PTFE浓缩液的加工和应用

王佰春 陈 越 周鹏飞 杨 震 高 媛

(山东东岳高分子材料有限公司， 山东 淄博 256401)

0 前言

聚四氟乙烯(PTFE) 可分为悬浮树脂、分散树脂和浓缩液。悬浮树脂是通过悬浮聚合方法得到的聚四氟乙烯，根据性能的不同，又可分为悬浮细粉和悬浮中粒，主要成型方法是压缩加工。分散树脂是通过乳液聚合方法得到的聚四氟乙烯，最大的特点是受到剪切力后容易纤维化，可以通过“糊状加工”的成型方法，用于加工管子、电线电缆和生料带等。浓缩液是聚四氟乙烯水溶性分散乳液加入表面活性剂浓缩得到的产物，PTFE浓缩液固体质量分数为60%左右，表面活性剂含量为PTFE固体含量的4%～6%。与其他PTFE树脂相比，PTFE浓缩液具有良好的流动性和可比PTFE粉状树脂添加进更多的填充料的特性，主要用于玻纤布浸渍、防滴落剂和不粘涂层等[1]。

1 PTFE 浓缩液的加工方法

PTFE浓缩液的实用性在于它的流动性，因为其他的PTFE树脂加热至熔融也不流动，也不溶于一般溶剂，因此，熔流和溶液的工艺都难以加工PTFE粉状树脂。PTFE浓缩液的另一个优点是可比PTFE粉状树脂添加进更多的填充料，利用共凝聚技术在PTFE树脂中能够均匀地分布更多的无机填料，可以制作具有特殊用途的浸渍产品和不粘涂料产品。

PTFE浓缩液在室温下呈现近似牛顿型流体特点，即它的黏度与剪切速率的关系不大，所以比较适合用于玻纤布、盘根等浸渍行业。浸渍玻纤布时，如要求PTFE浓缩液有更大的黏度时，可以加入无机填料增稠。

PTFE浓缩液的表面张力比大多数金属和无机材料小，所以能很好地将其湿润。PTFE浓缩液可作为不粘涂料，喷涂在铝材、不锈钢等金属和玻璃陶瓷等表面，经过干燥和烧结可得到熔融的涂膜，使其具有PTFE的不粘性和其他优良性能。

2 PTFE浓缩液在储存和加工中需要注意的问题

1)PTFE浓缩液的储存

PTFE浓缩液在20 ℃时有较长的存储期，但是如果存储时间过长，它也会慢慢地沉析于容器底部，在容器底部凝集成团沉淀。所以在储存过程中每隔1周应缓慢地搅动一下，存放PTFE浓缩液的环境温度不宜高于30 ℃，也不能低于0 ℃，否则都会发生不可逆转的凝结而报废。

PTFE浓缩液在贮存时容易生长细菌，尤其在湿热环境中细菌喜欢生长在表面活性剂内，一旦表面活性剂遭细菌破坏就会发出臭味，并形成褐色的PTFE乳液。所以PTFE浓缩液一般都需添加氨水，使其呈现碱性。

2)PTFE浓缩液加工

因为在实际生产过程中，不同的加工过程需要的PTFE浓缩液的质量分数不同，所以有时需要对PTFE浓缩液进行稀释。在稀释过程中应注意以下两点:1)在稀释过程中不允许使用未经处理的自来水调节其质量分数，因为自来水中含多种电解质之类的杂质，会破坏乳液中胶粒悬于水中的稳定性而产生不可逆转的破乳，导致乳液沉降；2)在稀释过程中应避免快速搅拌或夹带入电解质、水溶性溶剂等杂质，否则也会导致乳液沉降[2-3]。

PTFE浓缩液一般都呈碱性，要使PTFE浓缩液的pH下降，可稍加一些醋酸之类的有机酸，但加酸时务必小心，因为一旦达到高含量离子状时即会使乳液破乳沉降而报废。

3 PTFE浓缩液的应用及加工工艺

由于PTFE浓缩液不仅具有优异的化学稳定性、耐气候性、电性能和不粘性等，还具有其他PTFE粉状树脂所不具备的流动性和可添加性特点，使其广泛应用于军事、电子、化工、医药、力学、纺织、航天航空以及5G等尖端科学技术部门，并随着社会的发展，逐渐深入到人们的日常生活中，在社会进步和科学发展的过程中发挥着至关重要的作用。PTFE浓缩液的制品可分为3大类：一是浸渍产品，PTFE浓缩液浸渍玻纤布产品大量用作防粘材料，如用于构筑大型露天广场天棚等；二是做成防滴落剂产品；三是作为基材用于配制PTFE水性不粘涂料，主要用于不粘锅等。

3.1 玻纤布浸渍

玻纤布浸渍PTFE浓缩液，经干燥、烘干和烧结处理后，在玻纤布中形成连续分布的PTFE薄膜，成为两者的复合物，称为PTFE浸渍玻纤布。

将玻纤布多次浸渍上PTFE浓缩液，通过干燥、热处理和烧结达到所需要的厚度。第一道浸渍通常使用低浓度的浸透性好的PTFE(用水稀释后使其黏度降低)，然后慢慢地增加PTFE的浓度，多次浸渍后达到所需厚度[4-6]。浓缩液加工浸渍条件如表1所示。

表1 浓缩液加工浸渍条件

3.1.1玻纤布浸渍工艺流程

1)玻纤布预处理

在生产玻纤布时为防止玻璃纱折断， 生产过程中需添加质量分数为2.5%的石蜡作为润滑剂，所以玻纤布中通常含有石蜡。为防止表面蜡降低玻纤布的表面张力，导致 PTFE乳液不易浸润玻纤布，浸渍前需将玻纤布表面的蜡质除去。工业中常用的脱腊方法是将玻纤布在 450 ℃高温下以10～15 m/min 的速率烘烤。实际操作中可将玻纤布以相应速率通过浸渍机烧结区， 即可去除蜡质。 此过程又俗称“烧毛” 。经过烧毛处理后，玻纤布中蜡质的质量分数将低于0.5%。

2)PTFE浸渍液的配制

通常需要多道浸渍才能使漆布中PTFE的含量(以质量分数计)达到60%～65%的期望值。漆布中PTFE的含量越高，则介电性能和防粘性能就越好。第一道PTFE浸渍乳液配制时含量稍低一些，质量分数为35%左右，同时表面活性剂的含量可适当高些(质量分数为6%左右)，使PTFE乳液尽量渗透至玻纤布中。后面几道PTFE浸渍液的质量分数可升至55%左右，同时表面活性剂的含量适当降低。

3)PTFE乳液的浸渍

玻纤布浸渍设备可分为单槽式和多槽式，单槽和多槽浸渍工艺流程分别如图1、图2 所示。

图1 单槽浸渍工艺流程图

图2 多槽浸渍工艺流程图

玻纤布一次浸渍的厚度很难达到期望的要求。需做几道浸渍，取决于成品PTFE漆布对含胶量的要求。不同的应用领域， 对上胶量的要求是不同的。浸渍后胶层的厚度与乳液的黏度、固含量和浸渍速率等因素有关， 根据不同产品的要求，需要适当调整胶液配方及浸渍工艺参数。表2为不同玻纤布浸渍不同次数后的参数对比。

表2 不同玻纤布浸渍不同次数后的参数对比

浸渍后的玻纤布要求表面均匀， PTFE 层无开裂现象。玻纤布最常见的质量缺陷就是树脂层开裂，一次浸渍厚度太大， 超过临界值干燥时树脂层易开裂， 这将会严重影响浸渍布的力学及化学性能。要改善树脂的开裂状况，关键技术在于调整乳液的配方、控制每次的浸胶量和改善树脂在玻纤布表面的均匀性。

4)PTFE浸渍布的干燥、热处理和烧结

玻纤布浸渍PTFE乳液，经三级烘箱(干燥段、热处理段、烧结段)处理后， 在玻纤布表面形成连续分布的PTFE膜，成为两者的复合物。干燥温度90～100 ℃，除去水分。热处理段的目的是除去PTFE乳液中的表面活性剂，温度以280～300 ℃为宜。烧结段的温度为380～400 ℃，在烧结区PTFE粉粒熔融，界面消失而熔接成为与玻纤布有良好粘结力的PTFE膜。烧结时间大约3 min，加工速率应根据烧结区长度来调整。烘箱区域必须设置排气装置，以确保表面活性剂分解气体顺利排出[7-10]。

3.1.2玻纤布的应用

PTFE浓缩液浸渍玻纤布产品大量用作防粘材料，如用于构筑大型露天广场天棚。PTFE的Dk值(介电常数)为2.09，是所有树脂中最低的，Df值(介电损耗)也较低，为0.000 1。在-50～260 ℃时，这些特性非常稳定，即性质随温度的变化小，传输速率较传统FR-4基板提高了40%。同时，它又兼具化学性质稳定、吸水率低和耐酸碱等一系列优点，以液体形式存在使得其可用浸渍的方式直接加工玻璃纤维、纤维纸等多孔材料。随着高频通信技术的迅速发展，以PTFE为树脂增强的覆铜板应用越来越广。图3为 PTFE浓缩液浸渍玻纤布的应用实例。

图3 PTFE浓缩液浸渍玻纤布的应用实例

3.2 防滴落剂

防滴落剂是防止塑料在燃烧过程中燃烧的塑料颗粒产生滴落现象，从而避免产生二次火灾的塑料添加剂。聚四氟乙烯的耐热性非常好，通常可以耐260 ℃的温度，短时间内最高可在300 ℃下使用，并且有着非常优异的难燃性。PTFE浓缩液可做成包覆型的防滴落剂，目的是使PTFE能更好地分散在原料树脂中而在PTFE的外层包覆了一层SAN或PMMA、PS等，使防滴落剂能很好地分散在PC、ABS和HIPS等塑料中。

3.2.1防滴落理论

PTFE在作为防滴落剂时，其相对分子质量在400万～500万。大分子质量的聚四氟乙烯在受到螺杆的剪切力作用后纤维化从而形成网状结构，起到防滴落的作用。它主要使用在阻燃剂级别要求达到V-0级的塑料中，能防止熔化滴落并提高阻燃性能，在减少阻燃剂的用量时同样能达到UL V-0的要求，同时降低成本，增强产品竞争力。主要防滴落理论为：1)塑料挤压成型时，里面的PTFE纤维化，冷却后PTFE纤维被固定，PTFE纤维有取向性;2)塑料燃烧时，塑料熔化，黏度变小，由于PTFE纤维收缩，塑料的表面积变小;3)因为有PTFE纤维，熔化的塑料黏度变高，所以PTFE纤维防止塑料燃烧时滴落。具体作用原理如图4所示。

图4 PTFE浓缩液防滴落剂作用原理

3.2.2防滴落剂制备工艺流程

防滴落剂制备工艺如下：

1)预分散液制备

在聚合釜内加入一定量的工程塑料单体，一定量的PTFE浓缩液和一定量的水混合均匀，得到预分散液。PTFE浓缩液的质量分数为20%～50%。

2)预分散液聚合反应

在以上预分散液中加入一定量的分散剂，再持续在800～1 000 r/min搅拌条件下向上述预分散液中加入一定量含引发剂的硬单体混合液，升温至60～90 ℃发生聚合反应，保温2～4 h，得到防滴落剂树脂混合液。

3)防滴落剂树脂脱水、洗涤、烘干

将聚合所得的防滴落剂树脂混合液脱水、洗涤、烘干。脱水的方式为抽滤或离心，洗涤次数为3～5次，烘干温度为75～85 ℃、烘干时间5～6 h。烘干后即可得到所述工程塑料的防滴落剂。

3.2.3防滴落剂树脂的应用

在家电、电器用品等领域，利用PTFE浓缩液加工时的“纤维化”应用于防滴落剂领域，满足难燃指标(V实验)的要求。特别是在电器部件，如电脑、电视等家用电器中，对于V-0、V-1、V-2等不同分类也有着不同的要求。表3为 使用防滴落剂的主要塑料和用途。

表3 使用防滴落剂的主要塑料和用途

3.3 不粘涂层

聚四氟乙烯浓缩液有着非常优异的不粘性。氟树脂的表面特性如表4所示。与其他树脂相比，PTFE与水的接触角比较大，因此它非常不容易被水浸湿，而且临界表面张力非常小，其防水防油性比作为离型剂的硅树脂还要优越。

表4 氟树脂的表面特性

3.3.1不粘涂层工艺流程

涂覆技术的基本原理是在被涂的基材上能永久地附上一层涂料，涂料在干燥后能生成牢固的涂层。涂覆的方法主要有浸涂和喷涂。一般涂覆工艺如下：

1)PTFE水性涂料配制

将颜料、水和表面活性剂等混合后加入至含有添加剂和粘着剂的高速搅拌混合器中，高速搅拌混合均匀。混合均匀后，将PTFE浓缩液和混合液加入至低速搅拌混合器中，低速搅拌混合均匀。PTFE水性涂料配制流程如图5所示。

图5 PTFE水性涂料配制流程

2)基材处理

首先对基材进行脱脂处理，除去表面油污。被涂基材作脱脂处理后，用80#～100#的氧化铝砂和刚玉砂均匀地喷砂处理，使基材表面粗糙度达2.0～3.5 μm，再用压缩空气吹净表面，以提高PTFE涂层的粘结力。

3)浸涂工艺

浸涂是把待涂基材浸入PTFE浓缩液槽中。用刮刀把移出液面时粘附在基材表面的过多的乳液刮下流回槽内。浸涂后的基材先在90～120 ℃下干燥，再在370～400 ℃下烧结，形成完整的PTFE涂膜。

4)喷涂工艺

喷涂用的PTFE乳液是以PTFE浓缩液为基材的水性涂料，经干燥和烧结可得到熔融的涂膜，具有PTFE的不粘性和其他优良性能。PTFE涂料分底层涂料和单层涂料。底层涂料是在铝材、不锈钢等金属和玻璃陶瓷等表面涂覆PTFE浓缩液之前所需的涂料。单层涂料不必先施任何底层涂料即可获得良好的粘结强度，它分为两种液态料，临使用前按需要量配合使用[11-12]。一般工艺流程如图6所示。

图6 PTFE水性涂料喷涂工艺流程

3.3.2PTFE水性涂料应用

PTFE水性涂料中含有大量的C—F键，极性小、分子结构稳定，具有耐候性、耐酸碱性和耐化学药品性等综合优良性能，用于不粘炊具、金属幕墙板、铝合金型材、卷钢涂料和钢结构防腐等领域。图7 为PTFE浓缩液不粘涂料应用实例。

图7 PTFE浓缩液不粘涂料应用实例

4 结语

随着社会的不断发展，PTFE浓缩液的应用领域将逐渐扩大，特别是21世纪，随着5G等高技术的发展，电子通信行业迎来了快速发展期，电子产品朝着小型化、集成化和高速低功耗方向发展。由于PTFE优异的电气性能，使用PTFE浓缩液浸渍玻纤布生产低介电常数和低介质损耗的覆铜板成为可能，其优良的品质受到业内人士的一致好评。随着21世纪通信行业的迅猛发展和PTFE浓缩液应用领域的扩大，PTFE浓缩液的发展将面临巨大的机遇和挑战。