聚四氟乙烯的表面腐蝕改性研究

西安工程大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院 張志華

怕卡薩卡福折疊房屋制造（重慶）有限公司 胡金龍

聚四氟乙烯的表面腐蝕改性研究

西安工程大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院 張志華

怕卡薩卡福折疊房屋制造（重慶）有限公司 胡金龍

聚四氟乙烯（簡稱PTFE），俗稱“塑料王”，為全氟化直鏈高聚物，具有其他材料無法比擬的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、耐溶劑性以及較好的化學(xué)惰性、極低的表面摩擦因數(shù)和低溫時(shí)較好的延展性。但是PTFE結(jié)晶度高，表面能低，表面不易潤濕，同時(shí)溶解度參數(shù)與一般膠粘劑的溶解度參數(shù)差值大, 界面間難以任意相互擴(kuò)散等原因很難產(chǎn)生緊密的黏附, 被認(rèn)為是一種難粘材料，限制了它的應(yīng)用范圍。可以通過化學(xué)處理法、高溫熔融法、力化學(xué)處理法、輻射接枝法等方法對PTFE的表面進(jìn)行改性。通過腐蝕液與PTFE發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，扯掉材料表面上的部分氟原子，在PTFE表面引入羥基、羰基和不飽和鍵等極性基團(tuán)，能使表面能增大，接觸角變小，潤濕性提高，由難粘變?yōu)榭烧场＿@是目前研究的所有表面處理方法中效果較好也較常用的方法。本文，筆者通過配置不同濃度的鈉—萘腐蝕溶液對PTFE進(jìn)行表面處理，可以明顯改善其黏結(jié)性能；然后測其拉伸剪切強(qiáng)度和表面接觸角，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析找出鈉—萘腐蝕溶液的最佳配比濃度。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1. 原料。聚四氟乙烯（PTFE）；金屬鈉（Na），分析純；萘(C10H8)，分析純；四氫呋喃(C4H8O)，分析純；鄰苯二甲酸二丁酯(C16H22O4)，分析純；乙二胺(C2H8N2)，分析純；丙酮(C3H6O)，分析純。

2. 測試儀器及實(shí)驗(yàn)工藝。采用中國科學(xué)院長春科新公司試驗(yàn)儀器研究所生產(chǎn)的WDW3050微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，參照GB/ T7124-1986“膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測定方法”進(jìn)行測試，夾持長度為100mm，拉伸速度為5mm/min，測試溫度為24℃，測試液體為蒸餾水。工藝流程如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程

3. 鈉—萘腐蝕溶液的配制。在四口燒瓶中加入一定量的精萘，放在干燥的鋁鍋內(nèi)，裝上回流冷凝器、溫度計(jì)和攪拌器，再加入一定量的四氫呋喃溶液，開動(dòng)攪拌器。取一定量的金屬鈉，逐步加入四口燒瓶中，鈉加完后通入干燥的氮?dú)猓阡X鍋中注入水，溫度控制在15～20℃，反應(yīng)時(shí)間為1.5～2h。

4. PTFE的表面活化。將100mm×25mm×2mm的聚四氟乙烯板表面用細(xì)砂紙打磨，丙酮洗滌，晾干。將晾干的PTFE板在氮?dú)獗Ｗo(hù)下放在鈉—萘處理液中浸泡8～10min。取出在丙酮中洗滌，再用蒸餾水洗凈，晾干后用膠粘劑黏結(jié)或者放在干燥、避光的地方存放備用。

5. 聚四氟乙烯的黏結(jié)。用玻璃棒蘸取環(huán)氧樹脂膠粘劑在聚四氟乙烯試樣的黏結(jié)面上涂膠，膠層厚度控制在0.07～0.15mm，放置在固化夾具內(nèi)加壓固化，壓力約為0.5～1.0MPa，固化24h后進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度的測試。

二、結(jié)果與討論

1. 聚四氟乙烯試樣拉伸剪切強(qiáng)度的變化。應(yīng)用WDW3050微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)參照GB/T7124-1986“膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測定方法”對PTFE試樣的拉伸剪切強(qiáng)度的測試，對鈉—萘溶液每一濃度表面改性后的PTFE，進(jìn)行了5組試樣的測試，根據(jù)公式τ=P/ (B×L)，求出算術(shù)平均值，即為鈉—萘溶液該濃度表面改性后試樣的拉伸剪切強(qiáng)度，測試結(jié)果見圖2。

圖2 PTFE試樣拉伸剪切強(qiáng)度的變化

由圖2可知,當(dāng)處理液濃度較小時(shí)，試樣的拉伸剪切強(qiáng)度隨濃度的增大而增大，在處理液濃度為1.0mol/L時(shí)，拉伸剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)處理液濃度繼續(xù)增大時(shí)，其拉伸剪切強(qiáng)度反而明顯下降。究其原因是PTFE經(jīng)鈉—萘處理液表面改性后，PTFE表面形成了一層粗糙疏松的黑褐色處理層，表面含有CH，CO，C=C，COOH等極性基團(tuán)，提高了與環(huán)氧樹脂等膠粘劑的反應(yīng)能力，使界面上形成化學(xué)鍵，大大提高了其黏結(jié)強(qiáng)度；又由于鈉—萘絡(luò)合物具有腐蝕性，PTFE改性后，其表面將粗糙不平，遍布溝壑，當(dāng)膠粘劑滲入到坑凹中去固化之后，就像一個(gè)錨一樣拋定在那里，增加其黏結(jié)性能。但是當(dāng)處理液濃度較高時(shí)，其反應(yīng)活性較大，PTFE表面會(huì)受到過強(qiáng)的氧化腐蝕，反而會(huì)引起表面產(chǎn)生與底層結(jié)合不良的焦化層，從而降低了PTFE表面的內(nèi)聚能密度，因此導(dǎo)致拉伸剪切強(qiáng)度的下降。

2. 聚四氟乙烯試樣表面接觸角的變化。應(yīng)用JC2000A靜滴接觸角/界面張力測量儀對PTFE試樣的表面接觸角的測試，對不同濃度鈉—萘溶液改性后的PTFE進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖3。

圖3 PTFE試樣接觸角的變化

由圖3可知，經(jīng)過表面改性處理后，PTFE試樣的接觸角明顯變小，在處理液濃度為1.0mol/ L時(shí)達(dá)到最小值。處理液的反應(yīng)活性隨著鈉—萘處理液濃度的升高而提高，改性后的PTFE分子中萘環(huán)等基團(tuán)的含量提高,增加其表面能，使PTFE的浸潤性增大，表面接觸角逐漸減小。然而萘環(huán)是疏水性的，故當(dāng)鈉—萘溶液達(dá)到一定濃度時(shí)，萘環(huán)繼續(xù)增加，反而會(huì)使表面接觸角增大。綜合上述原因，當(dāng)處理液濃度為1.0mol/L時(shí)表面接觸角最小。這里可以看出表面接觸角測試數(shù)據(jù)與剪切強(qiáng)度測試結(jié)果是相互印證的。

圖4是未處理的PTFE試樣的表面接觸角測試圖，圖5是經(jīng)濃度為1mol/L的處理液改性后的PTFE試樣的表面接觸角測試圖。

圖4 未改性的PTFE試樣表面接觸角

圖5 改性后的PTFE試樣表面接觸角

三、結(jié)論

本文，筆者采用不同濃度的鈉—萘絡(luò)合物腐蝕溶液對聚四氟乙烯板進(jìn)行表面處理，通過對PTFE試樣的拉伸剪切強(qiáng)度和表面接觸角的測試，表明經(jīng)過鈉—萘處理液表面改性處理后，PTFE試樣的表面形成了一層粗糙疏松的黑褐色的處理層，其黏結(jié)性和親水性能都得到了明顯的改善。