1、分子結構特點

     聚四氟乙烯的優異性能是由其分子結構所決定的。聚四氟乙烯的分子由C、F兩種元素以共價鍵相結合，C-F鍵鍵能較高，因此聚四氟乙烯具有高度的穩定性，不易發生化學反應。

     雖然聚四氟乙烯和聚乙烯都是直鏈型高分子，且鏈骨架都由碳原子組成，但氟原子和氧原子在碳原子周圍所起的作用是不同的。氟原子的范德華半徑為0.136nm，明顯大于氫原子范德華半徑0.11～0.12nm，與聚乙烯相比聚四氟乙烯中未成鏈原子間有較強的排斥力，這就使得聚四氟乙烯的大分子采用螺旋構型，而不是聚乙烯的平面全反式構型。由于氟原子的范德華半徑較大引起氟原子之間的排斥力較大，這使得聚四氟乙烯大分子鏈的轉動勢壘要比聚乙烯大得多，所以可以預料聚四氟乙烯鏈的柔曲性要比聚乙烯鏈小。這使聚四氟乙烯具有很高的熔點和很高的熔融粘度。

2、化學穩定性

     聚四氟乙烯每個碳原子連接的兩個氟原子空間結構上對稱，整個分子無極性C-F鍵的鍵能高且穩定，分子為螺旋形構型，C-C主分子鏈完全被F原子所遮蔽，所以聚四氟乙烯具有極其優異的化學穩定性，被稱為“塑料之王”，水及各種有機溶劑都不能使其產生溶解或溶漲。強酸、強堿、強氧化劑即使在高溫時也不能對聚四氟乙烯起作用，其耐化學腐蝕性甚至超過一些貴金屬，只有F元素本身和熔融的堿金屬或堿金屬的絡合物才能對它有侵蝕作用。

3、熱性能
     聚四氟乙烯具有優良的耐高溫、耐低溫性能，熔點為327℃，分解溫度為415℃可在200～260℃范圍內長期使用。但聚四氟乙烯的一大缺點是：它在熔點以上時不會從高彈態轉變到粘流態，即使升溫到分解溫度也不流動，這就使它不能采用一般熱塑性材料的成型方法。

4、力學性能
     由于聚四氟乙烯的分子鏈是非極性的，大分子之間的相互吸引力小；大分子鏈無支鏈且剛性較大，纏結很少，所以聚四氟乙烯宏觀上力學性能表現不佳。但聚四氟乙烯具有較好的延展性，結晶度較低時，其延展性較好。此外，聚四氟乙烯的耐疲勞性非常優異，即使材料遭到破壞后，材料仍然能保持物理的完整性，不會發生斷裂。

5、電學性能
     在聚四氟乙烯大分子鏈中，氟原子對稱均勻分布，因而分子不帶極性，使其具有優良的介電性能。該介電性能基本不受電場頻率的影響，并且可以在較寬的溫度范圍內保持不變。此外，聚四氟乙烯中空隙的存在也會使材料的耐電暈性降低。

6、表面性能
     聚四氟乙烯很難被普通液體所潤濕，其臨界表面張力為0.0185N/m，與水的接觸角為108度。因此聚四氟乙烯具有突出的不粘性，是一秘極佳的防粘材料。但另一方面這種性能又使它極難與其它物質粘合，限制了其應用。

     人們很早就注意到高分子材料中聚四氟乙烯的突出性能，但是聚四氟乙烯不熔、不溶的特性，使制造其微孔濾膜的技術長期難以解決。

     20世紀60年代，美國DuPont公司首先采用單向拉伸的方法制得聚四氟乙烯微孔薄膜，但微孔的大小、空隙率和膜的強度都不理想。1973年美國Gore公司利用雙向拉伸技術成功地開發了聚四氟乙烯微孔薄膜，標志著聚四氟乙烯微孔薄膜的產業化應用在技術上已經成熟。經過30多年的發展，聚四氟乙烯微孔薄膜作為一種新型的膜材料，在服用、產業用領域得到廣泛的應用。聚四氟乙烯薄膜的雙向拉伸工藝，使薄膜具有了良好的空隙特性，但同時使膜的機械性能具有了各向異性的特性。這種各向異性特性將直接影響薄膜的復合以及復合材料的使用性能。

     我國聚四氟乙烯微孔薄膜的研究開展較晚，落后于歐美及日本等發達國家。

     目前聚四氟乙烯微孔薄膜的生產工藝有壓延膜法、車削膜法和拉伸膜法。拉伸膜法可以分為單向拉伸和雙向拉伸，通過結構分析及實際測定，只有雙向拉伸膜才具有良好的微孔結構。雙向拉伸聚四氟乙烯微孔薄膜的生產工藝流程如圖所示。

1、在過濾材料中的應用

      覆膜濾料常使用一層聚四氟乙烯微孔薄膜復合在一般傳統的濾料介質表面，與普通濾料相比，其空隙直徑降低了幾十倍。薄膜最小孔徑能達到0.3μm，可以捕獲大多數固體顆粒和液滴。

     由于覆膜濾料的薄膜表面材質是聚四氟乙烯，因此極其光滑，摩擦系數小，且薄膜具有疏水性，粉塵層與濾料的粘結力小，易于裂離。在沒有外力的作用下，靠自重就可脫落，這保證了濾料表面的潔凈，透氣性能好。這一特征也使得設備的清灰周期更長，設備磨損減少。

     由于聚四氟乙烯薄膜有穩定的化學性能，耐高溫、拒水性、疏油性等，因此對高溫、高濕、高腐蝕和含有有機物質的特殊氣體也有良好的過濾性，因此該濾料廣泛適用于冶金、化工、煤炭和水泥等行業。

2、在醫學材料中的應用

     聚四氟乙烯微孔薄膜在醫用材料上也獲得廣泛應用，如手術服、手術巾、傷口敷料、消毒器械包裹材料等。

     手術服應具備防護性和透氣性，以保證手術過程中醫護人員不受傳染病人血液感染及穿著舒適，特別是要防止某些高滲透區如腹部到胸部和從胳膊肘到手腕衣袖處受到感染。目前已有不同程度的防護性和透氣性的手術服，如：單層手術服、身體主要部位(腹到胸、碗到肘)雙層織物層疊的手術服、身體主要部位用聚四氟乙烯微孔薄膜復合的手術服及全薄膜層疊手術服。

     資料顯示，在對500件手術服進行試驗后發現，在抗血液滲透性方面，單層水刺非織造布手術服血液滲透感染率為9％，增強型非織造布手術服為5％，而采用聚四氟乙烯微孔薄膜復合的手術服則為2％。在舒適性方面，用聚四氟乙烯微孔薄膜復合的手術服穿著時和普通服裝一樣舒適。

1、PTFE微孔薄膜的前道工藝

     PTFE膜的原料是顆粒狀PTFE樹脂是四氟乙烯的均聚物，其不能采用普通熱塑料成型方法加工。而采用類似粉末冶金的原理加工，例如懸浮法、分散法即乳液法等聚合方法加工得到。PTFE 樹脂粉料國外有多家產品，國內也有少量造廠家制造。國外生產廠商以美國杜邦公司（現在叫科慕）、日本大金公司等為代表。

2、制備過程
     常規制作過程是將聚四氟乙烯分散樹脂與液體助劑混合，通過壓延法將混合物制成薄片，再用機器雙向拉伸薄片，制得PTFE微孔膜。其工藝流程為：PTFE樹脂、助擠劑(選料)一混合一壓延一雙向拉伸一卷取。

3、制作工藝

     基膜的制備：好的基膜必須厚薄均勻，結晶度和密度合理。基膜的質量直接影響成品的性能指標。制備基膜時，應注意以下幾個因素：

原料的選擇：PTFE樹脂宜選用分子量較適宜的牌號，其性能可承受拉伸時高溫條件下的高速應變而不斷裂；助擠劑選用宜使樹脂濕潤、無毒、沸點高、易除去而無殘留的物質。

配比：根據所用樹脂及助擠劑牌號，按適當比例進行配制，助擠劑一般范圍在12％～28％之間。

壓縮比：壓縮比也是影響產品性能指標的重要參數。壓縮比大，縱向纖維化強度高，拉伸時不易斷裂，易于連續生產，其產品強度也較大。壓縮比過大，使擠出物太硬，不利于后續工序的正常生產。因此應根據樹脂牌號、設備、生產工藝，合理選用壓縮比。

拉伸溫度和拉伸率：PTFE 微孔膜成型過程，在國外以雙向拉伸即延伸的加工方法用得較多。PTFE在常溫到327℃之間均可被拉伸，即低于熔點階段的拉伸在高彈狀態下進行。低溫下拉伸會使薄膜破裂，導致拉伸無法進行，而高于327℃時，PTFE分子間的結晶狀態變化成無定形，不能很好得到網狀結構，故一般拉伸溫度在40℃～327℃之間。

     為了獲得穩定而廉價的燃料電池，質子交換膜是最大的瓶頸和未來必須突破的領域。

     現有的質子交換膜包括全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、非氟聚合物膜和復合 膜。目前，全氟磺酸膜已經實現了商業化，是最常見的質子交換膜。

     最早用于燃料電池的質子交換膜是美國杜邦公司于60年代末開發的全氟磺酸質子交換膜（Nafion膜）。當時杜邦公司的PTFE已經是非常穩定的材料，難能可貴的是杜邦的科學家把磺酸根引入了PTFE煉廠，形成聚合物，這也是質子交換膜的發展緣由。現在的質子交換膜都是在這個基礎上發展成為各種結構，但末端都是磺酸根結構。

     由于全氟磺酸樹脂(PFSA) 分子的主鏈具有聚四氟乙烯結構，分子中的氟原子可以將碳-碳鏈緊密覆蓋，而碳-氟鍵鍵長短、鍵能高、可極化度小，使分子具有優良的熱穩定性、化學穩定性和較高的力學強度，從而確保了聚合物膜的長使用壽命；分子支鏈上的親水性磺酸基團能夠吸附水分子，具有優良的離子傳導特性。

     目前普通全氟化質子交換膜的生產主要集中在美國、日本、加拿大和中國，主要品牌包括美國杜邦（Dupont,現在改稱為科慕）的Nafion系列膜、陶氏化學公司（Dow）的Dow膜 和Xus -B204膜、3M全氟碳酸膜、日本旭化成株式會社Alciplex、日本旭硝子公司Flemion、日本氯工程公司C系列、加拿大Ballard公司BAM系列膜、比利時Solvay公司 Solvay系列膜、中國山東東岳集團 DF988和DF2801質子交換膜 主要公司與產品如表2所示：

     全氟磺酸膜的優點是：機械強度高，化學穩定性好、在濕度大的條件下導電率高，低溫時電流密度大，質子傳導電阻小。但是全氟磺酸質子交換膜也存在一些缺點，如：

1、制作困難、成本高：全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，成本較高；

2、對溫度和含水量要求高：Nafion系列膜的最佳工作溫度為70～90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題。

3、某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質子交換膜。

     針對全氟磺酸型質子交換膜的缺點，研究人員除了對其進行復合改性外，還開展了大量非全氟膜的研發工作，比如部分氟化磺酸型質子交換膜。

     加拿大Ballard公司開發的BAM 系列是一種典型的部分氟化聚苯乙烯質子交換膜，其熱穩定性、化學穩定性及含水率都獲得大幅提升，綜合性能甚至超過了Nafion117和Dow膜。同時，其價格相較全氟型膜更低，在部分情況下已經能替代全氟磺酸膜。但由于聚苯乙烯類分子量較小，機械強度不足，一定程度上限制了其廣泛應用。

下圖所示為Ballard公司的BAM 膜的化學結構：

     無氟質子交換膜實質上是碳氫聚合物膜，具有加工容易、價格便宜、化學穩定性好、吸水率高等優點。目前開發的無氟質子交換膜材料主要是磺化芳香聚合物，這種磺化芳香聚合物是用功能聚合物磺化法或磺化單體直接聚合法制備而成。另一種無氟質子交換膜為磺化嵌段型離子共聚物，例如美國 DAIS 公司研制的磺化苯乙烯-丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物膜，當磺化度為超過 50% 時，電導率與Nation 膜幾乎相等；當磺化度大于60% 時，能同時獲得較高的電化學性能與機械強度，實現二者的平衡。60℃下電池壽命達到2 500h，室溫壽命 4000h，有望在低溫燃料電池中應用。

    為了解決全氟磺酸質子交換膜原材料合成難度高、制備工藝復雜、成本高的問題，研究人員將全氟的非離子化微孔介質與全氟離子交換樹脂結合，制成復合質子交換膜。復合型質子交換膜主要包括增強型質子交換膜和高溫質子交換膜 ，如下表所示：

     目前新能源已成為國家非常重視的戰略發展領域，各大企業、高校都在加足馬力進行技術攻關。隨著人力和資源的投入，可以預見燃料電池相關的產業會在不久的將來爆發。目前質子交換膜還屬于一個新興市場，國內外均未形成較大的規模。在燃料電池巨大的市場需求推動下，質子交換膜將成為下一個兵家必爭之地！