聚四氟乙烯在井下工具中的应用

聚四氟乙烯(Polytetrafluoro ethylene)缩写为为PTFE，我国简称氟纶，也有称含氟纤维，美国和日本的商品名为特氟纶（Teflon）。1938年,美国新泽西州杜邦研究实验室的R.S.Plunkett博士首先发明了聚四氟乙烯[1]，1946年实现商品化，1954年开始投入工业化生产。PTFE为四氟乙烯(TFE) 单体的高结晶聚合物, 一种通过氟原子取代聚乙烯中氢原子、由人工合成的高分子材料，白色, 无毒, 无味。其聚合物分子是由一( 一CF2一CF2一)一结构单元重复连接而成,是目前各行业中应用最新型的工程塑料。由于其优良的物理、化学性质，具有耐腐蚀性，耐气候性，电绝缘性，高润滑、低摩擦性和不粘性等，被美誉为“塑料王”，“永不沾污的涂层”，并得到不断发展。
　　目前，聚四氟乙烯已在国防、航天、航海、化工、机械、石油、纺织、食品、医疗、电器、环保等领域广泛应用，在油田开发中的应用也日益广泛，前景看好。
　　一、聚四氟乙烯的物理、化学性质
　　PTFE是一种高度对称和不带有极性、不含有任何支链的线型高分子化合物，从而形成优异的物理、化学特性。
　　1.物理特性
　　PTFE是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料，由于它特殊的分子结构，从而形成了优异的物理、化学特性。PTFE一般结晶度为90~95%，熔融温度为327~342℃。聚四氟乙烯分子中CF2单元按锯齿形状排列，由于氟原子半径较氢稍大，所以相邻的CF2单元不能完全按反式交叉取向，而是形成一个螺旋状的扭曲链，氟原子几乎覆盖了整个高分子链的表面，因此具有优良的力学特性：PTFE由于摩擦因数小，是现有合成材料中最小的，而且可在较大的温度和荷重范围内保持不变；PTFE其表面张力极小，可避免表面张力在0.02N/m以上的液体所润湿，因此具有不粘附任何物质的属性。聚四氟乙烯是最难燃的有机物，在空气中不燃烧，其极限氧指数高达95%，具有优异的电性能，是理想的C级绝缘材料。
　　2.化学性质
　　PTFE具有耐化学俯视、耐候性。PTFE除熔融的碱金属外，几乎不受任何化学试剂腐蚀。经试验PTFE在浓硫酸、硝酸、盐酸、王水中，其重量、性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃。PTFE不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，所以具有优异的耐候性[2]。
　　二、聚四氟乙烯在采油工程上的应用
　　随着油田逐渐进入了高含水期，采油工程技术逐渐步入三次采油阶段，聚合物，三原溶液等高粘附性，强腐蚀性溶液在采油工程中应用后，对井下工具的要求有了进一步的提高。改性聚四氟乙烯对酸碱腐蚀介质具有良好的化学稳定性，可取代金属、陶瓷用于防腐工程，特别适合用于高温、强烈腐蚀的场合，在井下工具的关键防腐部位起着至关重要的作用。此外，聚四氟乙烯是目前表面能最小的一种固体材料，表面张力仅0.019N/m，几乎所有的固体材料都不能粘附在其表面，只有表面张力在0.02N/m以下的液体才能完全浸润其表面。可以有效缓解井下工具在注入聚合物、三元溶液等高粘附性的液体后，工具管壁结垢，易堵塞的问题。
　　下图为对井下工具进行解剖(井下工作时间8个月)，涂层表面无腐蚀、结垢现象发生。
　　“聚合物驱全过程一体化分注工艺”技术为了满足在聚合物、三元溶液中长期工作的要求，在井下工具的关键易结垢部位喷涂了PTFE防腐蚀涂层，可延长工具使用寿命3倍以上，解决了由于井下工具腐蚀严重而不得不进行重新作业的问题。使井下工具在聚合物、三元溶液中长期工作成为可能，从而促进了三次采油技术的大规模推广。
　　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。聚四氟乙烯防腐蚀产品在采用新技术、新材料开发防腐蚀新产品的浪潮中一枝独秀迅速发展。聚四氟乙烯所具有的高度化学稳定性，使其能耐几乎所有的常用强腐蚀、强氧化性化学物质，同时还具有耐高温的特点，所以他是一种理想的防腐蚀材料，通过加工成型工艺的研究，聚四氟乙烯产品在采油工程中的应用越来越广泛了[3]。
　　三、聚四氟乙烯在采油工程其他方面的应用
　　1.密封件
　　由于聚四氟乙烯良好的耐热性和耐化学品性,它可以作为优异的密封材料使用。但考虑到PTFE的冷流性在密封件上的缺点，需提高其耐压能力只有从密封件结构的设计来考虑弥补。
　　PTFE生料带具备强度高、纤维长的特点,又由于其塑性较大、压延性较好,经试验用在凹凸不平或结构精密的表面更显其高效,试验中只需要施加较小的压紧力就可完全密封,具有很好的密封性能并且可提高抗腐蚀能力。滑动部件的密封使用PTFE填料, 具有一定压缩性回弹性、滑动时阻力小,而且它可以获得良好的耐腐蚀稳定性。填充PTFE密封材料使用温度范围广泛,是目前传统石棉垫片材料的主要替代物,更兼有高模量、高强度、抗蠕变、耐疲劳、以及导热率高、热膨胀系数和摩擦系数小等性能,加入不同的填充料更可扩大应用范围。
　　2.摩擦零件
　　PTFE下摩擦件多常用于机械工程上,包括活塞环、轴承(包括多孔铜浸渍塑料金属轴承)及齿轮等。以活塞环为例,它是动力机械中一个重要零件,关系到动力机械的性能,其工作环境十分苛刻。为此,一般采用填充PTFE制作，不但不需要润滑油,还具有较强的密封作用。与此同时,PTFE可用于环境十分苛刻的印染、造纸、轻纺和食品等工业的运动传递和动力传递元件使用的齿轮与轴承。因它具有耐腐蚀、振动小、噪声低、不污染、质量轻、自润滑性好等多项优点,因此受到广泛应用[4]。
　　四、结语
　　近几年国外对聚四氟乙烯的应用研究，已使其成为一种十分成熟的材料，我国虽已有一定发展，但在其加工成型工艺和改性研究反面与国外还有较大差距。聚四氟乙烯在多方面具有优异的性能，是其它材料不可比拟的，应用领域十分广阔。
　　随着聚四氟乙烯应用技术的不断发展，已将其性能提高到一个新的层次，使采油工程领域内曾经许多无法实现的设想成为可能。聚四氟乙烯经过填充改良后，不但可保持其原有的特性外，还可以降低冷流性及线胀系数，改善尺寸稳定性，提高耐磨性和导热性，且综合力学性能得到改善，因而可广泛应用于采油工程的各个领域，用来制备密封件、摩擦零件、防腐部件以及电绝缘件等等，具有广阔的应用前景。
　　参考文献
　　[1]钱知勉.塑料性能应用手册.修订版.上海:科学技术文献出版社,1988,285.
　　[2]刘荣清 聚四氟乙烯在纺织器材上的应用 棉纺手册
　　[3]马双林, 马文峥. 聚四氟乙烯防腐蚀产品简述[J].化工装备技术,1997,18(4):52.
　　[4]邹济林.聚四氟乙烯在机械工程上的应用[J].工程塑料应用,1999,27(1):21.