孙克原，张敏华，陈勤勤，汪海飞

（南京肯特复合材料股份有限公司，江苏南京211162）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）为四氟乙烯单体经自由基聚合而生成的高分子聚合物，享有“塑料王”的美誉［1］。其具有耐腐蚀、耐高温、化学性能稳定、摩擦系数低、自润滑等优良特性，广泛应用于航空航天、汽车、机械、建筑、化工、船舶等领域［2］。由于PTFE特殊的分子结构特征，使其具有极高的溶体黏度（107～108kPa）,在熔融状态下也不流动，针对其熔融黏度高，加工困难的不足，工业上探索和发明了模压成型、液压成型、柱塞挤出成型、注射成型等多种成型工艺和方法［3］，在这些成型过程中，都需要把树脂粉末均匀加入到特定的模具中。因此，树脂粉末注模的均匀性、流动性和快速性直接影响到产品的性能和加工效率。对于工业上用量最大的悬浮法聚合得到的PTFE悬浮粉料，颗粒一般在20～80μm，体积密度在200～500 g/L，其体积密度低、粒径分布广、流动性能很差［4］。由于其极差的流动性，因此在树脂注模过程中往往需要手工加料，加入模腔中的树脂还要手工捣匀，费时费力，生产效率极其低下。对于一些厚度较薄的产品，由于模腔中的树脂流动不均经常导致产品在模压过程中的孔隙和开裂，影响产品性能。近年来，随着制造业自动化水平的提高和下游产品应用领域的增加，对于树脂的自动模压和提高产品质量提出了新的需求。需要用适当的方法提高聚四氟乙烯树脂的体积密度和粉末流动性性能［5］。一些研究人员采取过筛的方法将PTFE粉末进行细化或对成型体车削加工，此类方法较为复杂，成本高，不利于大规模生产［6］。

为解决此类问题，主要通过造粒设备对粉料进行造粒可以极大地提高粒料的流动性。造粒工艺一般分为干法造粒和湿法造粒［7-9］。其中，干法造粒不采用任何液体介质，将悬浮聚合得到的PTFE压制成片，然后将该片材进行粉碎，再进行筛分后得到造粒料。此方法过程简单，但粒料物性较差。而湿法造粒采用水、有机液体或水、有机液体混合物浸润PTFE细粉，通过凝聚的过程来提高PTFE粉末的体积密度和流动性能。湿法造粒得到的PTFE造粒料形状规则，流动性优异，改善了PTFE粉末的充模性能，适合于较薄与较窄制品的模压、自动模压过程。

1 聚四氟乙烯湿法造粒工艺及设备

1.1 聚四氟乙烯湿法造粒工艺

首先，将经冷藏过的聚四氟乙烯树脂细粉加入一定体积比的有机溶剂，将流动性差的聚四氟乙烯用溶液淋湿后，连同容器一起夹持在一个可以转动的设备上进行粗混，使溶剂和树脂之间充分混合。然后，把粗混好的湿料放入一体化造粒设备中进行碎混合造粒，通过不同形式的滚转过程来促进聚四氟乙烯粉末聚集。之后须蒸发掉聚四氟乙烯树脂中的有机溶剂，然后对其进行烧结处理，最终可经筛分获得聚四氟乙烯造粒料。工艺流程如图1所示。

图1 PTFE湿法造粒工艺流程

1.2 聚四氟乙烯湿法造粒设备

造粒工艺关键过程在于碎混合造粒过程，此过程的控制直接关系到造粒成品的性能。笔者所在公司开发了一种用于湿法造粒的上盖可翻转的碎混合造粒一体式造粒机［10］，用于对湿物料进行颗粒分解，充分混合与湿式滚动造粒连续作业。主要包括底座、碎混箱、造粒机构和上盖等。碎混合造粒机构由固连在底座上的柱形料筒和底部一个能转动的转盘组成，转盘的转动由安装在底座上的电机和传动装置实现。碎混箱和料斗都安装在上盖上，两者相通。碎混箱安装在上盖的下表面，料斗安装在上盖的上表面，两者都可随上盖一起打开，上盖盖上时，碎混箱则位于转盘的上方，湿物料从料斗中喂入，然后在碎混箱粉碎后落入转盘中进行滚转造粒。滚动造粒时，为了防止转盘上的物料受离心力作用在料筒边缘堆积，在上盖两侧设置了两个转角可以调节的瓦形拨片，用于将物料拨向转盘旋转中心。料筒上设计一个出料口，用于收集造粒好的粒料。上盖连同附属部件通过铰链和限位装置设计为可翻转，上盖与料筒间的夹角于一定角度范围内可在不同角度固定，便于检查机内状况和清洁维修工作，具体结构如图2所示。其工作原理有以下几点。

图2 造粒设备结构

1.2.1 物料碎混

物料碎混合造粒都位于料筒内，其位置结构示意图如图3所示。碎混箱位于料斗正下方，主要由动力驱动的內轴、可旋转的刀盘和安装在刀盘上的旋转刀片和旋转叶片以及外围的有孔滤网组成。碎混物料的关键部件刀盘、旋转刀片和叶片结构如图4所示。

粗混后含溶剂的湿式物料由料斗喂入碎混箱，在碎混箱内，刀盘带动刀盘上的旋转刀片高速旋转，对落入的湿料施加冲击力，把成块状的湿物料反复打散粉碎实现充分混合。刀盘底部安装了一对斜面的旋转叶片，随刀盘一起旋转时对物料施加一个向上的作用力，使物料在受到刀片周向作用力而周向流动的同时亦受到底部叶片轴向作用力而轴向流动，使物料混合更加均匀。经充分混合的、颗粒直径符合要求的物料由滤网连续排出。

1.2.2 滚动造粒

图3 料筒内部结构

图4 刀盘和旋转刀片结构

经碎混箱筛网排出的物料落入料筒，旋转的转盘工作面对于物料施加摩擦力，物料受到摩擦力的作用而滚动，物料相互团结黏合形成粒体，在粒体滚动时同样受到离心力的作用使粒体远离转盘旋转中心时受到瓦形拨片的作用，粒体回复至转盘工作面，物料在粒体表面继续团结黏合，粒体的体积不断增大。调节瓦形拨片的转角即可以调节瓦形拨片对于粒体的作用力，当粒体离心力的分力不小于瓦形拨片对于粒体的作用力时，粒体脱离转盘工作面由出料口出料完成造粒。造粒料的体积密度和平均粒径可以通过控制转盘的滚动时间和拨片的角度来进行调整和控制。图5为滚动造粒的结构示意图。

图5 滚动造粒结构

1.2.3 清洁和维修

本设备还设计了上盖可翻转的功能，便于清洁内部零部件表面和缝隙处的PTFE粉料，同时也方便检查和更换内部零部件，减少清洁和维修作业时间。可翻转上盖结构示意图如图6所示，驱动及限位装置和蜗轮蜗杆减速器安装在底座上，蜗轮蜗杆减速器动力输出端带动主动链轮通过链条带动从动链轮转动，驱使上盖以传动轴为转轴转动至目标角度。利用蜗轮蜗杆减速器传动时小输入转矩、大输出转矩的特性和良好的自锁性能，可以使蜗轮蜗杆减速器的动力输出轴在任一转角固定，也可将上盖复位。

图6 可翻转上盖结构

2 聚四氟乙烯湿法造粒料特性及产品性能

采用湿法造粒设备，笔者对比了聚四氟乙烯未造粒的细粉料和造粒料的外观形貌和物理性能。原料采用晨光悬浮细粉料CGM-16F。聚四氟乙烯湿法造粒料相比于未造粒的细粉料具有优良的特性,造粒料和未造粒的细粉料性能如表1所示，其外观形貌如图7所示。

从图7和表1可看出，PTFE造粒料的粒子形状更为规则，外观表现为粒状的小球，且分布较均匀。从物理性能对比来看，PTFE造粒料的体积密度、平均粒径和流动性有很大提高，相比于未造粒的细粉料具有优良的特性，加工流动性好，充模性能优异，制品的外观也相对较为优良。

3 结语

近年来，随着国内对聚四氟乙烯制造工艺和制造设备的深入研究，满足多种加工工艺和自动化成型设备的需求，湿法造粒技术得到广泛的关注。采用湿法碎混合造粒的一体化湿法造粒设备得到的聚四氟乙烯造粒料的粒径和体积密度显著提高，具有优异的流动性优良的表面形貌和物理性能，提高了产品质量和加工效率。随着下游聚四氟乙烯应用领域的发展，目前发达国家如美国、日本，欧洲等国家开发生产的聚四氟乙烯造粒料及产品的品级较多［11］，而国内相关领域发展却相对滞后。因此，设计多品级、高性能的聚四氟乙烯造粒料和自动化程度较高的造粒设备和后道成型加工设备，是未来研究和发展的一个重要方向。

图7 PTFE未造粒料和造粒料外观形貌

表1 造粒料与细粉料性能对比