聚四氟乙烯科技发展现状
郑州工业大学
本论文介绍了聚四氟乙烯在设备衬里、换热器、离心泵以及密封件、波纹管、隔膜等制品科技现状应用。
关键词：聚四氟乙烯防腐蚀聚四氟乙烯热交换器
1聚四氟乙烯防腐蚀产品的历史沿革
化工生产厂在一定的温度和压力条件下进行，工艺要求严格，所涉原料有各种气体、液体、固体，物性千差万别，需要各种类型的生产设备。但是这些与介质接触的设备在生产中每时每刻都被腐蚀，从而严重地制约了化工等工业的发展。在科技不发达情况下，人们总是在金属中寻找抗腐剂。但这些设备往往体重价高，不能解决大量的腐蚀问题。之后，人们才开始摸索用非金属资源来替代金属。塑料首先在我国得到应用的是聚四氟乙烯，接着聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、聚全氟乙丙稀等氟塑料以及聚乙烯、聚丙烯、ABS等热塑性塑料接踵出台。
随着科技进步，传统耐蚀非金属材料制防腐蚀设备发展日益完善，新型耐蚀非金属材料制品不断涌现。在采用新技术、新材料开发防腐蚀新产品的浪潮中，聚四氟乙烯防腐蚀产品一枝独秀，迅速发展。聚四氟乙烯（简称PTFE）具有高度化学稳定性，他能耐几乎所有的常用强腐蚀、氢氧化性化学物质，同时还具有耐高温的特点，所以它是一种理想的防腐蚀材料。通过加工成型工艺的研究，聚四氟乙烯防腐蚀产品在工业中的应用就愈来愈广泛了。
聚四氟乙烯防腐蚀产品可以替代大量合金材料制品，增加设备工作能力，减少停工维修，是一种很有开发潜力的耐腐蚀产品。
2．聚四氟乙烯热交换器
聚四氟乙烯换热器是化工设备新品种，由于聚四氟乙烯材质耐蚀性冠于多种合金、非金属甚至贵金属，故此类设备对于解决制药工业、石油化工等强腐蚀性流涕无聊的换热问题具有重要意义。聚四氟乙烯换热设备是在我国工业需要大量不含杂质的物料冷凝，而缺乏及耐腐蚀又具有高洁净率换热材质的局面下问世的。此种设备极大地提高了换热设备的耐蚀性和换热介质的洁净率，在石油化工、硫酸、医药、电镀、轻工等领域得到广泛的应用。
在工业生产中，为了工业流程的需要，往往需要进行各种不同方式的热量变换，如：加热、冷却、蒸发和冷凝等，换热器就是用来实现上述热量交换与传递的设备。通过各种设备，一边使热量从温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足生产工艺的需要。换热器应用极为广泛，使实现化工生产必不可少的设备，它通常占化工厂总投资的10%--20%，在是由工业，换热器设备约占全部工艺设备投资的35%--40%。
在化工生产的热交换过程中，除了遇到高温高压、深冷等一些条件外，还常常伴随一些腐蚀性很强的介质，这就不仅要求实现工艺流程需要的热交换，同时要求这些设备必须具有抗腐蚀性能。因而化工生产对制造换热器以及用不锈钢和钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器就是噶怒防腐需要而生产的。
用石墨、玻璃、陶瓷及钛、钽、锆等材料制成的换热器具有防腐性能，但仍存在很大的局限性。例如：用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的换热器尽管其防腐性较好，但有易碎、体积大、导热性能差、效率低等缺点。用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器，虽导热性好，但价格昂贵，一般用户难以承受，如：锆、钛换热器价格是不锈钢换热器价格的5倍。在我国目前国立情况下难以大面积推广。
聚四氟乙烯又称泰佛隆，简称F—4，是工程塑料的一种，它具有优异的化学稳定性。已它为主要原料制成的换热器具有极耐腐蚀、极好的表面不沾性、较快的温度范围赫耐老化寿命长等优点。是解决强腐蚀、强氧化介质传热过程中的理想设备。
F—4换热器除了在高温下，元素氟、熔融状态金属及其铵溶液、三氟化氯、六氟化铀及全氟煤油能与其反应外，对于其它物质在其使用范围内均几乎不作用。如象：浓盐酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、磷酸、醋酸、草酸、苛性钠、次氯酸钠、偏硅酸钠、苯、二甲苯额、丙酮、乙醇、王水等百余种强腐蚀、强氧化性化学物质均不与其发生反应。
F—4换热器的使用温度范围较宽且耐老化寿命长。F—4制品可在-180--+250℃范围内长期使用，虽在换成换热器后，其使用范围略有缩小，但仍比一般工程塑料包括F—46制品的使用范围要宽的多。由于其分子中不含光敏基因及其管子有较好的挠性，因而长年在大气中曝露，表面无任何变化，当其管壁厚为0.4mm时，其穹曲疲劳寿命为20万次。F—4换热器体积小，重量轻、结构紧凑抗污塞是其最大的优点。尽管氟塑料的传热系数较低，但因其表面光滑不结垢和采用小管径（通常φ3~6mm）薄壁管（一般壁厚在0.3~1.0mm）、排列密集换热面积大，从而弥补了其自身的不足，使F—4换热器能在相同体积内换热量达到碳钢换热器换热量的5%-8%，重量仅为铸铁换热器的1/10.由于其表面具有很强的不污性，加上换热过程中管子微震，凡直径小于管径长1/5的物料均可畅通无阻，不致污塞。价格与锈钢换热器持平，但寿命在强腐蚀介质中是不锈钢换热器的20~30倍。因而在生产工艺允许的范围内采用F—4换热器能产生巨大的经济效益。
??郑州工业大学研制的聚四氟乙烯热交换器不仅填补了国内的空白，且已在北京、上海、湖南、江苏、河南等省市使用，深受客户好评。
聚四氟乙烯热交换器1965年由美国杜邦（DuPont）公司开始应用于工业生产。由于聚四氟乙烯工程塑料的焊接工艺条件非常苛刻，到目前为止世界上只有美国、日本等少数几个国家能够生产。
在我国，随着化学工业的发展，不少厂家寄科研院所对四氟换热器的研制表示出极大观注并积极进行探索。1990年郑州工业大学研制组经过数年探索，他采用管板限胀施压加热焊接工艺成功地解决了管式聚四氟乙烯换热器的管子赫管板焊接技术这一难题。该项技术2000年获得河南省重点科技成果奖，并于通过四氟换热器的产品鉴定，填补了我国F—4换热器的生产空白。还达到了下列技术参数：
①“焊缝”经常温下气密性试验不泄露，耐压＞4105Pa
②“焊缝”在常温下剪切强度t≥4105Pa（设计要求r=7105Pa）
③该换热器经工业生产试用，其焊缝在温度150℃、压力3~4105Pa条件下性能可靠。
这项焊接工艺在世界上为我国首创，与美国杜邦公司的管束制造工艺比较，
具有工装简单、操作容易、工艺流程等优点。
由郑州工业大学研制的聚四氟乙烯焊接工艺及聚四氟换热器的的制造技术多年来经不断探索，不仅积累了大量数据资料及一整套成熟技术还先后开发了121、181、325、1200等多种产品，，为我国化学工业的发展提供了良好的服务。如：北京第二制药厂至今已用了63台。他们说：在此之前，曾使用过聚丙烯、石墨赫紫铜、搪瓷及钛合金等换热器比较起来都不如F--4换热器，有的易漏，有的昂贵，开始使用郑州工学院生产的四氟换热器至今10年有余。仍无损。几乎不用维修。上海新亚制药厂过去使用的玻璃换热器、其寿命仅一个月，使用郑州工学院的四氟换热器后两年来一切正常，使用聚四氟乙烯换热器不仅使化工企业节省大量设备投资，而且还可以避免频繁更换设备而被迫停产给企业带来的经济损失。
3.氟塑料换热器是一种新型且可以在较高工作温度和压力条件下仍具有耐强腐蚀性能的换热器。国内对氟塑料换热器的研究应用起步较晚。郑州工研制开发的“聚四氟乙烯（F-4）管板限胀施压加热焊接”工艺，解决了氟塑料管子与管板连接时的冷流性、难焊接、难熔融加工三个关键技术问题后，使氟塑料换热器的制造与使用成为现实。目前氟塑料换热器凭借其优异的性能为众多行业重视及应用。由于氟塑料与金属材料在物化性质方面的差异，使得氟塑料换热器在工艺设计方面也与金属换热器不尽相同。国内制作氟塑料换热器换热管束与管板的材质有聚四氟乙烯和聚全氟乙丙烯两种。将氟塑料换热管束和氟塑料管板（与氟塑料或其他材质的折流板、隔板、固定限位环等）组装以形成冷、热流体相隔开的结构称之为换热元件。从传热系数计算式可以看出：当不考虑管壁污垢的影响时，管壁热阻就决定了传热系数的极限，即不论采用何种办法来强化管壁两侧流体的对流给热并使之为最理想状态，其传热系数最终由管壁的厚度决定。实际上人们在设计和使用氟塑料换热器时还会综合考虑其他影响氟塑料换热器传热系数的因素，诸如工艺条件、结构型式、换热管径大小、换热管内外管壁是否光滑、流体种类与流速状态、流体是否混浊或有无沉积物或有无固体颗粒、热交换时有无搅拌等。因此，在某些工艺条件允许的情况，下尽量减小的管壁厚度是提高传热系数的有效方法。这也就是某些厂家愿意选择小管径、薄管壁的氟塑料管作为换热管的重要原因。氟塑料换热器的换热管束采用小管径、薄管壁与金属换热器相比较其单位体积具有更多的热交换面积，这样尚能弥补氟塑料本身导热系数低所带来的缺陷。金属换热器的初始传热系数比氟塑料换热器的传热系数大，但金属换热器随着使用时间的延续，其换热管束的污垢层厚度逐渐增加而使传热系数逐渐降低。氟塑料换热管壁表面光滑且不易结垢，工作时在流体温度变化的作用下换热管束易沿轴向和径向方向频繁伸缩，其结果可除去污垢有利热交换。众所周知判定一台换热器传热效果的好坏并不取决于初始的传热系数，而氟塑料换热器的传热系数则基本恒定。事实上也有事例证明在使用一段时间后，两种材质的换热器其传热系数相比有可能相差无几。所以保证氟塑料换热管束表面的相对干净是稳定传热能力必不可少的条件之一。
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