膨体聚四氟乙烯的性能与应用现状

杨俊秋 ，周飞 ，陈少艾 ， 武峰，田甜，王世山

（武汉船舶职业技术学院 ,湖北武汉,430050）

（武汉市工程塑料有限公司,湖北武汉, 430050）

1 前言

聚四氟乙烯（Polytetrafluoro ethylene）缩写为PTFE,俗称“塑料王”（简称F4）。是一种结晶性的高分子化合物。化学稳定性极高,即使在高温下也不与强酸、强碱起作用，其稳定性超过贵金属,不受任何化学介质的腐蚀。PTFE分子是由-（-CF2-CF2-）-结构单元重复连接聚合而成的高分子材料, 有密封性、高润滑不粘性、良好的电绝缘性和抗老化能力、耐温优异能在+250℃至-180℃的温度下长期工作，广泛应用于机械、电子、电器、通信、环保、桥梁、航天工业、新能源等领域。

膨体聚四氟乙烯（Expamded PTFE）缩写为e-PTFE，是将分散的PTFE树脂经一定的生产加工工艺膨胀为一种多孔、低密度且高韧性的材料。由于e-PTFE具有PTFE材料的优良综合性能，且使用温度范围更大，机械强度更高，并具有多孔性、透气性、疏水性和极好的柔韧性等一些新特性，在医疗、环保、纺织服装、石油、化工、新能源等领域得到广泛应用。此外，将e-PTFE与特定的基布材料复合制备性能优异的高分子复合材料,还可成功地应用于节能减排、PM2.5颗粒物过滤、水净化、人造器官等方面，目前e-PTFE引起越来越多的关注和重视。

2 e-PTFE的结构与性能

2.1 PTFE分子结构特点

PTFE的分子结构式是:

聚四氟乙烯（PTFE）为四氟乙烯（TFE）单体的高结晶聚合物,其性状白色、无毒、无臭，是目前工业生产应用中最为广泛的工程塑料之一。PTFE分子具有稳定的空间结构，其中氟含量和极性的C-F键密度含量较高，聚合物链结构不活泼，分子结构稳定性极好，分子的特殊结构决定了PTFE具有诸多优越的性能。

2.2 PTFE的物化特性

PTFE具有优异的耐温性，其熔点为326℃，在+250℃至-180℃温度范围内可以长期使用，甚至瞬间可耐300℃高温，而且即使温度下降到-196℃，也可保持5%的伸长率。PTFE优异的耐温性不愧为塑料之王的美誉。

PTFE还具有诸多优异的物理性能，如高润滑性，其自润滑性能十分优良，静摩擦系数在各种塑料中是最小的；高耐磨性；非亲水性，PEFE制成的薄膜不会渗水；优良的电绝缘性，不受工作环境包括温度和湿度的影响。PTFE除在高压、高温等苛刻条件下F元素和熔融状态的碱金属对其有侵蚀作用以外，大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂都不会对PTFE造成腐蚀。此外，PTFE的表面不粘性也相当突出，但是PTFE熔体的粘度却很高，该性质限制了通过某些常用的热塑加工方法对其加工及成型，只有通过专门的生产工艺及设备对其加工及成型。

2.3 e-PTFE的特点和性能

e-PTFE是将PTFE树脂通过一定的生产加工工艺膨胀为一种多孔、低密度且高韧性的材料。所谓“膨化”，是一种加工方法，它是让原料在加热、加压的情况下突然减压而使之膨胀。美国化学研究员威尔伯特戈尔在他的1972年的专利中使用了“膨化”这一词，在其“膨化”的描述中，材料在加工后比重降低，这样的微观结构被形容为“纤维的”。对于该项专利，威尔伯特戈尔的初衷是生产出一种便于使用的且保留PTFE优异品质的密封材料，但使用了较少的起始原料。在戈尔的第一项专利中介绍了通过挤出机来制作带状PTFE， 随后转变成现在称之为膨体聚四氟乙烯（e-PTFE）的产品。其实早在1969年，戈尔就发现了PTFE可制成多孔状材料，而强度几乎保持不变，且具有均一的截面形状，他还发现，高温下快速拉伸作用能生产出性能优越的产品。1976年，戈尔提出对多孔状的产品进行改进，但是减少对填料的需求，戈尔解释加工过程中减少填料不仅可以使加工成本更低，而且可降低杂质的风险。戈尔研究发现，当初始聚合物的结晶度超过98%时，可大幅改善膨化工艺。戈尔通过实验发现，单轴拉伸特别是在高比率扩张下不但可增加膨化聚四氟乙烯的孔隙率，同时也可增加聚合物强度。在PTFE最低结晶熔点条件下拉伸，结晶的聚合物无序程度增加，使非晶态结构含量增加。锁定晶粒和纤维，增强抗蠕变性，结果是材料的强度得到提高。在戈尔研究的基础上，研究人员现在可以用膨体材料制成薄膜，用于从其它的材料中分离出湿润性和非润湿性液体，包括腐蚀性的液体。与未膨化聚四氟乙烯相比，膨化聚四氟乙烯可以更容易与其它材料粘合，由此证明膨体材料耐热性得到增强。

3 膨体聚四氟乙烯的应用

随着工业、科学技术的发展，膨体聚四氟乙烯的应用日益广泛，拥有越来越光明的发展前景，从日常生活用品到高科技产业包括：军工、航天等领域成为不可或缺的材料。本文主要介绍膨体聚四氟乙烯在滤料除尘、过滤PM2.5颗粒物、纺织服装、水净化、医疗领域等方面的应用。

3.1 在滤料除尘方面的应用

2013年底以来，环境保护部的数据显示，已陆续有25个省份、100多座大中城市不同程度出现雾霾天气，覆盖了中国将近一半的国土，面对来势汹汹的雾霾，各地纷纷拉响应急响应。包括高速封路，机场“停摆”，工地停工，学校停课，大气污染已经成为严重影响民众正常生产生活和身体健康的重要民生问题，采取有效措施治理大气污染刻不容缓。专家分析称，空气质量达到重污染的状况，首要污染物为细颗粒物（PM2.5）,天气因素是触发和加剧雾霾影响的直接因素，但根本因素是持续的污染物排放，主要大气污染排放总量远远超过了环境容量。

PM2.5（particulate matter）含义为2.5μm及以下的人体可吸入肺的颗粒物，对人体有很大的危害现越来越为国内外所关注。工业粉尘排放是大气中PM2.5的主要来源之一，控制工业粉尘中PM2.5的排放对减少大气污染、保障广大民众的健康具有实际意义。

作为治理粉尘污染主要设备的袋式除尘器是一种传统、高效的过滤式除尘设备，而将膨体聚四氟乙烯膜应用于袋式除尘器是近年来发展起来的一种新型、高效的空气过滤除尘技术，在防治烟尘和超细粉尘以及大气污染等方面效果显著。由膨体聚四氟乙烯膜制成的袋式除尘器是由两种性能各异的材料经特殊工艺加工而成，表层为膨体聚四氟乙烯，薄且致密、光滑又多微孔，主要起过滤作用，改变了传统的过滤概念,被称为为薄膜表面过滤，底层滤料为传统的滤料或采用纯PTFE纤维做成的基布，基布主要起到支撑表面薄膜的作用，增强机械强度。这种新型滤料与传统滤料相比具有微孔孔径更加均匀、稳定性更好、运行阻力更低、过滤效率更高等优点，即使对于亚微米级粉尘，过滤效率仍超过99.9%。此外，膨体聚四氟乙烯滤料能在高湿条件下长期工作，清灰处理也很容易。加之聚四氟乙烯本身具有极好的耐酸、碱腐蚀、 耐高温、 耐高湿、耐油、 耐压、耐水解和抗氧化的优异特点，因而具有其它纤维膜所不可比的优势，在建材水泥行业炉窑和电站燃煤锅炉、垃圾焚烧炉、除尘净化、空气过滤等的烟气除尘特别是过滤PM2.5领域具有广泛的应用前景。

3.2 在纺织服装行业的应用

随着科技的快速发展，功能性纺织品特别是聚四氟乙烯纤维织物日益受到企业的重视。聚四氟乙烯纤维织物是由聚四氟乙烯微孔薄膜经裂膜、纺纱、织造而成的织物，具有强度高、耐久性好、防水透湿、防火难燃、不受紫外光线影响、自洁性好而且使用寿命长等诸多优点，因而被广泛应用到纺织服装行业，并进一步扩展到医疗、建筑、国防、航天等领域。利用聚四氟乙烯薄膜生产的服装，具有不透水、只透气、防风保暖、轻便等与一般服装完全不同的特殊功效。人穿上这样的衣服，当人体散发水蒸汽时可以轻易散发，而穿着这种服装的人在雨天行走却可以防水，如消防服的使用就是一个很好的例子。

3.3 在水净化处理方面的应用

因PTFE材料结构高度对称，不含活性基团，结晶度高， 表面能低，表面不易润湿、疏水性很强，只有对这种薄膜经特殊处理才能使其应用范围更加广泛。随着e-PEFE膜应用范围的不断扩大，国内外研究人员围绕PEFE膜的表面改性已进行了大量研究，通过等离子体处理、功能单体聚合、化学处理和溅涂等处理方法都能有效提高其湿润性和黏结性，以提高它的表面能，改善其亲水性，与一般的e-PTFE微孔膜憎水性能不同，改性后的e-PTFE微孔膜可使水通过，而水中的微粒子悬浮物被分离，从而扩大了其在水净化、医疗、卫生等工业领域的应用。

3.4 在医疗领域方面的应用

膨体聚四氟乙烯由于具有无毒、无致敏、无致癌等副作用可以广泛应用于医疗设备、器械及组织填充材料等方面。膨体聚四氟乙烯具有特殊的微孔结构，人体组织细胞、血管可在其微孔中生长并形成组织连接，连接后的组织接近自体组织，这种组织生长愈合的方式，从医学角度来看比传统的硅橡胶纤维包裹的组织愈合方式更为优越。随着技术的发展，膨体聚四氟乙烯已经成为医疗上重要的填充物，是目前生物组织替代品最为理想的材料之一。

以鼻部整形应用为例，首先根据鼻部具体特点，将膨体聚四氟乙烯雕刻成所需形状，将其置于鼻部相应部位构建鼻部假体支架，从而改善鼻部形态，实践标明整形效果良好。特别在最为关键的鼻背部和鼻尖部，植入和人体组织相融性极佳的长条体结构膨体聚四氟乙烯，人体自身组织细胞长入长条体膨体聚四氟乙烯微孔内部，而不会发生材料的移动、破溃或排异等不良反应，同时还可防止对光的反射作用，使整形后的面部形态更自然更逼真。以固体硅橡胶为基座以膨体聚四氟乙烯为基体的复合鼻假体，有一定的硬度便于切削和植入，制作时还可预制成特定形状，使之更符合临床的需求。目前该发明由于价格合理，符合一般人群的经济承受能力，更易被接受。

在心脏瓣膜手术中的应用方面，研究者首先将片状超微孔膨体聚四氟乙烯材料缝制在特定的弹性支架上做成人工合成的心脏瓣膜，测试结果表明：膨体聚四氟乙烯合成的人工二尖瓣在周期内的循环中均能够完全开放与闭合，每个膨体聚四氟乙烯人工二尖瓣的腱索均处于张紧状态，瓣膜大小瓣之间对合严密，无肉眼可见的隙缝，由此表明膨体聚四氟乙烯人工二尖瓣具有良好的流体力学特性及体外耐久性。

膨体聚四氟乙烯在人体其他部位的医疗应用中也取得了相当的成功。下肢静脉曲张是常见的人体外科多发病，据统计在静脉性疾病中，原发性下肢深静脉瓣膜功能不全约占55.3%，以往由于对病因认识不足， 采用传统的大隐静脉高位结扎加抽剥术等治疗手段，术后复发率相当高，随着膨体聚四氟乙烯在人体医疗中应用的推广，研究者采用膨体聚四氟乙烯人工合成血管片，在行股浅静脉瓣膜环缩术治疗原发性下肢深静脉瓣膜功能不全方面取得了十分满意的效果。采用膨体聚四氟乙烯人工合成材料还可作为肺切除后消除残腔的填塞材料。膨体聚四氟乙烯补片在老年腹股沟疝置入手术中应用安全有效，复发率较低，并发症少，而且膨体聚四氟乙烯补片较传统的聚丙烯类补片更为舒适。采用明肝素--海藻酸钠凝胶修饰的膨体聚四氟乙烯具还有良好的血液相容性及组织相容性，可应用于小口径人工血管等方面。用膨体聚四氟乙烯作为创面覆盖材料，置于受损创面上未见不良反应，引起的炎性反应及异物反应较小，同样可以将其作为创面覆盖材料。

4 结语

虽然膨体聚四氟乙烯滤料在除尘、过滤PM2.5、纺织服装、水净化、人体鼻部整形、心脏瓣膜手术、消除肺部残腔、人造血管等方面都取得了相当的成功，应用前景广阔，目前我国生产ePTFE薄膜的企业也很多，但还存在着一些问题，如大多工艺单一、设备较简陋、自动化程度较低、规模较小、检测手段不够完备，产品合格率不高、孔径尺寸不够均匀、成本较高等，若用进口膜成本更高，使得在过滤PM2.5细颗粒物行业应用推广受限。随着人们对空气质量的密切关注，国家环保部门对大气污染物排放制定了越来越严格的标准，相关部门及企业正投入大量的人力物力进行研究实验，本课题组采取校企合作方式，目前正从理论及加工成型中研究、探讨、实验成型工艺及加工设备、完善检测方式，力争使产品孔径更均匀、合格率更高，努力提高生产效率、降低生产成本，使ePTFE薄膜复合滤料在过滤PM2.5等领域中的应用效果更好。作为一种新型的高分子材料，膨体聚四氟乙烯在诸多方面具有其它材料不可比拟的优异性能, 随着研究的进一步深入，其应用前景必将越来越广泛。

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