Polytetrafluoroethylene (PTFE), nổi tiếng với độ ổn định hóa học vượt trội, khả năng chịu nhiệt độ cao/thấp và hệ số ma sát thấp, được mệnh danh là “Vua nhựa” và được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, cơ khí và điện tử. Tuy nhiên, PTFE nguyên chất có những nhược điểm cố hữu như độ bền cơ học thấp, dễ bị biến dạng do chảy nguội và khả năng dẫn nhiệt kém. Để khắc phục những hạn chế này, vật liệu composite PTFE gia cường bằng sợi thủy tinh đã được phát triển. Vật liệu này cải thiện đáng kể nhiều chỉ số hiệu suất trong khi vẫn giữ được các đặc tính vượt trội của PTFE, nhờ vào hiệu ứng gia cường của sợi thủy tinh.
1. Cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học
Cấu trúc chuỗi phân tử đối xứng cao và độ kết tinh cao của PTFE nguyên chất dẫn đến lực liên phân tử yếu, làm giảm độ bền và độ cứng cơ học. Điều này khiến nó dễ bị biến dạng dưới tác động của lực bên ngoài đáng kể, hạn chế ứng dụng của nó trong các lĩnh vực đòi hỏi độ bền cao. Việc kết hợp sợi thủy tinh mang lại sự cải thiện đáng kể về tính chất cơ học của PTFE. Sợi thủy tinh có đặc điểm là độ bền và mô đun đàn hồi cao. Khi được phân tán đồng đều trong ma trận PTFE, chúng chịu được tải trọng bên ngoài một cách hiệu quả, tăng cường hiệu suất cơ học tổng thể của vật liệu composite. Nghiên cứu cho thấy rằng với việc bổ sung một lượng sợi thủy tinh thích hợp, độ bền kéo của PTFE có thể tăng lên từ 1 đến 2 lần, và độ bền uốn thậm chí còn đáng kể hơn, tăng khoảng 2 đến 3 lần so với vật liệu ban đầu. Độ cứng cũng tăng lên đáng kể. Điều này cho phép PTFE gia cường bằng sợi thủy tinh hoạt động đáng tin cậy trong môi trường làm việc phức tạp hơn trong sản xuất cơ khí và hàng không vũ trụ, chẳng hạn như trong các vòng đệm cơ khí và các bộ phận ổ trục, giúp giảm thiểu hiệu quả các hỏng hóc do độ bền vật liệu không đủ.
2. Hiệu suất tản nhiệt tối ưu
Mặc dù PTFE nguyên chất có khả năng chịu nhiệt tốt ở cả nhiệt độ cao và thấp, có thể sử dụng lâu dài trong khoảng nhiệt độ từ -196°C đến 260°C, nhưng độ ổn định kích thước của nó lại kém ở nhiệt độ cao, nơi nó dễ bị biến dạng do nhiệt. Việc bổ sung sợi thủy tinh giải quyết hiệu quả vấn đề này bằng cách tăng nhiệt độ biến dạng nhiệt (HDT) và độ ổn định kích thước của vật liệu. Bản thân sợi thủy tinh có khả năng chịu nhiệt và độ cứng cao. Trong môi trường nhiệt độ cao, chúng hạn chế sự chuyển động của các chuỗi phân tử PTFE, do đó hạn chế sự giãn nở nhiệt và biến dạng của vật liệu. Với hàm lượng sợi thủy tinh tối ưu, nhiệt độ biến dạng nhiệt của PTFE gia cường sợi thủy tinh có thể tăng hơn 50°C. Nó duy trì hình dạng ổn định và độ chính xác kích thước trong điều kiện hoạt động ở nhiệt độ cao, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng có yêu cầu ổn định nhiệt cao, chẳng hạn như đường ống chịu nhiệt độ cao và gioăng làm kín chịu nhiệt độ cao.
3. Giảm xu hướng chảy nguội
Hiện tượng biến dạng dẻo nguội (hay biến dạng từ từ) là một vấn đề đáng chú ý đối với PTFE nguyên chất. Nó đề cập đến sự biến dạng dẻo chậm xảy ra dưới tải trọng không đổi theo thời gian, ngay cả ở nhiệt độ tương đối thấp. Đặc tính này hạn chế việc sử dụng PTFE nguyên chất trong các ứng dụng yêu cầu độ ổn định hình dạng và kích thước lâu dài. Việc kết hợp sợi thủy tinh giúp ức chế hiệu quả hiện tượng biến dạng dẻo nguội của PTFE. Các sợi hoạt động như một khung đỡ bên trong ma trận PTFE, cản trở sự trượt và sắp xếp lại của các chuỗi phân tử PTFE. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy tốc độ biến dạng dẻo nguội của PTFE gia cường sợi thủy tinh giảm từ 70% đến 80% so với PTFE nguyên chất, giúp tăng cường đáng kể độ ổn định kích thước của vật liệu dưới tải trọng lâu dài. Điều này làm cho nó phù hợp để sản xuất các bộ phận cơ khí và cấu kiện kết cấu có độ chính xác cao.
4. Khả năng chống mài mòn được cải thiện
Hệ số ma sát thấp của PTFE nguyên chất là một trong những ưu điểm của nó, nhưng điều này cũng góp phần làm giảm khả năng chống mài mòn, khiến nó dễ bị mài mòn và truyền tải trong quá trình ma sát. PTFE gia cường bằng sợi thủy tinh cải thiện độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn của vật liệu thông qua hiệu ứng gia cường của sợi. Độ cứng của sợi thủy tinh cao hơn nhiều so với PTFE, cho phép nó chống mài mòn hiệu quả trong quá trình ma sát. Nó cũng làm thay đổi cơ chế ma sát và mài mòn của vật liệu, giảm mài mòn dính và mài mòn mài mòn của PTFE. Hơn nữa, sợi thủy tinh có thể tạo thành các phần nhô nhỏ trên bề mặt ma sát, tạo ra hiệu ứng chống ma sát nhất định và giảm sự dao động của hệ số ma sát. Trong các ứng dụng thực tế, khi được sử dụng làm vật liệu cho các bộ phận ma sát như ổ trượt và vòng piston, tuổi thọ của PTFE gia cường bằng sợi thủy tinh được kéo dài đáng kể, có thể gấp nhiều lần hoặc thậm chí hàng chục lần so với PTFE nguyên chất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khả năng chống mài mòn của vật liệu composite PTFE có chứa sợi thủy tinh có thể được cải thiện gần 500 lần so với vật liệu PTFE không chứa sợi, và giá trị PV giới hạn tăng khoảng 10 lần.
5. Tăng cường khả năng dẫn nhiệt
PTFE nguyên chất có độ dẫn nhiệt thấp, không thuận lợi cho việc truyền nhiệt và gây ra những hạn chế trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng tản nhiệt cao. Sợi thủy tinh có độ dẫn nhiệt tương đối cao, và việc bổ sung nó vào PTFE có thể, ở một mức độ nào đó, cải thiện độ dẫn nhiệt của vật liệu. Mặc dù việc bổ sung sợi thủy tinh không làm tăng đáng kể hệ số dẫn nhiệt của PTFE, nhưng nó có thể tạo ra các đường dẫn nhiệt bên trong vật liệu, đẩy nhanh tốc độ truyền nhiệt. Điều này mang lại cho PTFE gia cường sợi thủy tinh tiềm năng ứng dụng tốt hơn trong lĩnh vực điện tử và điện, chẳng hạn như trong các tấm tản nhiệt và chất nền bảng mạch, giúp giải quyết các vấn đề tích tụ nhiệt liên quan đến độ dẫn nhiệt kém của PTFE nguyên chất. Độ dẫn nhiệt được cải thiện cũng hỗ trợ tản nhiệt ma sát trong các ứng dụng như ổ bi, góp phần vào hiệu suất tốt hơn.
Phạm vi ứng dụng: Vật liệu composite này được sử dụng rộng rãi trong các loại gioăng công nghiệp, ổ trục/bạc lót chịu tải trọng cao, thiết bị bán dẫn và các bộ phận kết cấu chịu mài mòn khác nhau trong ngành công nghiệp hóa chất. Trong lĩnh vực điện tử, nó được sử dụng để sản xuất gioăng cách điện cho các linh kiện điện tử, vật liệu cách điện cho bảng mạch và các loại gioăng bảo vệ khác nhau. Chức năng của nó còn được mở rộng sang lĩnh vực hàng không vũ trụ để làm lớp cách nhiệt linh hoạt.
Lưu ý về những hạn chế: Mặc dù sợi thủy tinh giúp cải thiện đáng kể nhiều đặc tính, nhưng điều quan trọng cần lưu ý là khi hàm lượng sợi thủy tinh tăng lên, độ bền kéo, độ giãn dài và độ dẻo dai của vật liệu composite có thể giảm, và hệ số ma sát có thể tăng dần. Hơn nữa, vật liệu composite sợi thủy tinh và PTFE không thích hợp để sử dụng trong môi trường kiềm. Do đó, công thức, bao gồm tỷ lệ phần trăm sợi thủy tinh (thường là 15-25%) và khả năng kết hợp với các chất độn khác như than chì hoặc MoS2, được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể.
Thời gian đăng bài: 05/12/2025