От смолы до деталей: изучение процессов производства ПТФЭ 

Введение

ПТФЭ, или политетрафторэтилен, является синтетическим фторполимером, имеющим большую коммерческую ценность. Его уникальные свойства, такие как высокая химическая стойкость, антипригарная поверхность и низкий коэффициент трения, заслужили ему особое признание в пластиковой промышленности. С момента своего открытия доктором Роем Планкеттом в 1938 году он «произвел революцию в пластиковой промышленности и привел к активным применениям, которые в противном случае были бы невозможны.

Хотя ПТФЭ является термопластиком, он проявляет чрезвычайно высокую вязкость и склонен к растрескиванию при воздействии сдвиговых напряжений в диапазоне температур между его кристаллической точкой плавления (327–340 °C; 621–644 °F) и началом быстрой термической деградации (＞410 °C; ＞770 °F). Следовательно, ПТФЭ нельзя формовать литьем под давлением или экструдировать из расплава, как другие термопластики, что требует разработки принципиально иных методов обработки.

В этом блоге мы рассмотрим различные производственные процессы, связанные с созданием изделий из ПТФЭ, включая компрессионное формование ПТФЭ, автоматическое формование ПТФЭ, изостатическое формование ПТФЭ, механическую обработку ПТФЭ, экструзию пасты ПТФЭ, экструзию плунжера ПТФЭ, ПТФЭ травление, строгание ПТФЭ, штамповка ПТФЭ и нанесение покрытия ПТФЭ.

Экструзия пасты ПТФЭ

Экструзия пасты ПТФЭ начинается с тонкодисперсных порошков ПТФЭ, к этим порошкам добавляется летучая смазка, которая равномерно распределяется в порошке. Эта смесь фактически становится «пастой» = порошок + смазка. Перед экструзией эта паста обычно сжимается, чтобы удалить как можно больше воздуха, в цилиндрическую форму или «свечу». Затем форма помещается в специальный экструдер с постоянной скоростью, и ПТФЭ экструдируется в желаемую форму. Такие экструзии обычно выполняются при температуре порошка 35–50 °C. Во время экструзии многие частицы превращаются в фибриллы, которые придают прочность экструдату. Затем экструдированные детали сушатся для удаления смазки, а затем спекаются при температуре от 360 до 400 °C, что приводит к плавлению и образованию однородных, безвоздушных объектов.

Типичные изделия, изготовленные методом экструзии пасты ПТФЭ, — это высококачественные шланги и провода для аэрокосмической и автомобильной промышленности, трубопроводные футеровки и шланги для перекачки едких материалов и растворителей в химической промышленности и т. д.

Экструзия ПТФЭ-плунжером

Экструзия ПТФЭ-плунжером — это метод эксплуатации процесса для производства непрерывных длин цилиндрических деталей из ПТФЭ (например, трубок из ПТФЭ, стержней из ПТФЭ) и простого профиля. Этапы уплотнения и спекания выполняются одновременно в экструдере.

Для обеспечения эффективной работы этого процесса порошки ПТФЭ должны обладать хорошими характеристиками текучести, чтобы они легко подавались в трубку матрицы экструдера. Это достигается путем использования либо предварительно спеченных, либо агломерированных, оба из которых обладают свободной текучестью.

Сначала подается некоторое количество смолы ПТФЭ в один конец прямой трубы матрицы с равномерным отверстием, где она уплотняется плунжером и продавливается вдоль трубы, которая включает в себя нагретую зону спекания. Затем плунжер извлекается, трубка матрицы повторно загружается порошком, и цикл повторяется. Таким образом, уплотненный порошок постепенно продавливается через нагретую секцию пресс-формы, где он спекается, а затем через более холодную секцию, из которой он выходит непрерывной длиной.

В целом, экструдированные детали демонстрируют более низкую производительность по сравнению с деталями, полученными компрессионным формованием.

Компрессионное формование ПТФЭ

Компрессионное формование ПТФЭ, базовый метод формования ПТФЭ, позволяет производить изделия простых форм, такие как листы, блоки, стержни, трубки и многое другое. Основные принципы компрессионного формования можно обобщить следующим образом:

1.Равномерная загрузка порошка ПТФЭ: форма равномерно заполняется порошком.

2.Сжатие: порошок ПТФЭ сжимается до давления от 10 до 100 МПа при комнатной температуре.

3.Спекание: сжатый материал спекается при температурах от 360 °C до 380 °C (от 680 °F до 716 °F), в результате чего частицы соединяются вместе.

4.Охлаждение: после спекания материал охлаждается, чтобы зафиксировать свою форму.

Компрессионное формование ПТФЭ можно разделить на обычное компрессионное формование, автоматическое компрессионное формование и изостатическое формование. Механические процессы, связанные с этими основными методами, поясняются ниже:

Формование под давлением ПТФЭ

Формование под давлением ПТФЭ — самый простой метод формования ПТФЭ. Этот метод позволяет производить конечные изделия весом от нескольких граммов до нескольких сотен килограммов. Это наиболее используемый метод обработки для цилиндрических, прямоугольных и листовых форм ПТФЭ.

Смола ПТФЭ вручную загружается в форму и сжимается для формирования заготовки под вертикальным давлением в гидравлическом прессе в течение определенного времени, обеспечивая желаемую форму. Затем заготовка помещается в печь, где она подвергается серии запрограммированных скоростей нагрева и охлаждения и времени выдержки. Два цикла вместе обычно называются циклом спекания.

Во время цикла спекания заготовка подвергается нагреву выше точки плавления кристаллической смолы. Эта повышенная температура позволяет смоле сплавляться, образуя твердую деталь желаемой формы. Последующий цикл охлаждения используется для регулирования кристалличности детали, тем самым влияя на ее конечные свойства.

Характеристики формованной детали зависят от нескольких факторов, включая давление, приложенное во время предварительного формования, продолжительность времени выдержки, время и температуру спекания, а также скорость охлаждения. Эти параметры в совокупности определяют физические и механические свойства конечного продукта.

Автоматическое компрессионное формование ПТФЭ

Автоматическое компрессионное формование — это высокоэффективный и автоматизированный процесс, специально разработанный для массового производства небольших формованных изделий. Он требует использования свободнотекучей смолы ПТФЭ, которая обладает хорошей текучестью и позволяет автоматизировать загрузку порошка во время процесса формования.

При этом методе заданное количество порошка автоматически засыпается в полость формы. После заполнения опускается поршень для сжатия порошка, после чего поднимается нижний поршень для приложения давления к материалу с обоих направлений. Это давление поддерживается в течение фиксированного периода времени. Затем верхний поршень втягивается, и сжатая заготовка выдавливается с помощью подъемного действия силового поршня. Вся эта операция следует запрограммированному рабочему циклу.

Из-за короткого времени сжатия при автоматическом формовании применяется более высокое давление по сравнению с обычным компрессионным формованием.

Условия спекания при автоматическом компрессионном формовании очень похожи на условия обычного компрессионного формования. Однако, поскольку формованные изделия имеют меньший размер и часто используются в качестве готовых изделий без дополнительной вторичной обработки, такой как механическая обработка, становится крайне важным свести к минимуму любые изменения размеров или формы в процессе спекания.

Для решения этой проблемы рекомендуется внедрение усовершенствований, таких как печи для спекания вращающегося типа и печи для спекания непрерывного типа.

Изостатическое формование ПТФЭ

Изостатическое формование включает загрузку порошка ПТФЭ между формой и эластичной формой (например, резиной) и прессование порошка давлением жидкости (воды, масла) со всех сторон через эластичную форму для связывания частиц друг с другом. Этот метод подходит для формования изделий сложной формы, включая тонкостенные трубы большого диаметра, контейнеры и бутылки в форме стакана и различные детали трубопроводов.

Давление формования обычно составляет от 15 до 30 МПа при изостатическом формовании. В процессе спекания поверхности, контактирующие с резиновой формой, могут стать шероховатыми. Кроме того, ПТФЭ имеет тенденцию к усадке во время спекания, что приводит к некоторой степени размерной неточности в конечном продукте. В результате для достижения желаемой точности и отделки, когда это необходимо, часто требуется механическая обработка.

Обработка ПТФЭ

Как упоминалось в начале этого блога, ПТФЭ нельзя формовать литьем под давлением или экструдировать из расплава, как другие термопластики. Однако в случаях, когда требуются точные допуски, сложные формы изделий или требуется всего несколько прототипов, обработка деталей из ПТФЭ становится жизнеспособным методом изготовления.

Детали из ПТФЭ можно подвергать всем стандартным операциям обработки, таким как точение, торцевание, расточка, сверление, нарезание резьбы, нарезание резьбы, развертывание и шлифование. Стоит отметить, что для этих процессов не требуется специального оборудования.

При обработке ПТФЭ, как вручную, так и автоматически, важно помнить, что его физические свойства отличаются от свойств обычно обрабатываемых материалов. ПТФЭ мягкий, но упругий, воскообразный, но прочный. Он обладает режущим «ощущением», похожим на латунь, но имеет эффект износа инструмента, схожий с эффектом нержавеющей стали, особенно для наполненного ПТФЭ. Однако при наличии опыта опытного машиниста обработка ПТФЭ с допусками +0,002 дюйма легко достижима. Машинист, хорошо знающий свойства ПТФЭ и имеющий опыт работы, незаменим для обработки деталей из ПТФЭ.

При обработке деталей из ПТФЭ необходимо учитывать следующие советы:

● инструменты должны быть всегда острыми и гладкими,

● скорость подачи должна быть максимально высокой,

● инструменты должны иметь достаточный зазор, чтобы режущая кромка соприкасалась только с пластиком,

● должно быть обеспечено хорошее удаление стружки с инструмента,

● следует применять охлаждающие жидкости для операций, где выделяется много тепла (например, сверление).

ПТФЭ можно обрабатывать для производства широкого спектра компонентов, включая: коллекторы, изоляторы, направляющие, скользящие блоки, катодные и анодные концевые блоки, дуговые экраны, шарики, уплотнения, шайбы, седла клапанов и многое другое.

В DCW мы преуспеваем в обработке ПТФЭ, чтобы добиться беззаусенцев и высококачественной отделки поверхности, особенно в областях уплотнения, где точность имеет решающее значение. Мы гарантируем, что компоненты не будут иметь вмятин, и можем смягчить любые потенциальные изменения размера с течением времени с помощью надлежащих методов отжига и обработки. Хотя ПТФЭ относительно легко поддается обработке из-за его мягкости, для точного изготовления точных по размерам деталей все равно требуются знания и опыт квалифицированных станочников.

Травление поверхности ПТФЭ

Травление ПТФЭ — это химический метод обработки поверхности, а не отдельный метод обработки деталей из ПТФЭ.

ПТФЭ (политетрафторэтилен) широко известен своими исключительными антипригарными свойствами. Антипригарные характеристики ПТФЭ обусловлены его уникальной молекулярной структурой. ПТФЭ — это фторполимер, состоящий из атомов углерода и фтора, расположенных в высокостабильной и прочно связанной структуре. Такое молекулярное расположение создает поверхность с очень низкой поверхностной энергией, что обеспечивает превосходные антипригарные свойства. Однако эти же свойства затрудняют связывание или покрытие материала другими веществами.

Травление — это химическая процедура, используемая для улучшения связываемости пленок, листов или готовых деталей из ПТФЭ с различными подложками и материалами. После обработки травлением связываемая сторона (подкисленная поверхность) ПТФЭ легко различима благодаря ее характерному темно-коричневому цвету.

Снятие стружки с ПТФЭ

Снятие стружки — это метод, используемый для производства непрерывных пленок ПТФЭ в гибкой рулонной форме. Этот процесс включает работу со спеченной заготовкой ПТФЭ. Шлицевая стальная оправка вставляется в заготовку ПТФЭ, и сборка устанавливается на вращающемся токарном станке, специально предназначенном для снятия стружки. Токарный станок вращается со скоростью приблизительно 20-30 об/мин.

Для начала процесса снятия стружки режущее лезвие устанавливается на жестком поперечном суппорте, который затем продвигается к заготовке с постоянной скоростью. Это продвижение снимает непрерывную пленку ПТФЭ одинаковой толщины. Регулируя скорость продвигающегося поперечного суппорта на вращающемся узле заготовки ПТФЭ/стального вала, можно снимать пленки различной толщины в диапазоне от 0,03 мм до 4 мм.

Этот метод снятия стружки позволяет производить пленки ПТФЭ различной толщины, обеспечивая гибкость и универсальность в соответствии с различными требованиями к применению.

Перфорация ПТФЭ

Перфорированные детали производятся из листа, ленты и пленки из таких разнообразных материалов, как ePTFE, стандартный ПТФЭ, FEP, PFA, PVDF. Наш ассортимент перфорированной продукции в основном состоит из плоских круглых и прямоугольных прокладок, изготовленных на заказ с использованием прецизионной ножевой оснастки для обеспечения чистоты готовых изделий.

Покрытие ПТФЭ

Покрытие ПТФЭ относится к процессу нанесения слоя ПТФЭ (политетрафторэтилена) на различные предметы. Это покрытие обычно включает нанесение двух слоев: грунтовочного слоя, за которым следует верхний слой. Цель покрытия ПТФЭ — придать покрытой поверхности желаемые свойства, такие как низкое трение, коррозионная стойкость или сухая смазка.

Перед нанесением покрытия ПТФЭ необходима правильная подготовка предмета. Это может включать обезжиривание или струйную очистку материала в зависимости от его конкретных требований. После подготовки происходит процесс нанесения покрытия, за которым следует нагрев покрытого предмета в печи для создания сухого и прочного покрытия. Толщина покрытия ПТФЭ обычно составляет от 15 до 35 микрон в зависимости от требований заказчика и количества нанесенных слоев.

Важно отметить, что существуют различные марки покрытия ПТФЭ, предназначенные для конкретных областей применения. Например, покрытие для пищевой промышленности будет иметь другие требования к применению по сравнению с покрытием промышленного класса.

Заключение:

Путь от смолы ПТФЭ до готовых деталей включает в себя различные производственные процессы, каждый из которых разработан для достижения определенных форм, размеров и свойств. Будь то компрессионное формование, экструзия плунжера, изостатическое формование, скашивание или модификация поверхности путем травления, каждый метод вносит свой вклад в универсальность и функциональность материалов ПТФЭ. Эти производственные процессы позволяют производить широкий спектр компонентов ПТФЭ, предоставляя отраслям инновационные решения для их разнообразных применений.

Замечательные свойства ПТФЭ в сочетании с изобретательностью производственных процессов делают его незаменимым материалом в бесчисленных отраслях. От уплотнительных растворов и электроизоляции до систем смазки и медицины.