膨体聚四氟乙烯 (ePTFE) 产品的属性

  聚四氟乙烯 (PTFE) 是用来制造膨体聚四氟乙烯 (ePTFE) 膜和别的产品的基础热塑性材料。PTFE 卓越的极限性能包括对几乎所有商业化学品的耐受性以及在 -260 至 260℃ 温度范围内稳定的机械耐久性。与其他工程塑料相比，这种塑料的主要缺点是强度相比来说较低。因此，它在适度的拉伸或压缩载荷下有流动的倾向，并且这种倾向随着温度的升高而加剧。传统的补救措施是在 PTFE 中加入填料。但这些填料会改变 PTFE 的许多特性，从而限制其应用和实用性。

  ePTFE（图1）是一种多孔膜，它具有 PTFE 的许多独特性能，并且克服了 PTFE 的许多缺点，包括其在压力下的强度不足。因此，ePTFE 使数以千计的新应用成为可能。这些应用几乎影响着人类生活的所有的领域，从挽救生命的血管内移植物到工业过滤器，再到舒适的服装和鞋类。本文探讨了 ePTFE 的重要应用，表1 列出了 ePTFE 的主要属性。

  ePTFE 的主要特征是允许水蒸气和其他气体通过，但不允许包括液态水在内的大多数液体穿透薄膜。在使用 ePTFE 以外材料的气体过滤和排气应用中，液体最终会充满多孔介质，气体流动随之停止。这种现象被称为 润湿。非 ePTFE 膜通常允许初始气流，但很快就会堵塞，从而阻碍持续的气流。相比之下，ePTFE 膜可确保稳定的气体流动。

  ePTFE 卷材（膜）、管材或棒材能够说是一种多孔结构，其密度明显低于类似的未膨化聚四氟乙烯结构。糊状挤出物在烧结前的密度为 1.5 g/cm³。固体烧结聚四氟乙烯部件的密度约为 2.15 g/cm³。膨胀部件的密度可低至 0.1 g/cm³，孔隙率为 96%。图2 显示了孔隙率与孔径和密度的关系。密度和孔隙率呈线 毫米的小孔径可使孔隙率达到 90%；大孔径（1e6 毫米）可使孔隙率≥95%。

  ePTFE 膜通常很薄（小于 1 毫米）。一平方厘米的 ePTFE 膜有超过 14 亿个孔。虽然这些孔实际上比水滴小 20,000 倍，但却比水蒸气分子大 700 倍。因此，这种孔隙大小使 ePTFE 膜具有防水功能，同时又能让汗气从衣物内部排出。

  由于其多孔结构，经过热处理的 ePTFE 膜对气体和液体的渗透性要高于正常烧结的 PTFE。它还可以充当半透膜，允许湿润液体通过，同时不渗透非湿润液体。例如，气体饱和膜与气体和水的混合物接触时，将允许气体通过，同时阻挡水。只要水压不超过水进入的压力，膜就会继续保留水。图3 表明，当膜的孔隙率超过 90% 时，透气性会飞速增加，而膜的进水压力会降低到一个相当小的值。对比图3A 和图3B 不难发现，可以在一些范围内选择孔隙率，以平衡透气性和不透水性，这在服装等应用中特别有用。

  图3. 典型的透气性/进水压力关系。(A) 孔隙率（%）与密度（克/平方厘米）的关系。(B) 孔隙率（%）与最大孔径（米）的关系。

  表2 比较了膨体聚四氟乙烯和全密度（未膨体）聚四氟乙烯的特性。非晶态锁定聚四氟乙烯的结晶度约为 95%，大大高于未膨胀部件的最高商业值。ePTFE 最显著的优点是其抗拉强度，比全密度材料高出几个数量级，因此为 PTFE 开辟了新的应用领域。ePTFE 的抗拉强度是通过基体的抗拉强度测量值乘以全密度 PTFE 与 ePTFE 的密度比计算得出的。ePTFE 的弯曲寿命和最高使用温度均高于全密度材料。

  膨胀如何增强聚四氟乙烯结构的强度？要了解这种增加的机制，我们一定要考虑两个参数：泊松比 (vxy) 和杨氏弹性模量 (Ex)。泊松比（公式 (7.1)）被定义为横向应变 (ex) 与单轴拉伸引起的纵向伸长之比。

  在图4A 中，假设延伸发生在 x 方向上，泊松比定义为 y 方向上的尺寸变化与 x 方向上的延伸之比。大多数材料都一定会出现缩颈现象，即在 y 方向上的尺寸减小，从而保持其体积。例如，橡胶的泊松比在 0.5-1 之间，工程聚合物的泊松比 vxy 1。y 方向的增大是罕见的，会以负号表示。在各向异性膨胀材料中，在 -1 ≤n ≤1/2 的各向同性范围之外，n 也会因小应变而发生显著变化。例如，在 0.03 的真实应变范围内，发现各向异性 ePTFE 的 n 从 0 减小到 -14。

  图4. 微孔聚四氟乙烯在承受 x 方向拉伸荷载时观察到的结构变化示意图。

  ePTFE 具有负泊松比（图5），直到达到显著的延伸或应变，即大约 2000 的应变。Evans 提出了一个模型来解释这一现象。图4A 显示了未拉伸的糊状挤压聚四氟乙烯的结构，其中节点平放，并由纤维连接。随着拉伸的开始，节点开始移动。在拉伸过程中，节点会向上倾斜，从而增加材料的宽度或体积（图4C）。倾斜运动导致节点长轴与拉伸方向垂直（图4D）。

  图5. 泊松比 (vxy) 和杨氏弹性模量 (Ex) 与工程应变 (εx)的关系图，显示了三个行为区域：I、II、III。

  图5 中的区域 I 显示线性杨氏模量，表明膨胀材料的弹性行为，其中原纤维可能充当弹性带，如 Evans 所提出的那样，储存能量。在 I 区结束时，泊松比达到 0，并最终在 III 区达到 1-2 的水平。该材料在 III 区表现为塑料，原始各向异性结构在此被破坏。在膨胀结构中，拉伸载荷由具有几乎 100% 晶体结构的高度定向原纤维承担，这解释了它们具有更高的拉伸强度。

  ePTFE 产品已渗透到所有主要工业领域，本节将举例说明这一些产品。ePTFE 有多种形式，包括带、膜、管、纤维、板材和棒材，这对其应用的增长至关重要。ePTFE 经常用来制造高性能织物、医疗植入物、纤维、垫圈和密封剂、膜以及电子科技类产品的介电材料。表3 列举了一些以 ePTFE 为主要成分的部件。

  ePTFE 产品的具体应用取决于 ePTFE 的一种或多种特性。由于 ePTFE 用途广泛，因此可针对特定产品和功能设计大量的性能特征和特性。表5 列出了这些特性。

  ePTFE 膜是工业、汽车和工艺过滤系统的重要组成部分。向环境和工作场所排放污染性粉尘和烟雾慢慢的受到更严格的法律控制和审查。这些法律规定推动了对更高效、更有效、更经济的过滤介质的需求。例如，在水泥生产中，主要的挑战包括降低能耗和二氧化碳排放量。在精细化学品的生产中，生产的全部过程中的排放量必须接近零，这还在于这一些产品的成本比较高。另一个努力实现近零排放的行业是垃圾焚烧处理，因为立法限制不断促使工厂提高其性能标准。

  使用基于 ePTFE 的过滤器的其他重要行业包括食品/糖果、塑料加工、冶金工厂、非金属矿物开采和回收以及制药业。根据材料、工艺以及各行业对性能和质量的要求，各行业的技术方面的要求大相径庭。

  用于微过滤应用的 ePTFE 膜具有高流速和出色的截留特性。ePTFE 过滤膜具有有效微过滤器所需的重要特性，如化学惰性和清洁性。此外，它们不会脱落颗粒，萃取率极低。

  ePTFE 膜具有拒水性，可用作气体传感器、声学应用、压力通风、工业电池通风、电子和其他领域通风的透水屏障。透气排气和斥油膜可使用 ePTFE 制成，适用于需要耐油性但又要求气体可以通过膜排出的应用。

  ePTFE 膜具有疏水性和疏油性，很适合医疗应用。当制成膜、薄膜、层压板和管状时，ePTFE 可用来制造各种医疗配件，包括伤口护理材料、面罩、换能器保护器、造口袋、尿袋、引流袋、医疗设施外壳、通气盖、静脉输液器、尖头通气孔、手术烟雾过滤器和抽吸过滤器。

  ePTFE 还具有纳米纤维结构，适合用作细胞培养表面。ePTFE 表面可提供仿生物环境，使细胞表型更一致、更可重现。

  聚四氟乙烯（PTFE）的电气特性使其适用于电子和电化学应用，尤其是膨体聚四氟乙烯。其体积电阻率为 10^(18) Ω cm，介电常数为 2.0，损耗因子 0.0004（108 Hz 时）。此外，其介电损耗随厚度的减少而增加。对于一定要满足严格的电气、机械和环境要求的电缆应用来说，PTFE 的这些电气特性至关重要。表6 列出了这些部件的示例。

  聚四氟乙烯的电特性也使其适合于电子和电化学应用，尤其是膨体形式的应用。有关利用 PTFE 和其他聚合物介电材料来满足各种高性能信号传输要求的应用实例，请参见表7。

  聚四氟乙烯以膨胀和未膨胀两种形式大范围的应用于生产垫片、密封剂、填料和其他部件。聚四氟乙烯具有极强的挠曲疲劳性，因此是隔膜和其他部件需要经常移动的应用的理想材料。PTFE 和 ePTFE 可与其他材料结合使用，这也是其在这些应用中的优势所在。表8 概述了其在运输业和工业流体密封中的一些应用实例。

  ePTFE 纤维强度高、收缩率低、耐磨损。它们还具有非常出色的抗紫外线降解性能。这一系列特性确保了在极端环境下的稳定性和完整性。纤维可编织、织造、编织或缝制成各种应用。例如：

  ePTFE 膜已被大范围的使用在各种服装织物以及工业和建筑应用中。民用、运动/狩猎、军用和安全服装面料的开发都包含了 ePTFE 膜作为功能成分。高性能的外衣、鞋类、手套和配件都依赖于 ePTFE 膜的特性。用 ePTFE 制成的工业织物在液体和气体过滤、电绝缘和通风窗中作为介质有大量应用。

  包括环境和勘探应用中的地球化学成像服务、石油勘探和矿物勘探在内的众多行业都发现了 ePTFE 的最终用途。制药和生物技术行业使用 ePTFE 产品来确保工艺流的纯度和安全性。

  东莞市富临塑胶原料有限公司供应：膨体聚四氟乙烯ePTFE、管材、膜、单丝