氟树脂,是指主链或侧链的碳链上含有氟原子的合成高分子化合物,可以加工成塑料制品、增强塑料和涂料等产品。氟树脂根据其加工特性可划分为两大类别:非熔融加工氟树脂与可熔融加工氟树脂。前者以聚四氟乙烯(PTFE)为代表,而后者则涵盖了FEP、ETFE、PVDF等多种类型。
一、非熔融加工氟树脂
聚四氟乙烯(PTFE),俗称特氟龙,因其分子结构中所有氢原子均被氟原子取代,形成了独特的物理化学性质。其高结晶度与在熔点时仍维持的高黏度,共同造就了PTFE非凡的物理、力学及加工性能,包括:超低表面能、卓越化学惰性、出色热稳定性、良好的机械强度、优异的介电性能、强耐辐射性等。
聚四氟乙烯(PTFE)是TFE经自由基聚合而成的均聚物,按制造方法不同、产品性能不同和加工方法不同,可分为以下品种。
(1)悬浮法聚四氟乙烯树脂PTFE(G)
悬浮法PTFE树脂,又称PTFE粒状树脂,是以TFE单体在水相中悬浮聚合得到的粒状树脂,经后处理制成不同粒径和表面形态的多个品级。
悬浮法PTFE因其极高的熔体黏度(107~108kPa·s),即使达到熔融温度也不流动,仅发25%左右的体积膨胀而相互熔结成一体,在剪切力作用下熔体容易破碎,所以悬浮法PTFE树脂的成型过程是仿照粉末冶金的成型方法,也被称为是模压成型。
按粒径尺寸大小、粒子外表面形态及加工方法的不同又可分为若干个不同品级:中粒度树脂,细粒度树脂,流动性好的树脂(造粒树脂,预烧结树脂)和电容器薄膜专用树脂(由低温聚合制得)等。
分散法聚四氟乙烯树脂 PTFE
分散法 PTFE树脂,常简称为 PTFE 细粉,是以TFE单体在水相中并有表面活性剂存在情况下实施乳液聚合得到的 PTFE 乳液经凝聚,洗涤和干燥后得到的细粉状树脂。
分散法PTFE树脂,在聚合过程中形成的颗粒直径仅0.20~0.30um,凝聚后成为几百微米的次级粒子,平均粒径为500mm,平均表观密度为约 450g/L,树脂呈白色细粉状。分散法PTFE具有很高的分子量和很高的结晶度。
PTFE细粉加工性能与悬浮PTFE树脂相比最大区别是它具有成纤性在剪切力作用下PTFE细粉颗粒之间能构成一定强度的丝网结构。
按产品适用的加工方法的差异主要划分为:中低压缩比树脂,高压缩比树脂,超高分子量分散 PTFE(适合加工纤维),压缩比是指在进行糊状挤出时料腔横截面积(或直径)同口模横截面积(或直径)之比。
(3)PTEE浓缩分散液(AD) PTFE
PTFE浓缩乳液又称PTFE分散液,是四氟乙烯在水为介质和全氟碳化合物分散剂存在下聚合得到乳液,再经浓缩和加入稳定剂(表面活性剂)后得到的固含量约为58%~60%的白色乳液状产品。乳液中PTFE颗粒的尺寸依聚合配方和聚合工艺不同一般为0.15~0.25pm(也有说在0.20~0.30mm),PTFE浓缩乳液同其他PTFE树脂产品相比的特点是产品呈液态;其应用与PTFE树脂固态产品不同,其加工方法主要包括浸溃、喷涂纺丝和薄膜浇铸等。
PTFE浓缩乳液,按用途分(通过不同聚合工艺条件控制初级粒子粒径大小不同、平均分子量不同、加入乳化剂量不同和调节浓缩乳液黏度不同)可分为涂料级,纺丝级,浸渍级。
(4)改性 PTFE
① 加入填充材料的填充PTFE
加入填充材料的填充改性PTFE,可以提高硬度,提高耐性等,或使材料具有一定的导电性。加入填充剂的方式可以是干法或湿法。常用的改性填料有:玻璃纤维、石墨、二硫化钼、导电炭黑、碳纤维、铜粉、镍粉等。另外,也常用耐高温的芳杂环聚合物作为填充物,进行填充共混改性,常用耐温聚合物包括:聚芳酯、聚酰胺酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚等。
② 用少量共聚单体作改性剂改性PTFE
用少量共聚单体作改性剂改性PTFE(PPVE改性,PMVE改性,HFP,CTFE改性),改性剂加人量一般为1%左右或更低。通过聚合过程中改性剂加入时间的控制和聚合工艺的变化可制得聚合物颗粒核改性、壳改性或两者都改性,满足不同用途的需要。
二、可熔融加工氟树脂
(1)聚全氟乙丙烯(FEP)
聚全氟乙丙烯(FEP)是TFE和HFP的共聚物,通常TFE的质量比为80%~84%,HFP质量比为16%~20%,HFP的引人使PTFE的直链结构含有很多-CF;基团的支链,大大降低了PTFE的结晶度,从而实现了熔融加工,同时又保持PTFE的基本特性。
FEP是可熔融加工氟树脂系列产品中最早确定的品种,其工作温度范围为-190~205℃。FEP加工性能好,有极好的耐高、低温性能和极好的化学稳定性。FEP最杰出的性能是电绝缘性(介电常数与PTFE一样,为2.1)。优越的电绝缘性能和易加工性能、低火焰蔓延和低烟雾产生的特性,使FEP主要用作电线、电缆中的绝缘材料,充压电缆在国内市场占相当大的部分。
FEP共聚物通常按产品的熔融流动速率(MFR)划分为多个不同品级:主要为模塑级、通用级、挤塑级、线缆专用级、涂料级(50%度乳液)。
(2)可熔性聚四氟乙烯(PFA)
可熔性聚四氟乙烯,是TFE单体同约3%~5%的全氟烷氧基乙烯基醚(PPVE),经自由基共聚而得到的树脂,是含氟聚合物中最重要的一类新品种,简称PFA。同PTFE相比,由于侧链存在全氟烷氧基,从而大大降低了产品的结晶度,使得PFA可像FEP一样熔融加工,熔点为300~315℃。而侧链上醚键的柔软性和可空间旋转性,使PFA产品的热稳定性比FEP高,长期使用温度同PTFE相同,均为260℃,而且机械强度和耐折性优于PTFE。PFA保留了PTFE良好的化学惰性、耐热性、不燃性、抗粘性、介电性等。
PFA首先由DuPont公司于1973年开发成功,商品名Teflon PFA。现世界上生产厂家主要有Du Pont、Daikin、Asahi Glass、Dyneon等公司。
按表征分子量的熔融流动速率(MFR)可划分为多个不同品级,如模塑级、挤塑级、线缆专用级、涂料级(主要是供静电喷涂用的料)。
(3)聚偏氟乙烯(PVDF)
PVDF是1,1-二氟乙烯(VDF)单体的均聚物,它是VDF经自由基引发剂引发的部分氟化的高分子聚合物,含氟量59.4%,含氢3%(质量分数),它是部分结晶的聚合物,结晶度为45%~70%。结晶度在很大程度上影响PVDF的刚性、机械强度和抗冲击性。PVDF的长期使用温度和耐化学药品性能稍差于FEP,推荐使用温度范围-60~150℃。
PVDF是氟树脂中产能规模和消费量仅次于PTFE的第二重要的氟树脂。由于其良好的耐高温性、耐候性、耐化学腐蚀性、及介电性,PVDF被广泛应用于涂料、注塑、水处理、锂电、及光伏背板等领域。PVDF的C-F键中氟原子的强电负性,使其具有很多独特而优异的性能,例如压电性、介电性、热电性等等,因此PVDF在压电材料、介电材料、过滤材料、以及 其他应用领域都有着广泛的应用。
按聚合和后处理工艺不同和用途不同,可分为的品级为涂料级(未经造粒的粉料)、模压级、挤出级、线缆级、(流延)薄膜级。其中线缆级是在 PVDF 中加人 10%~20%共聚单体的共聚物。
(4)乙烯四氟乙烯共聚树脂(ETFE)
ETFE是乙烯和TFE 交替连接的部分氟化共聚树脂,两者之摩尔比接近1:1。ETFE碳链的 “之”字形曲折取向形成正交晶格,使得ETFE具有比氟聚合物不同的优点:低蠕变性、高拉伸强度和高的模量。直到在110℃出现 α 转变,碳链间的吸引力都使这种晶格得以保持。ETFE在很宽的温度范围呈现超常的刚性和耐磨性。在高拉伸强度、高冲击强度、耐曲挠性和蠕变性等方面具有很好的结合,较好地把碳氢聚合物工程塑料优良的力学性能同全氟聚合物的杰出耐热性和化学惰性统一在一起。
虽然ETFE的长期使用温度不超过150℃,低于大部分氟树脂,但是其硬度和耐磨性优于PTFE。如用过氧化物或射线对其进行交联,则可以提高机械强度,以及耐温等级,短时间内可以经受240℃的高温。
通过加人少量改性共聚单体,调节聚合工艺等方法,改变结晶度和其他性能,可以形成多个不同性能和适用范围的品级。主要有涂料级、薄膜级、线缆级、模压级。
目前国际上大规模生产ETFE的厂商主要为美国DuPont和3M公司,日本 Asahi和Daikin公司。其品种分别为Tefzel®、Nyneon ETFETM、Fluon® ETFE 和Neoflon ETFE系列。
(5)聚三氟氯乙烯(PCTFE)
聚三氟氯乙烯是三氟氯乙烯的均聚物,可以通过自由基引发的本体、溶液、悬浮和乳液聚合制得,也可由UV或射线辐照引发聚合制得,其中采用最多的是悬浮和乳液聚合方法,聚合介质可以是水或其他非水介质。文献报道PCTFE的熔点为 210~215℃。PCTFE树脂为白色粉状物,结晶度达85%~90%,化学稳定性和高温稳定性仅次于 PTFE 和 FEP,耐强酸、强碱、油类及大多数有机溶剂。热变形温度为129℃,热分解温度315℃,可适合的工作温度范围为-200~200℃,耐性、尺寸稳定性好,透明度高,耐冷流性好。此外,耐辐照,耐气候老化,不燃。
市售的聚三氟氯乙烯主要包括聚三氟氯乙烯均聚物(PCTFE)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)两类。PCTFE和ECTFE因在特定应用领域具有优异的性能,如突出的水汽阻隔性、耐低温开裂 性、耐磨性和耐候性等,广泛应用于国防军工、航空 航天、电子信息、光伏、化工和医疗等高新技术领域。
(6)无定形氟树脂(透明氟树脂)
无定形氟聚合物 是 20 世纪80 年代末开发的一种完全非结晶性氟聚合 物,它既具有以聚四氟乙烯 为代表的结晶或半结晶型全氟聚合物材料的力学性能、热稳定性、耐化学性、电气性能和物理性能,还具有独一无二的高度透明性、在氟溶剂中的溶解性、低折射率和优异的介电性能,可广泛用作光学材料、半导体加工材料和电子材料等。
无定形氟树脂是由 TFE同2,2-双三氟甲基-4,5-二氟-1.3-间二氧杂环戊烯用自由基引发共聚而成的完全无定形氟树脂,如以 PDD均聚可得到玻璃化温度 Tg为 335℃的全氟树脂,目前 PDD同 TFE 共聚得到的共聚物的玻璃化温度可达到 160~240℃。同其他氟树脂相比,由于具有最高的透明度,又被称为透明氟树脂。除具有高透光性外,还具有耐温性好、低吸水率、憎水憎油和优异的耐化学药品等特性。特别适用光导纤维的包覆材料和其他如光学仪器等,可制成特种溶液,用作功能性层等。
无定形氟聚合物的典型代表是Teflon AF,该共聚物1988年由美国DuPont 公司申请专利,1989 年首次报道了Teflon AF1600 和Teflon AF2400 两种牌号的产品信息,1990年推向市场。
(7)THV三元共聚树脂
THV 是四氟乙烯-六氟丙烯-偏氟乙烯的三元共聚物。最早是 Hoechst 公司开发的一种材料,它能适用于在室外环境具有同PTFE和ETFE一样的氟树脂特性,又能适应PVC涂层的聚酯纤维,商品名为 HostaflonTM TFB X,1996年后更名为 DyneonTM THV。
THV具有独特的性质:比较低的加工温度,挤出加工时熔体温度仅为230~250℃;良好的可黏结性(不但可在同质间黏结,还可同其他材质的基材黏结);高的柔软性;极好的透明度、低的折射率;可有效地进行电子束交联。它也具有其他同氟塑料有关的同样性质,包括很好的化学惰性、耐候性、低的摩擦系数和不易燃烧性等。
(8)PVF氟树脂
聚氟乙烯(PVF)是氟乙烯(VF)的均聚物,这是一种高结晶度聚合物,PVF的耐候性,耐磨性和防锈性能特别好。使用温度范围为-100~150℃。除用作农用薄膜外,在太阳能电池底板上的应用日益增长,还可同木材、塑料和金属复合。
PVF具有优异的耐候性,优异的力学性能,对很宽范围的化学品、溶剂具有好的惰性,良好的防锈性能,优异的水解稳定性,很高的介电强度和介电常数。外观清澈的PVF膜对于光谱区域内包括近紫外、可见光和近红外段基本上是透明的。PVF薄膜具有很好的抵御太阳光引起降解的性能,用添加颜料的PVF薄膜同各种不同基材复合后可以提供较长的使用寿命。
PVF的应用主要在薄膜和涂料两个领域。