[科普中国]-冷压烧结成型

大多数氟塑料在通常加工温度下很难熔融或者熔体在成型温度下黏度过高，虽说是热塑性塑料，但不能用一般热塑性塑料的方法成型，只能用类似粉末冶金烧结成型的方法，通称冷压烧结成型。成型时，先将一定量的含氟塑料（大都为悬浮聚合树脂粉料）放入模具中，在压力作用下压制成密实的形坯（又称锭料、冷坯或毛坯），然后至烘室内进行烧结，冷却后即成为制品。

简介冷压烧结成型类似于粉末冶金的冷压烧结，是一种将一定量物料加入常温模具，用高压压实成密实型坯（又称冷坯、毛坯或锭料），然后送进高温炉（烧结炉）中烧结一定时间，最后经冷却而成为制品的过程技术。

冷压烧结技术主要用于加工常规方法难于成型的聚合物，如聚四氟乙烯（PTFE）、超高相对分子量聚乙烯（UHMWPE）和聚酰亚胺等。其中聚四氟乙烯最早采用冷压烧结成型，而且成型工艺最为成熟，因此具有代表性。除了冷压烧结成型方法外，聚四氟乙烯的烧结成型方法还有柱塞挤出成型和糊膏挤出成型，但其过程与常用的冷压烧结成型大同小异。目前，可用烧结成型的聚合物除了上述之外，还有PCTFE、PE、PP、PVC、PC、PA、PPS等，这些聚合物不是熔点高就是黏度大，故用常规方法不易成型。

冷压烧结成型原理烧结的基本过程是从室温加热至高聚物熔融态后，又冷却至室温的一个过程。随着高聚物的温度不断升高，处于高弹态下的固体晶相与无定形相混合，此时颗粒之间形成接触。当加热至高聚物的熔融温度时，正常的晶体被破坏，开始转变为无定形相，也就是结晶物质的熔化。采用烧结成型的聚合物的黏度都极大，一般即使熔融也不会流动，只是分子之间的相互扩散、黏结，这时连通的孔洞将闭合，整个型坯逐渐变为一个连续的整体，由原来的乳白色变为透明。通过烧结熔融阶段后，冷却过程开始，冷却到低于一次相变转变点时，无定形相变为结晶相。

分子热运动过程：随着烧结温度的升高，在晶体熔点以上时，分子运动加剧，分子链相互扩散并且出现分子链回复松弛状态，促使颗粒黏合起来，此时就是最佳的烧结温度，在这一温度下颗粒之间黏接在一起，界面消失，从而成为密实的整体。在整个烧结过程中，体积在变化，出现加热膨胀，达到透明时体积膨胀可达百分之几十，然而冷却降温时，体积逐渐收缩变小。

烧结过程中可能产生裂解反应，各种树脂的分解温度不一样，烧结温度也不一样，裂解程度也就不一样。如：聚四氟乙烯烧结温度大概在327℃和415℃之间，裂解反应在250℃以上，开始只有轻度的分解，当温度高达415℃时就剧烈分解了。1

烧结设备烧结设备称烧结炉。通常采用能升温至500℃且可连续工作的电加热炉，炉温精确度应控制在±5℃范围内。为保持炉温的均匀性，必须保证有效的空气循环及放置预压件的圆盘能均匀旋转。由于烧结温度下物料会产生少量的分解产物，因此烧结炉应有排气装置，能将气体排出炉外。当关闭炉门冷却时，冷却降温速度应不超过20℃/h。

冷压成型聚四氟乙烯树脂是一种纤维状的细粉末，在储存或运输过程中，由于受压和震动，容易结块成团，使冷压加料发生困难，或所制形坯密度不均匀，所以使用前须将成团结块捣碎，用20 目筛过筛备用。将过筛的树脂按制品所需量加人模内并在型腔里分布均匀。一个形坯应一次完成加料量，否则制品可能在各次加料的界面上开裂。

加料完毕后应立即加压，加压宜缓慢进行，严防冲击。升压速度（指阳模压入速度）视制品的高度而定。直径大而长的形坯升压速度应慢，反之则快。慢速为5~10 mm/min、快速为10~20 mm/min。

通常模压压力为30~50MPa。压力过高时，树脂颗粒在模内容易相互滑动，以致制品内部出现裂纹；压力过低时，制品内部结构不紧密，致使制品的物理机械性能显著下降。为使形坯的压实程度尽可能一-致，高度较高的制品应从型腔上下同时加压。当施加的压力达规定值后，尚需保压一段时间，保压时间也视制品的情况而定，直径大而长的制品保压时间为10~15min，一般的则为3~5min，然后缓慢卸压，以免型坯强烈回弹产生裂纹。

如果型坯的面积较大，则由树脂粉末裹人的空气不易排出，所以模压时需要排气，排气的次数和时间应由实验确定。冷压所制的型坯，强度较低，应小心脱模以防碰撞而损坏型坯。2

烧结烧结是将型坯加热到树脂熔点（327 ℃）以上，并在该温度下保持一段时间，以使单颗粒的树脂相互扩张，最后黏结熔合成一个密实的整体。

聚四氟乙烯的烧结过程是一个相变过程。当烧结温度超过熔点时，大分子结构中的晶体部分全部转变为无定形结构，这时，物体外观由白色不透明体转变为胶状的弹性透明体。待这一转变过程充分完成（即称烧结好了的型坯）后，方可进行冷却。合理控制烧结过程—升温、保温和冷却以及烧结程度是确保制品质量的重要因素。

按操作方式的不同，烧结方法有连续烧结和间歇烧结两种，连续烧结用于生产小型管料，而间歇烧结则常用于模压制品。按照加热载体的不同又可分为固体载热体烧结，液体载热体烧结和气体载热体烧结3种。气体载热体烧结包括普通烘箱和带有转盘的热风循环的烧结。由于带有转盘的热风循环烧结具有坯料受热均匀、随时可以观察坯料的烧结情况、制品洁白、操作方便以及易于控制等优点。因此这种方法目前已广为采用。2

本词条内容贡献者为:

蒲富永 - 教授 - 西南大学