聚四氟乙烯的表面腐蚀改性研究

2011-10-26西安工程大学化学与材料学院张志华

河南科技 2011年18期

关键词：聚四氟乙烯胶粘剂剪切

西安工程大学化学与材料学院张志华

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聚四氟乙烯的表面腐蚀改性研究

西安工程大学化学与材料学院张志华

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聚四氟乙烯（简称PTFE），俗称“塑料王”，为全氟化直链高聚物，具有其他材料无法比拟的化学稳定性、热稳定性、耐溶剂性以及较好的化学惰性、极低的表面摩擦因数和低温时较好的延展性。但是PTFE结晶度高，表面能低，表面不易润湿，同时溶解度参数与一般胶粘剂的溶解度参数差值大, 界面间难以任意相互扩散等原因很难产生紧密的黏附, 被认为是一种难粘材料，限制了它的应用范围。可以通过化学处理法、高温熔融法、力化学处理法、辐射接枝法等方法对PTFE的表面进行改性。通过腐蚀液与PTFE发生化学反应，扯掉材料表面上的部分氟原子，在PTFE表面引入羟基、羰基和不饱和键等极性基团，能使表面能增大，接触角变小，润湿性提高，由难粘变为可粘。这是目前研究的所有表面处理方法中效果较好也较常用的方法。本文，笔者通过配置不同浓度的钠—萘腐蚀溶液对PTFE进行表面处理，可以明显改善其黏结性能；然后测其拉伸剪切强度和表面接触角，从实验数据分析找出钠—萘腐蚀溶液的最佳配比浓度。

一、实验部分

1. 原料。聚四氟乙烯（PTFE）；金属钠（Na），分析纯；萘(C10H8)，分析纯；四氢呋喃(C4H8O)，分析纯；邻苯二甲酸二丁酯(C16H22O4)，分析纯；乙二胺(C2H8N2)，分析纯；丙酮(C3H6O)，分析纯。

2. 测试仪器及实验工艺。采用中国科学院长春科新公司试验仪器研究所生产的WDW3050微机控制电子万能试验机，参照GB/ T7124-1986“胶粘剂拉伸剪切强度测定方法”进行测试，夹持长度为100mm，拉伸速度为5mm/min，测试温度为24℃，测试液体为蒸馏水。工艺流程如图1。

图1 实验工艺流程

3. 钠—萘腐蚀溶液的配制。在四口烧瓶中加入一定量的精萘，放在干燥的铝锅内，装上回流冷凝器、温度计和搅拌器，再加入一定量的四氢呋喃溶液，开动搅拌器。取一定量的金属钠，逐步加入四口烧瓶中，钠加完后通入干燥的氮气，在铝锅中注入水，温度控制在15～20℃，反应时间为1.5～2h。

4. PTFE的表面活化。将100mm×25mm×2mm的聚四氟乙烯板表面用细砂纸打磨，丙酮洗涤，晾干。将晾干的PTFE板在氮气保护下放在钠—萘处理液中浸泡8～10min。取出在丙酮中洗涤，再用蒸馏水洗净，晾干后用胶粘剂黏结或者放在干燥、避光的地方存放备用。

5. 聚四氟乙烯的黏结。用玻璃棒蘸取环氧树脂胶粘剂在聚四氟乙烯试样的黏结面上涂胶，胶层厚度控制在0.07～0.15mm，放置在固化夹具内加压固化，压力约为0.5～1.0MPa，固化24h后进行拉伸剪切强度的测试。

二、结果与讨论

1. 聚四氟乙烯试样拉伸剪切强度的变化。应用WDW3050微机控制电子万能试验机参照GB/T7124-1986“胶粘剂拉伸剪切强度测定方法”对PTFE试样的拉伸剪切强度的测试，对钠—萘溶液每一浓度表面改性后的PTFE，进行了5组试样的测试，根据公式τ=P/ (B×L)，求出算术平均值，即为钠—萘溶液该浓度表面改性后试样的拉伸剪切强度，测试结果见图2。

图2 PTFE试样拉伸剪切强度的变化

由图2可知,当处理液浓度较小时，试样的拉伸剪切强度随浓度的增大而增大，在处理液浓度为1.0mol/L时，拉伸剪切强度达到最大值。当处理液浓度继续增大时，其拉伸剪切强度反而明显下降。究其原因是PTFE经钠—萘处理液表面改性后，PTFE表面形成了一层粗糙疏松的黑褐色处理层，表面含有CH，CO，C=C，COOH等极性基团，提高了与环氧树脂等胶粘剂的反应能力，使界面上形成化学键，大大提高了其黏结强度；又由于钠—萘络合物具有腐蚀性，PTFE改性后，其表面将粗糙不平，遍布沟壑，当胶粘剂渗入到坑凹中去固化之后，就像一个锚一样抛定在那里，增加其黏结性能。但是当处理液浓度较高时，其反应活性较大，PTFE表面会受到过强的氧化腐蚀，反而会引起表面产生与底层结合不良的焦化层，从而降低了PTFE表面的内聚能密度，因此导致拉伸剪切强度的下降。

2. 聚四氟乙烯试样表面接触角的变化。应用JC2000A静滴接触角/界面张力测量仪对PTFE试样的表面接触角的测试，对不同浓度钠—萘溶液改性后的PTFE进行了测试，测试结果见图3。

图3 PTFE试样接触角的变化

由图3可知，经过表面改性处理后，PTFE试样的接触角明显变小，在处理液浓度为1.0mol/ L时达到最小值。处理液的反应活性随着钠—萘处理液浓度的升高而提高，改性后的PTFE分子中萘环等基团的含量提高,增加其表面能，使PTFE的浸润性增大，表面接触角逐渐减小。然而萘环是疏水性的，故当钠—萘溶液达到一定浓度时，萘环继续增加，反而会使表面接触角增大。综合上述原因，当处理液浓度为1.0mol/L时表面接触角最小。这里可以看出表面接触角测试数据与剪切强度测试结果是相互印证的。

图4是未处理的PTFE试样的表面接触角测试图，图5是经浓度为1mol/L的处理液改性后的PTFE试样的表面接触角测试图。