探索膨体聚四氟乙烯（e-PTFE）“原宇宙”的奥秘
1911年，英国科学家卢瑟福就提出了：元素的原子结构、相互作用及其空间排列规律决定了材料性质。那么，膨体聚四氟乙烯“原宇宙”的奥秘又是什么呢?
膨体聚四氟乙烯是以聚四氟乙烯（PTFE）双向拉伸膜复合而成的一种改性PTFE材料，由微细的纤维和节点构成，而聚四氟乙烯是一种以四氟乙烯为单体聚合制得的高分子聚合物，其聚合物分子链见下图2。聚四氟乙烯链上有一列碳原子，它们每个都连接到两个氟原子上，氟原子包围着碳原子，组成了一根聚合物长链。其分子量高达50~100万。
聚四氟乙烯的分子结构与聚乙烯（Medpor的材料，一种C- H结构的聚合物）类似，由于氟原子半径（0.064nm）远大于氢原子半径（0.028nm），且 氟原子核对核外电子及成键电子云的束缚强，氟原子取代了聚乙烯中的氢原子，使得碳-碳链由聚乙烯（见图3）的平面的、充分伸展的曲折构象渐渐扭转到螺旋构象（见图4）。
图3 聚乙烯的平面的、充分伸展的曲折构象
该 螺 旋 构 象 正 好 包围在 聚 四 氟乙 烯 易受化学侵袭的碳链骨架外，形成了一个紧密的完全“氟代”的保护层，使得聚四氟乙烯主链比起聚乙烯来说，不易受外界任何试剂的侵袭，并具有独特的螺旋构象。
从上述聚四氟乙烯的分子结构可以知道，它是由四氟乙烯单体聚合而成。而四氟乙烯单体是由四个氟原子对称地排列在两个碳原子上构成，每个与碳原子连接的两个氟原子则完全对称。
根据卢瑟福的原子行星结构模型，原子轨道等同于经典力学中的确定轨道，就像地球绕太阳公转一样，电子围绕原子核做匀速圆周运动。氟原子是除了氢原子以外，原子半径最小的原子。氟原子核外第一轨道有2个电子，最外层第二轨道有7个电子，在化学反应中这种原子容易得到1个电子，从而达到稳定结构。因此氟原子具有极强的电负性，能从别的元素那里得到电子。而碳原子核第二轨道有四个自由电子，其电子失去的能力（还原性）和得到电子的能力（氧化性）相当。又由于氟、碳原子均只有两个电子层，所以活泼性又比同族的硅、锗、锡、铅要强。氟原子与碳原子的示意图见下图5。
碳原子是如何与氟原子形成共价键的呢？以最简单的结构甲烷（CH4）为例，当甲烷中的氢原子全部被氟原子取代后，四个氟原子分别与碳原子最外层的四个电子形成共价电子对（见下图6），从而达到稳定结构。
氟原子在与碳原子组成共价键时，碳原子最外层s轨道的电子跃迁到p轨道，一个s轨道三个p轨道的电子云“混一混”，变成了四个S P3杂化轨道，键角为109.5°，位于四面体的四个顶点，形成四面体的结构（见下图7）。由碳原子提供的共用电子进入到氟原子的第二轨道上，形成键能极强的C-Fσ 键（见下图8）。所以C-F键的键长（139pm）短，键能大（389.303KJ/mo），电负性大（相对电负性为4.0）。
这样的量子力学表征C-F键非常牢固，不易断裂，并使得聚四氟乙烯在化学特征上具有突出的表现：很好的稳定性、耐热性、耐腐蚀性、耐酸碱性、生物惰性以及防粘性都更优异。
了解完聚四氟乙烯的奥秘后，我们来探寻一下膨体聚四氟乙烯的各种特殊性能，如表面不粘性、优良的化学性能、力学性能、热学性能等,并例举了膨体聚四氟乙烯在诸多领域上的实际应用。
表面不粘性
膨体聚四氟乙烯具有突出的不粘性，是一种极佳的防粘材料。膨体的水接触角约为 132°，是各种材料中最大的。根据 Young’S方程，可根据水接触角判定材料界面的润湿性。当水接触角为 0°时，水完全润湿固体表面；当水接触角>90°时，水由部分润湿到不润湿固体表面；当水接触角为180°时，水与固体表面只有点接触，处于完全不润湿状态。对于同种液体来说，接触角越大，则材料越不润湿。
化学性能
膨体聚四氟乙烯中与每个碳原子连接的两个氟原子完全对称，碳氟两种原子又以共价键相结合，所以在分子中没有游离的电子，整个分子呈电中性，是一种完全无极性的高分子聚合物。因而膨体不会导电，具有良好的电绝缘性。在其大分子中也没有亲水性基团和光敏基团，所以防潮、耐候性好。聚四氟乙烯分子中 C-F 键的键能高且稳定，氟原子比氢原子的范德华半径大，氟原子的取代使聚四氟乙烯形成螺旋结构，氟原子构成圆柱形外壳。正是因为这层惰性的螺旋形全氟“外壳”加之聚合物的本身的非极性和结晶结构，使膨体具有极优异的耐化学腐蚀性，所有强酸、强碱、强氧化剂及盐类对膨体皆无影响，即使在升温条件下也是如此，在沸腾的王水中也很稳定。
力学性能
膨体聚四氟乙烯的拉伸强度一般在10-30MPa一，膨体耐疲劳性优异，与其他塑料不同，膨体不会出现永久疲劳破坏，即使因疲劳而破坏，也仍能保持其物理的完整性，维持着一个“剩余的”疲劳强度。因此膨体的力学性能也具有一定的稳定性。
热学性能
由于氟原子对骨架碳原子有屏蔽作用，加之F-C 键具有较高键能，膨体聚四氟乙烯具有极优异的耐高、低温性,长时间工作温度范围很宽约在 -200°C~260°C之间。
正是由于 PTFE所具有的不粘性、耐化学性耐老化性、耐高温、耐低温性能等，被誉为'塑料之王”，被广泛应用于化工、纺织、医学、机械、建筑和航空航天等领域。
膨体聚四氟乙烯作为近些年蓬勃发展的氟材料，在密封行业有了很大的用途，传统的密封材料主要为橡胶，虽然橡胶的压缩性良好，但其耐温性和耐老化性较差，旦老化就会失去弹性并出现龟裂现象，失去密封作用。与传统的密封材料相比，e-PTFE材料的密度小，重量轻，同时因为其使用的温度范围宽，具有良好的耐老化性、蠕变性、耐腐蚀性，使得施工维护变得容易简便。
化工行业：膨体聚四氟乙烯用作管道、阀门、储罐等设备的密封材料，可防止液体和气体泄漏；在半导体生产领域中的排放管道目前应用已成规模化；
交通行业：膨体聚四氟乙烯用于汽车制动系统中的密封环和垫片，能有效减少摩擦和噪音，并提高制动性能；也应用于高铁、飞机上关键设备的密封，应用十分广泛。
电子行业：膨体聚四氟乙烯作为电线电缆绝缘材料，具有良好的耐高温和电绝缘性能，可提供安全可靠的电力传输。
膨体聚四氟乙烯具有很好的生物相容性与化学惰性。人体组织细胞可以长入其微孔，形成组织连接，就像自体组织一样，同时，由于膨体材料本身具有的不粘性，很难与人体的血液组织细胞发生粘连，现已被成功应用于人造血管、医用缝合线、支架、面部植入体等多种医用产品。
膨体聚四氟乙烯表现出极强的疏水性，不易被水润湿；另一方面，膨体薄膜的微孔直径极小(约 2um)约是水蒸汽分子直径的 5000 倍，小水滴分子直径的 1/200，水滴无法透过薄膜但水蒸汽可以通过，所以膨体织物防水又透气，是户外运动服装的首选面料，既可以防水抗风，又可以及时排出人体皮肤分泌的汗液，具有很优异的舒适度与实用性。
膨体聚四氟乙烯作为一种新材料，其综合性能被不断提升，应用范围也在不断被扩展。相信随着对膨体聚四氟乙烯不断的深入研究，其应用前景会越来越广阔。
