制成功。后来该面料被广泛应用于军用民用领域,被誉为“世纪之布”。这种面料一般是以锦纶或涤纶机织物作表层,锦纶的经编织物作里层,ePTFE薄膜作中间层,经过层压方法而制成的三层织物。ePTFE织物的防水性能是由它的性能与结构共同决定的。一方面,ePTFE的表面能低,水在其表面的接触角远大于90°,ePTFE表现出极强的疏水性,因此不易被水润湿。另一方面,ePTFE薄膜的微孔直径极小,约是水蒸气分子直径5000倍,小水滴分子直径的1/200,水滴无法透过薄膜但水蒸气可以通过,所以ePTFE织物防水又透气。由于其孔洞排列不规则,可以防风,耐磨性也相对较强。同时由于ePTFE纤维呈现的高强度、低收缩、不粘性、抗紫外老化等优良特性,使其成为了户外运动服装的首选面料。除此之外它还常被制成消防服,宇航服、医用手术服、军用作战服、睡袋、轻便帐篷等。

二、消费电子领域

膨体聚四氟乙烯膜层的一面上涂布有具有气体分子微孔的涂层,可以达到50米水深以上不渗水,且能保证扬声器通话的音质清晰不失真。

 

在消费电子领域,耐水压透声膜产品已经应用于华为、小米等智能可穿戴设备,近三年相关产品的复合增长率高达67%,

三、密封材料与航空航天

膨体PTFE在高温高压下有良好的抗蠕变松弛性能、较好压缩回弹性能、优异的耐介质腐蚀性能、较高的抗拉强度,因此在密封领域获得了广泛的应用。以膨体PTFE板材制备的密封垫片可以在很大范围替代传统PTFE密封材料,而膨体PTFE编织盘根也因其优异的物理机械性能而大大提升了填料密封的使用寿命和密封效果,特别是几年发展的填冲改性膨体PTFE密封材料更进一步提高了材料的物理机械性能,能在更大领域满足密封的需要。

飞机上设计了许多窗口和口盖以便检查飞机内部的管路、设备以及系统的状态。传统的密封材料主要为橡胶,虽然橡胶的压缩性良好,但其耐温性和耐老化性较差,一旦老化就会失去弹性并出现龟裂现象,失去密封作用。飞机的油箱口盖一直采用密封剂进行密封,施工复杂,硫化时间长,且在除去旧的硫化胶时,费时费力,为飞机的地勤维修带来麻烦。ePTFE作为近年来蓬勃发展的新型氟材料,在航空领域主要用作结构密封,与传统的密封材料相比,其优势有以下几点:

 

  1. 密度小,在飞机上使用可以获得减重效果;

  2. 使用温度范 围 宽;

  3. 良好的耐老化型,蠕变性能;

  4. 施工容易,维护简便;

  5. 优异的耐腐蚀性。
    飞机上也有许多部件对密封性能提出了更高的要求,如系统维护面板、垂 直前面板、灯罩盖、驾驶舱风挡、雷达罩等。以往这些密封材料只能选用高性能橡胶密封圈,每次拆卸都需要换新,单个密封圈的成本高达千元以上,若更换为可重复使用的ePTFE后,可至少50次拆卸 后才需要更换,不仅提高了维护效率,更在很大程度上节约了成本,具有不可替代的地位。

    四、过滤材料

    ePTFE微孔薄膜具有优异的耐化学腐蚀性,耐高低温性,且摩擦系数低,将其通过热压或粘合剂复合到传统的滤料介质表面,可以做成具有独特性能的覆膜复合滤料。由于ePTFE孔多,孔径小(孔径在0.3~10μm),因此微孔薄膜能够拦截10μm以上的粉尘颗粒,而且薄膜表面极其光滑,很难形成很厚的粉尘层,清灰也比较容易。目前,ePTFE薄膜滤材已广泛用于化工厂、发电厂、炭黑厂、水泥厂、喷漆厂等的烟道过滤、热空气过滤中。而且,该薄膜还能用于某些液体过滤,且通过对ePTFE膜进行亲水改性可以大大提高水的过滤性能。

    五、建筑材料

    高强度的ePTFE膜还常被应用于建筑材料当中。与其他建筑织物不同,ePTFE制品具有高的透光率与弯曲灵活度。灯光设计师可以利用其独特的光学特性提高结构的外观,透射和反射多色照明已被用于提供室内照明。ePTFE纤维不会因为弯曲而损坏。这使它可以应用于开合式和临时性结构。而且由于ePTFE的不黏性赋予了它自清洁功能,雨水就可以把它冲刷干净。若雨水的量不足以清洗积累的污染,肥皂、水和光可以成功地清除大部分杂质。ePTFE材料使用寿命长,许多有名的建筑都会采用ePTFE膜作为建筑采光顶的膜材料,例如我国的国家体育场“鸟巢”,美国明尼波利斯体育馆等。

    六、医用生物材料

    由于ePTFE良好的生物相容性、柔韧性及化学稳定性,已逐渐发展成为一种重要的生物功能材料,目前,ePTFE材料已成功应用于人造血管、心脏瓣膜、防护服、帐幕、伤口敷料、消毒器械、包裹材料等领域。

     

    另外,ePTFE在新能源发展中也具有很大发展前景,它可以作为驻极体材料,也可以作为质子交换膜燃料电池中的质子交换膜材料等使用。ePTFE膜还适用于CO2捕获,气体/蒸汽分离和溶剂过滤等。

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