聚四氟乙烯（PTFE），又稱為特氟龍，是最重要的高性能工程塑膠之一。它以其優異的性能組合而聞名，包括耐高溫和強耐化學腐蝕性。本文將介紹PTFE的基本特性，包括其性能、加工方法和重要應用。
聚四氟乙烯塑膠簡介
聚四氟乙烯（PTFE），俗稱特氟龍，是一種由四氟乙烯聚合而成的高分子量化合物，其結構式為[CF₂-CF₂]ₙ。它是一種重要的化學材料。 PTFE具有優異的耐高溫、耐腐蝕和耐老化性能，同時還具有防水、不沾黏、自潤滑、優異的介電性能和極低的摩擦係數。 PTFE常用作工程塑膠或塗料，可製成PTFE管、棒、帶、片、膜等多種產品。
PTFE 的特性
| Property | 價值 | Property | 價值 |
|---|---|---|---|
| 相對密度 | 2.14 〜 2.20 | 熱變形溫度（0.45 MPa），°C | 121 |
| 吸水率（23℃，24小時），% | <0.01 | 熱變形溫度（1.82 MPa），°C | 55 |
| 拉伸強度，兆帕 | 22 〜 35 | 線膨脹係數，×10⁻⁵/°C | 10 |
| 斷裂伸長率，% | 200 〜 400 | 可燃性（UL94） | V-0 |
| 拉伸模量，MPa | 400 | 體積電阻率，Ω·cm | 10¹⁷~10¹⁸ |
| 彎曲模量，MPa | 420 | 介電常數 | <2.1 |
| 缺口衝擊強度，J/m | 163 |
機械和物理性能
聚四氟乙烯（PTFE）密度較高，介於2.14至2.20之間。它幾乎不吸水，平衡吸水率低於0.01%。 PTFE韌性好，但缺乏回彈性。由於其大分子間的分子間作用力較小，因此拉伸強度和硬度均不高。在長期應力作用下會發生形變，但斷裂伸長率較高。
溫度對聚四氟乙烯（PTFE）的應力-應變行為有顯著影響。隨著溫度升高，彈性極限值E降低。當PTFE受到外力瞬間壓縮時，壓縮變形隨應力增加而增加。在持續載重作用下，隨著時間的推移，PTFE的應變持續增大，然後趨於穩定。這種應變增大的現象稱為PTFE的冷流特性，這也是由於PTFE分子間較小的分子間作用力所致。
聚四氟乙烯（PTFE）的蠕變性能隨壓縮應力、溫度和結晶度而變化。溫度越高，蠕變越大。當PTFE的結晶度在55%至80%之間時，蠕變量不超過2%。當結晶度低於55%或高於80%時，蠕變量迅速增加。
由於聚四氟乙烯（PTFE）分子間作用力較小，其表面分子間的相互吸引力也很小。因此，PTFE具有極低的摩擦係數，並表現出優異的潤滑性。由於分子間作用力較小，PTFE硬度較低，容易被其他材料磨損。然而，只要配合材料具有適當的表面粗糙度，PTFE的磨損就能顯著降低。通常情況下，當表面粗糙度在0.1~0.4 μm之間時，PTFE的磨損最小。這種現象的本質是，在旋轉或滑動過程中，由於磨損，配合材料的表面會形成一層薄薄的PTFE膜，從而將兩種不同材料之間的摩擦轉化為PTFE與其自身之間的摩擦。由於PTFE具有優異的自潤滑性能和極低的摩擦係數，因此磨損量非常小。
PTFE 與不同配合材料的相對磨損量（以碳鋼的磨損量為 1）
| 配配材料 | 相對磨損量 | 配配材料 | 相對磨損量 |
|---|---|---|---|
| 碳素鋼 | 1 | 不銹鋼 | 1.5 〜 3 |
| 鑄鐵 | 1 〜 2 | 鍍鉻表面 | 10 〜 20 |
| 青銅 | 1 〜 2 | 鋁合金 | 20 〜 50 |
熱性能
在所有工程塑膠中，聚四氟乙烯（PTFE）的熱穩定性極為優異。這是因為PTFE大分子中碳氟鍵的鍵能非常高，碳碳鏈被氟原子包圍，使得其他原子（例如氧）難以對其構成威脅。雖然在200℃時開始出現微量的分解產物，但從200℃到熔點，分解速率極為緩慢，且分解量極小。在200℃加熱一個月後，分解量低於百萬分之二，幾乎可以忽略。只有在400℃以上才會發生明顯的分解，每小時的重量損失約為0.01%。
在250°C時，聚四氟乙烯（PTFE）的拉伸強度仍約為5 MPa，約為室溫下的五分之一。低於0°C時，隨著溫度持續降低，PTFE的拉伸強度不斷增加，而伸長率則持續降低。低於-75°C時，伸長率達到約3%的最小值，並保持該值直至-250°C。因此，即使在-250°C的超低溫下，PTFE也不會變脆，仍保持一定的柔韌性。
PTFE 的使用溫度範圍非常寬，可在 -250°C 至 260°C 的溫度下連續使用。
電學特性
聚四氟乙烯（PTFE）是一種高度非極性材料，具有優異的介電性能。其突出特點是，在0℃以上，其介電性能不隨頻率或溫度變化，且不受濕度或腐蝕性氣體的影響。
聚四氟乙烯（PTFE）的體積電阻率大於10¹⁷ Ω·cm，表面電阻率大於10¹⁶ Ω，是所有工程塑膠中最高的。由於PTFE不吸水，即使長期浸泡在水中，其體積電阻率也不會明顯下降。在相對濕度為100%的空氣中，其表面電阻率也保持不變。
聚四氟乙烯（PTFE）具有優異的耐電弧性能。當發生高壓表面放電時，它不會因碳化或殘留導電物質而導致短路。相反，它只會分解成易揮發的低分子量氟碳化合物，因此仍能保持良好的電絕緣性和耐電弧性能。
化學耐受性
聚四氟乙烯（PTFE）具有極佳的化學穩定性。這是因為在PTFE分子中，易受化學侵蝕的碳鏈主鏈被一層強鍵結的氟原子緊密包裹，使得聚合物的主鏈幾乎不受任何化學物質的侵蝕。許多強腐蝕性和強氧化性化學物質，例如濃鹽酸、氫氟酸、硫酸、硝酸、氯氣、三氧化硫、氫氧化鈉和有機酸，幾乎沒有影響。只有熔融的鹼金屬才能從PTFE分子中奪取氟原子形成氟化物，使表面變成深褐色。
PTFE浸入化學品後性能的變化
| 化工 | 浸泡7天后 | 浸泡28天后 |
|---|---|---|
| 硝酸 | 抗拉強度-6.5%，伸長率+4.8%，重量-0.002%，厚度+0.3% | 抗拉強度-4.4%，伸長率-0.8%，重量+0.018%，厚度+0.3% |
| 氫氧化鈉 | 抗拉強度-3.2%，伸長率+1.5%，重量+0.260%，厚度+2.5% | 抗拉強度提高6.5%，伸長率提高0.140% |
| 四氯化碳 | 抗拉強度+1.1%，伸長率-4.1%，重量+1.7%，厚度-0.016% | 抗拉強度+2.6%，延伸率+0.3%，重量+1.74%，厚度-0.01% |
| 甲苯 | 抗拉強度提高4.1%，伸長率提高0.3% | 抗拉強度+3.2%，伸長率+6.2%，重量+0.40% |
| 醋酸 | 抗拉強度+6.2%，伸長率+2.5%，重量-0.002%，厚度-0.3% | 抗拉強度-2.2%，伸長率+4.5%，重量+0.04%，厚度-0.3% |
| 丙酮 | 抗拉強度+2.2%，延伸率+4.2%，重量+1.5%，厚度-4.1% | 抗拉強度+6.0%，延伸率+4.0%，重量+0.04%，厚度-3.0% |
其他特性
在大氣環境中，由於聚四氟乙烯（PTFE）分子中不含光敏基團，且臭氧無法與其反應，因此其抗大氣老化性能極為優異。即使長期暴露於大氣中，其表面也保持不變。將PTFE加工成產品時，無需添加任何抗老化劑或穩定劑。
聚四氟乙烯的阻燃性也非常出色，氧指數高達95%。即使不添加任何阻燃劑，其阻燃性也能達到UL94 V-0級。
不黏性是聚四氟乙烯（PTFE）的另一個重要特性。 PTFE的表面自由能非常低，只有0.019 N/m，是已知固體材料中最低的。因此，幾乎所有固體材料都無法黏附在其表面。只有表面張力低於0.02 N/m的液體（例如乙醚、己烷和石油醚）才能完全潤濕PTFE。
如何將聚四氟乙烯加工成組件
聚四氟乙烯的主要成型方法包括壓縮成型、擠出成型和CNC加工。
壓縮成型
自由燒結法是將聚四氟乙烯（PTFE）粉末均勻填充到模具中，在室溫下於10～100 MPa的壓力下進行預成型，然後將預成型件放入加熱爐中。以一定的速率將溫度升至360～380℃進行燒結。待整個預成型件均勻燒結後，以可控制的速率將爐溫降至室溫，得到成品。此方法在燒結過程中對燒結材料不施加任何限制，因此稱為自由燒結法。自由燒結的保溫時間通常為幾分鐘到數十分鐘，標準是完全消除孔隙。孔隙率可透過測量產品的密度來檢驗。密度越高，孔隙率越低。較高的壓力和溫度會導致更高的密度。
燒結加熱速率通常控制在每小時25～60℃。預成型件尺寸越大，加熱速率就越慢。燒結時間取決於產品何時變為透明或半透明，並隨產品尺寸而變化。通常，對於厚度為1mm的產品，燒結時間為5～8分鐘。冷卻速率直接影響產品的結晶度和物理機械性質。對於小型產品，冷卻速率可控制在每小時50～150℃。對於大型產品，冷卻速率不應超過每小時50℃。
與自由燒結相比，熱壓成型法需要在預成型後燒結過程中，於第二個模具中進行二次壓制。二次壓制應在預成型件冷卻至熔點前盡快進行。預成型件在壓制方向上的膨脹率約為25%，垂直方向上的膨脹率約為6%～10%。因此，二次模具的尺寸必須略大於主模具。
二次壓制是在冷卻過程中施加壓力，因此其冷卻速度比自由燒結更快。本產品結晶度較低，彎曲疲勞強度和韌性較好，但殘餘應力較高。因此，通常需要在120–125°C下進行後處理。
熱壓成型產品的性能主要取決於二次壓力。較高的二次壓力可獲得更好的產品性能，但過高的壓力會增加飛邊並造成材料損失。通常將二次壓力控制在10～20 MPa。
擠壓成型
聚四氟乙烯（PTFE）擠出成型與普通熱塑性塑膠的擠出成型不同。其機筒不加熱，螺桿僅用於輸送和推動原料。原料透過單螺桿擠出機的機頭，該擠出機採用雙螺紋、等螺距、等深度設計，然後進入模頭進行燒結和冷卻。借助反壓裝置提供的背壓，PTFE被成型為厚壁管材、棒材和其他特殊型材。
聚四氟乙烯塗層/PTFE塗層
聚四氟乙烯（PTFE）可透過噴塗製程形成塗層和襯裡。噴塗製程主要包括基材處理、噴塗及燒結。主要基材有鋼、鑄鐵、鋁、鋁合金、陶瓷和玻璃。銅和銅合金噴塗難度較大，而錫、鋅和鉛則無法噴塗。為確保噴塗均勻和塗層強度高，基材上的所有直角區域都必須進行倒角處理，建議倒角半徑為3～10 mm。噴塗前，基材表面也必須進行脫脂和粗糙化處理。脫脂可採用380℃高溫脫脂或高壓蒸氣噴塗。粗糙化處理通常採用噴砂製程。
聚四氟乙烯CNC加工
聚四氟乙烯（PTFE）強度低、硬度低、導熱性差、熱膨脹係數高。數控加工PTFE時，應根據材料特性、加工條件和品質要求，選擇合適的刀具，確定合理的切削參數，考慮適當的加工餘量，並提供足夠的冷卻（通常採用壓縮空氣冷卻）。這樣才能獲得較高的加工品質和精度。
聚四氟乙烯CNC車削
在數控車削聚四氟乙烯（PTFE）時，其外徑尺寸、內外圓度以及內外錐度變化都相對較大且不規則。因此，在粗加工時應採用較大的前角，以降低切削力並防止工件發生彈性變形；而在精加工時，則可採用較小的前角，以改善刀具散熱並降低切削溫度。
聚四氟乙烯數控鑽孔
數控鑽孔加工聚四氟乙烯（PTFE）時最大的問題是如何及時清除切屑。通常採取以下措施：
- 使用螺旋角小、帶有排屑槽的鑽頭，以便於排屑。
- 盡可能降低鑽速。選擇較低的進給速度，同時確保鑽孔效率，並採用多次退鑽以確保及時排屑，從而提高表面品質和加工精度。
通常情況下，鑽頭磨削後的螺旋角約為10°～15°，後角為9°～20°，頂角為60°～120°。鑽孔速度不僅與被鑽材料有關，還與孔徑和深度有關。對於手鑽，900轉/分鐘的轉速效果最佳；而對於台鑽，2100轉/分鐘的轉速和1.3毫米/秒的進給速度可獲得最佳效果。
聚四氟乙烯數控銑削
在數控銑削聚四氟乙烯（PTFE）時，銑刀的前角應大於銑削金屬時的前角，通常大於6°（6°–15°）。後角也應大於銑削金屬時的前角。 金屬CNC銑削通常大於10°（15°–30°）。銑削時的切削速度應控制在180–300 mm/min，每轉進給量應為0.05–0.13 mm/r，切削深度約為0.1 mm/s。表面粗糙度隨進給量的降低而減少。生產中建議採用側銑，以避免燒焦工件。粗加工時，應選用強度高、加工簡單的直齒背銑刀。精加工時，應選用強度較低但排屑空間較大的斷線背銑刀。
聚四氟乙烯加工零件的應用
5G通信
通訊業常用的 FR4 覆銅層壓板以環氧樹脂為基材，但損耗高，不適用於高頻通訊。
5G需要低介電常數和低介電損耗因子的高頻覆銅層壓板。聚四氟乙烯（PTFE）樹脂是目前介電常數最低的聚合物材料，其介電性能和介電損耗能夠滿足5G通訊基地台的要求。因此，PTFE正逐漸應用於5G、航空航太和軍事等高頻通訊領域。由PTFE製成的覆銅層壓板稱為高頻覆銅層壓板。在5G領域，PTFE也常用於製造半柔性同軸電纜、射頻同軸電纜和雷達天線板。
氫能源
在氫能領域，PTFE主要用於密封鹼性電解槽，以及作為PEM燃料電池和水電解中質子交換膜的增強材料。
在鹼性電解槽中，密封墊片是主要部件，兼具密封和絕緣功能。洩漏是影響鹼性電解槽使用壽命和安全性的重要因素之一。密封墊片的壓縮回彈性和蠕變鬆弛性能是衡量墊片性能的重要指標。國內鹼性電解槽密封材料經歷了多次迭代：石棉橡膠片→布膜墊片→聚四氟乙烯（PTFE）填充墊片。目前，國內常用的電解槽密封墊片主要是聚四氟乙烯（PTFE）填充墊片。它是將聚四氟乙烯（PTFE）填充並改質玻璃纖維、氧化鋁、石墨等增強填料，然後模壓燒結而成的密封墊片。
Medical
聚四氟乙烯（PTFE）的低摩擦係數使其在體內長期使用時不易磨損，從而減少磨損引起的併發症。同時，它還能有效防止血液和其他體液在其表面形成沉積物，並降低血栓形成的風險。因此，PTFE成為導管、支架等多種醫療器材的常用塗層材料。這種塗層可以減少器械在體內移動時的摩擦，並降低組織損傷的風險。
聚四氟乙烯（PTFE）質地柔軟，易於塑形，植入後效果自然，因此非常適合用於整形外科手術。其效果優於傳統的矽橡膠。使用PTFE可獲得良好的術後效果，包括不透射線、穩定性佳、外觀自然等。最常見的應用是鼻部、顎骨或其他軟組織重建的植入。此外，它還可用於去除臉部皺紋、豐唇、修復受損軟組織或作為支撐材料。
Getzshape CNC加工公差與產能
Getzshape 提供高品質的客製化數控加工、鈑金加工、電火花加工、壓鑄等服務。我們的不銹鋼CNC加工能力如下圖所示。
| 容差 | ISO 2768 – M，精度可達 ±0.01 毫米 |
| 顏色 | 白色，黑色 |
| 最小壁厚 | 0.5mm |
| 最大零件尺寸 | 數控銑削：4000×1500×600毫米 數控車削：200×500毫米 |
| 交貨時間 | 天5業務 |
