20世紀60年代末,美國Gore公司采用機械拉伸方式開發出膨體聚四氟乙烯薄膜,產品名為GORE-TEX,它具有結點和纖維組成的網狀結構,結點由許多PTFE顆粒粘結在一起構成,纖維是從PTFE顆粒中拉伸出來。20世紀70年代中期,Gore公司利用雙向拉伸技術開發出PTFE雙向拉伸微濾膜,并成功應用于服裝面料、空氣過濾等行業。
膨體聚四氟乙烯膜簡稱ePTFE膜,是一種新型高分子材料,具有微米或亞微米級的多孔立體網狀微觀結構,由PTFE樹脂經拉伸、車削等特殊加工方法制成,在保持了PTFE優良化學性能的同時,通過改變材料的結構、形態、厚度、表面幾何形狀,然后搭配不同特性的輔助材料,從而實現不同的功能和用途。ePTFE膜具有高度化學穩定性、耐高低溫、耐腐蝕、耐氣候、高潤滑、良好的不粘附性、電絕緣性、生物相容性佳等優良特性,是一種非常優秀的防水、防塵、透氣材料。
ePTFE膜及其組件制造加工的主要原材料為PTFE樹脂、PP、PE等高分子原料,該類原材料屬于石油化工產品;由于其在聲、電、磁、熱等方面擁有特殊性能,ePTFE膜及其組件已廣泛應用在了汽車、消費電子、新能源、醫療、服裝、工業過濾、航空航天等領域。在世界范圍內,北美和歐洲是世界主要的制造和消費市場地區。?戈爾,克拉克,圣戈班和唐納森是全球領先的膨體聚四氟乙烯微孔膜制造商。
膨體PTFE雖然在結構上發生了改變,但仍然保持PTFE的優良化學性能,同時還擴大了使用溫度范圍、提高了機械強度并增加了一些新的特性,如抗蠕變性能提高,膨脹系數減小,具有了多孔性、透氣性、疏水性及極高的韌性,而這些優異的性能決定了它在各個領域均有廣泛應用。表1列出了膨體PTFE和其他PTFE的一些典型性能。
一、防水透濕織物
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ePTFE薄膜防水 透 濕 層 壓 織 物 首 先 由 美 國Gore公司研制成功。后來該面料被廣泛應用于軍用民用領域,被譽為“世紀之布”。這種面料一般是以錦綸或滌綸機織物作表層,錦綸的經編織物作里層,ePTFE薄膜作中間層,經過層壓方法而制成的三層織物。ePTFE織物的防水性能是由它的性能與結構共同決定的。一方面,ePTFE的表面能低,水在其表面的接觸角遠大于90°,ePTFE表現出極強的疏水性,因此不易被水潤濕。另一方面,ePTFE薄膜的微孔直徑極小,約是水蒸氣分子直徑5000倍,小水滴分子直徑的1/200,水滴無法透過薄膜但水蒸氣可以通過,所以ePTFE織物防水又透氣。由于其孔洞排列不規則,可以防風,耐磨性也相對較強。同時由于ePTFE纖維呈現的高強度、低收縮、不粘性、抗紫外老化等優良特性,使其成為了戶外運動服裝的首選面料。除此之外它還常被制成消防服,宇航服、醫用手術服、軍用作戰服、睡袋、輕便帳篷等。
二、消費電子領域
膨體聚四氟乙烯膜層的一面上涂布有具有氣體分子微孔的涂層,可以達到50米水深以上不滲水,且能保證揚聲器通話的音質清晰不失真。
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在消費電子領域,耐水壓透聲膜產品已經應用于華為、小米等智能可穿戴設備,近三年相關產品的復合增長率高達67%,
三、密封材料與航空航天
膨體PTFE在高溫高壓下有良好的抗蠕變松弛性能、較好壓縮回彈性能、優異的耐介質腐蝕性能、較高的抗拉強度,因此在密封領域獲得了廣泛的應用。以膨體PTFE板材制備的密封墊片可以在很大范圍替代傳統PTFE密封材料,而膨體PTFE編織盤根也因其優異的物理機械性能而大大提升了填料密封的使用壽命和密封效果,特別是幾年發展的填沖改性膨體PTFE密封材料更進一步提高了材料的物理機械性能,能在更大領域滿足密封的需要。
飛機上設計了許多窗口和口蓋以便檢查飛機內部的管路、設備以及系統的狀態。傳統的密封材料主要為橡膠,雖然橡膠的壓縮性良好,但其耐溫性和耐老化性較差,一旦老化就會失去彈性并出現龜裂現象,失去密封作用。飛機的油箱口蓋一直采用密封劑進行密封,施工復雜,硫化時間長,且在除去舊的硫化膠時,費時費力,為飛機的地勤維修帶來麻煩。ePTFE作為近年來蓬勃發展的新型氟材料,在航空領域主要用作結構密封,與傳統的密封材料相比,其優勢有以下幾點:
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密度小,在飛機上使用可以獲得減重效果;
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使用溫度范 圍 寬;
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良好的耐老化型,蠕變性能;
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施工容易,維護簡便;
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優異的耐腐蝕性。
飛機上也有許多部件對密封性能提出了更高的要求,如系統維護面板、垂 直前面板、燈罩蓋、駕駛艙風擋、雷達罩等。以往這些密封材料只能選用高性能橡膠密封圈,每次拆卸都需要換新,單個密封圈的成本高達千元以上,若更換為可重復使用的ePTFE后,可至少50次拆卸 后才需要更換,不僅提高了維護效率,更在很大程度上節約了成本,具有不可替代的地位。四、過濾材料
ePTFE微孔薄膜具有優異的耐化學腐蝕性,耐高低溫性,且摩擦系數低,將其通過熱壓或粘合劑復合到傳統的濾料介質表面,可以做成具有獨特性能的覆膜復合濾料。由于ePTFE孔多,孔徑?。讖皆?.3~10μm),因此微孔薄膜能夠攔截10μm以上的粉塵顆粒,而且薄膜表面極其光滑,很難形成很厚的粉塵層,清灰也比較容易。目前,ePTFE薄膜濾材已廣泛用于化工廠、發電廠、炭黑廠、水泥廠、噴漆廠等的煙道過濾、熱空氣過濾中。而且,該薄膜還能用于某些液體過濾,且通過對ePTFE膜進行親水改性可以大大提高水的過濾性能。
五、建筑材料
高強度的ePTFE膜還常被應用于建筑材料當中。與其他建筑織物不同,ePTFE制品具有高的透光率與彎曲靈活度。燈光設計師可以利用其獨特的光學特性提高結構的外觀,透射和反射多色照明已被用于提供室內照明。ePTFE纖維不會因為彎曲而損壞。這使它可以應用于開合式和臨時性結構。而且由于ePTFE的不黏性賦予了它自清潔功能,雨水就可以把它沖刷干凈。若雨水的量不足以清洗積累的污染,肥皂、水和光可以成功地清除大部分雜質。ePTFE材料使用壽命長,許多有名的建筑都會采用ePTFE膜作為建筑采光頂的膜材料,例如我國的國家體育場“鳥巢”,美國明尼波利斯體育館等。
六、醫用生物材料
由于ePTFE良好的生物相容性、柔韌性及化學穩定性,已逐漸發展成為一種重要的生物功能材料,目前,ePTFE材料已成功應用于人造血管、心臟瓣膜、防護服、帳幕、傷口敷料、消毒器械、包裹材料等領域。
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另外,ePTFE在新能源發展中也具有很大發展前景,它可以作為駐極體材料,也可以作為質子交換膜燃料電池中的質子交換膜材料等使用。ePTFE膜還適用于CO2捕獲,氣體/蒸汽分離和溶劑過濾等。