聚四氟乙烯粉料的萘钠处理及其性能测试

2016-11-07景亚宾

化工生产与技术 2016年5期

关键词：玻纤聚四氟乙烯粉料

景亚宾

（浙江歌瑞新材料有限公司，浙江衢州 324004）

聚四氟乙烯粉料的萘钠处理及其性能测试

景亚宾

（浙江歌瑞新材料有限公司，浙江衢州 324004）

将经过萘钠活化处理的聚四氟乙烯（PTFE）粉料经过清洗、干燥后，与未经活化处理的纯PTFE粉料以及分别共混质量分数25%玻璃纤维料进行性能分析对比。结果表明，经过萘钠活化处理的PTFE粉料，力学性能基本不变，平均摩擦系数可以达到0.11，磨耗量18 mg，表面接触角98.9°，表面能23.69 J/m2，且同比例玻纤共混料相对应的性能也有所提高。

聚四氟乙烯粉料；萘钠处理；力学性能；表面能

聚四氟乙烯（PTFE）材料具有优异的化学稳定性、热稳定性、自润滑性、耐老化性等性能，已广泛应用于航空航天、石油化工和电子电器等诸多领域[1]。但PTFE强度较小、硬度低、磨损率高[2]。与此同时，PTFE材料结构高度对称，不含活性基团，结晶度高，表面能低表面不易润湿，被认为是一种难粘的材料，从而限制了其使用。因此，为了进一步提高PTFE的使用范围，需要对PTFE材料进行表面处理[3]。近年来，研究人员主要通过化学表面改性、高温熔融、等离子处理等方法来提高PTFE的粘接性能[4]。

经过共混改性的PTFE被加工成各种形状制品，制品表面经过萘钠活化处理，可以与橡胶、金属等材料进行粘接应用。但这种表面处理只是基于制品表面几微米的化学接枝改性，而对PTFE粉料进行的化学接枝改性，在做成制品之后无需再进行表面处理，可直接进行粘接，解决一些特殊结构制品难以进行化学表面处理的问题，从而提高PTFE应用范围。对于PTFE粉料进行萘钠处理的国内外相关报道还比较少。

1 实验部分

1.1 原料

PTFE悬浮粉料，牌号4TN-S；玻璃纤维，直径10 μm，长径比3:5～1；萘钠处理液，自制。

1.2 实验方法

PTFE粉料萘钠处理过程。实验室温度下，在装有PTFE粉料烧杯内加入配置好的萘钠处理液，处理液需要完全浸没粉料，充分搅拌10 min后，用筛孔0.15 mm筛网过滤分离活化完成的PTFE粉料和萘钠处理液废液。将分离好的PTFE粉料用四氢呋喃清洗，最后用去离子水多次清洗过滤，直到PTFE粉料没有萘钠处理液气味后停止。在105℃温度下干燥过滤好的PTFE粉料72 h，干燥完成后粉料疏散准备制样。

实验样品制备。对未处理PTFE粉料、萘钠处理的PTFE粉料以及分别添加质量分数25%的玻璃纤维进行共混后，依次进行模压、烧结、冷却、机械加工[5]。

1.3 性能测试

按HG/T 2903—1997，用微机控制电子万能试验机对样品进行拉伸强度、断裂伸长率测试[6]；按GB 3960—83，用塑料滑动摩擦试验机对样品进行摩擦系数、磨耗量测试[7]；按照目前通用的光学投影外形图像分析法，用接触角测试仪对试样进行表面接触角、表面能测试，。

2 结果与讨论

2.1 表面处理对力学性能的影响

拉伸强度σb和断裂伸长率εt测试结果（5次平均）见表1。

从表1可以看出，在相同成型工艺的条件下，经过萘钠处理的PTFE粉料与未经过萘钠处理的PTFE粉料相比，拉伸强度和断裂伸长率差别不大；而同样添加相同配比的玻璃纤维后，其拉伸强度和断裂伸长率下降较多。原因是纯PTFE塑性较好，玻纤为无机材料，阻碍PTFE大分子链之间的滑移，玻纤较多可能成为复合材料应力集中点，易萌发微裂纹，宏观上表现为力学性能的下降[8]；而经过萘钠处理的PTFE粉料共混材料性能下降更多，处理后的PT⁃FE粉料中活性钠、萘离子及其他官能团的引入，进一步增加应力集中，开裂点增多，造成力学性能下降更快。但玻纤的加入，会提高材料的模量和刚性。

表1 表面处理对粉料力学性能的影响Tab 1 Effect of surface treatment on mechanical properties of powder

2.2 表面处理对PTFE摩擦性能的影响

摩擦系数μ和磨耗量m测试结果（2次平均）见表2。

表2 表面处理对粉料摩擦性能的影响Tab 2 Effect of surface treatment on friction property of powder

从表2可以看出，经过处理的纯PTFE粉料的磨耗量大大小于未处理的PTFE粉料，摩擦系数变化不大；而填充同样质量配比玻纤，其摩擦系数和磨耗量无太大差异。这是因为材料在与磨轮进行对磨时，会在磨轮表面形成一层PTFE薄膜，而PTFE分子链的超柔顺性，分子链之间易于发生相对移动，造成磨耗量较大；经过表面处理的PTFE中C－F健断裂造成粉料中微量游离状碳粉及钠离子等存在，在摩擦时提高了抗压缩变形，磨轮对试样的分向切里变小，造成磨损量减小。玻璃纤维的加入，在PTFE材料中形成弥散交错的网状结构，玻纤与其周围的机体材料互相作用构成一个整体的复合材料，难于剥落。玻纤对摩擦载荷有传递和分散作用，而这种存在的作用是明显的，由此必然引起磨耗量的降低和摩擦系数的提高[9]。

2.3 表面处理对接触角和表面能的影响

2.3.1 粉料

对PTFE粉料和75%PTFE+25%玻纤样品进行表面接触角θ和表面能E测试，结果（3次平均）见表3。

表3 表面处理对粉料表面接触角和表面能的影响Tab 3 Effect of surface treatment on surface contact angle and surface energy of powder

从表3可以看出，经过萘钠处理的纯PTFE粉料试样的表面接触角比未经处理的纯PTFE要小，且表面能相应有所提高；共混相同质量配比的玻纤后，其表面接触角、表面能两者偏差不大。原因是PTFE完全对称的无支链线性分子链结构高度螺旋，分子无极性，表面能小，难于粘接；而萘钠处理液具有很高的化学活性，与PTFE发生反应，处理液中的钠离子能破坏PTFE表面几微米的C—F键，夺取F原子，在表面形成碳化层和一些极性基团，如羰基、羧基、羟基等，这些官能团都具有一定的亲水性，使得PTFE表面能增加，接触角变小[10]。所以经过处理的PTFE比未处理的PTFE接触角小，而玻纤的加入，分散在PTFE表面的一层玻纤，在一定程度上降低了表面能，故其表面接触角、表面能变化不大。

2.3.2 制品

按前面对粉料萘钠处理方法对加工后的制品再次进行表面活化处理，同样进行表面接触角θ和表面能E测试，结果（3次平均）见表4。

表3 表面处理对制品表面接触角和表面能的影响Tab 3 Effect of surface treatment on surface contact angle and surface energy of product

从表4可以看出，经过二次萘钠处理过的制品，相对于未经过二次萘钠处理的制品，其表面接触角大幅度下降，表面能也大幅度增大。而由经过一次表面处理的PTFE粉料制成的制品，进行二次萘钠处理后，其表面能增加幅度更大。原因是粉料在经过一次表面处理时，由于大分子链的包覆作用，部分PTFE未发生萘钠化学反应，经过烧结熔融过程后，分子链重新排列组合发生结晶；而部分未参与反应的PTFE分子链段在加工成制品二次萘钠处理时得以再次参与反应，表面能再次增加。所以在宏观上表现为经过萘钠处理的PTFE粉料制品二次进行萘钠处理，相对于由未经处理的PTFE制成的制品直接进行表面处理，其表面接触角和表面能变化较大。