聚四氟乙烯粉料的萘鈉處理及其性能測試

景亞賓

（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鈉處理及其性能測試

景亞賓

（浙江歌瑞新材料有限公司，浙江 衢州 324004）

將經(jīng)過萘鈉活化處理的聚四氟乙烯（PTFE）粉料經(jīng)過清洗、干燥后，與未經(jīng)活化處理的純PTFE粉料以及分別共混質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%玻璃纖維料進(jìn)行性能分析對比。結(jié)果表明，經(jīng)過萘鈉活化處理的PTFE粉料，力學(xué)性能基本不變，平均摩擦系數(shù)可以達(dá)到0.11，磨耗量18 mg，表面接觸角98.9°，表面能23.69 J/m2，且同比例玻纖共混料相對應(yīng)的性能也有所提高。

聚四氟乙烯粉料；萘鈉處理；力學(xué)性能；表面能

聚四氟乙烯（PTFE）材料具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、自潤滑性、耐老化性等性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工和電子電器等諸多領(lǐng)域[1]。但PTFE強(qiáng)度較小、硬度低、磨損率高[2]。與此同時(shí)，PTFE材料結(jié)構(gòu)高度對稱，不含活性基團(tuán)，結(jié)晶度高，表面能低表面不易潤濕，被認(rèn)為是一種難粘的材料，從而限制了其使用。因此，為了進(jìn)一步提高PTFE的使用范圍，需要對PTFE材料進(jìn)行表面處理[3]。近年來，研究人員主要通過化學(xué)表面改性、高溫熔融、等離子處理等方法來提高PTFE的粘接性能[4]。

經(jīng)過共混改性的PTFE被加工成各種形狀制品，制品表面經(jīng)過萘鈉活化處理，可以與橡膠、金屬等材料進(jìn)行粘接應(yīng)用。但這種表面處理只是基于制品表面幾微米的化學(xué)接枝改性，而對PTFE粉料進(jìn)行的化學(xué)接枝改性，在做成制品之后無需再進(jìn)行表面處理，可直接進(jìn)行粘接，解決一些特殊結(jié)構(gòu)制品難以進(jìn)行化學(xué)表面處理的問題，從而提高PTFE應(yīng)用范圍。對于PTFE粉料進(jìn)行萘鈉處理的國內(nèi)外相關(guān)報(bào)道還比較少。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

PTFE懸浮粉料，牌號(hào)4TN-S；玻璃纖維，直徑10 μm，長徑比3:5～1；萘鈉處理液，自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

PTFE粉料萘鈉處理過程。實(shí)驗(yàn)室溫度下，在裝有PTFE粉料燒杯內(nèi)加入配置好的萘鈉處理液，處理液需要完全浸沒粉料，充分?jǐn)嚢?0 min后，用篩孔0.15 mm篩網(wǎng)過濾分離活化完成的PTFE粉料和萘鈉處理液廢液。將分離好的PTFE粉料用四氫呋喃清洗，最后用去離子水多次清洗過濾，直到PTFE粉料沒有萘鈉處理液氣味后停止。在105℃溫度下干燥過濾好的PTFE粉料72 h，干燥完成后粉料疏散準(zhǔn)備制樣。

實(shí)驗(yàn)樣品制備。對未處理PTFE粉料、萘鈉處理的PTFE粉料以及分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%的玻璃纖維進(jìn)行共混后，依次進(jìn)行模壓、燒結(jié)、冷卻、機(jī)械加工[5]。

1.3 性能測試

按HG/T 2903—1997，用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率測試[6]；按GB 3960—83，用塑料滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行摩擦系數(shù)、磨耗量測試[7]；按照目前通用的光學(xué)投影外形圖像分析法，用接觸角測試儀對試樣進(jìn)行表面接觸角、表面能測試，。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面處理對力學(xué)性能的影響

拉伸強(qiáng)度σb和斷裂伸長率εt測試結(jié)果（5次平均）見表1。

從表1可以看出，在相同成型工藝的條件下，經(jīng)過萘鈉處理的PTFE粉料與未經(jīng)過萘鈉處理的PTFE粉料相比，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率差別不大；而同樣添加相同配比的玻璃纖維后，其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率下降較多。原因是純PTFE塑性較好，玻纖為無機(jī)材料，阻礙PTFE大分子鏈之間的滑移，玻纖較多可能成為復(fù)合材料應(yīng)力集中點(diǎn)，易萌發(fā)微裂紋，宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能的下降[8]；而經(jīng)過萘鈉處理的PTFE粉料共混材料性能下降更多，處理后的PT?FE粉料中活性鈉、萘離子及其他官能團(tuán)的引入，進(jìn)一步增加應(yīng)力集中，開裂點(diǎn)增多，造成力學(xué)性能下降更快。但玻纖的加入，會(huì)提高材料的模量和剛性。

表1 表面處理對粉料力學(xué)性能的影響Tab 1 Effect of surface treatment on mechanical properties of powder

2.2 表面處理對PTFE摩擦性能的影響

摩擦系數(shù)μ和磨耗量m測試結(jié)果（2次平均）見表2。

表2 表面處理對粉料摩擦性能的影響Tab 2 Effect of surface treatment on friction property of powder

從表2可以看出，經(jīng)過處理的純PTFE粉料的磨耗量大大小于未處理的PTFE粉料，摩擦系數(shù)變化不大；而填充同樣質(zhì)量配比玻纖，其摩擦系數(shù)和磨耗量無太大差異。這是因?yàn)椴牧显谂c磨輪進(jìn)行對磨時(shí)，會(huì)在磨輪表面形成一層PTFE薄膜，而PTFE分子鏈的超柔順性，分子鏈之間易于發(fā)生相對移動(dòng)，造成磨耗量較大；經(jīng)過表面處理的PTFE中C－F健斷裂造成粉料中微量游離狀碳粉及鈉離子等存在，在摩擦?xí)r提高了抗壓縮變形，磨輪對試樣的分向切里變小，造成磨損量減小。玻璃纖維的加入，在PTFE材料中形成彌散交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，玻纖與其周圍的機(jī)體材料互相作用構(gòu)成一個(gè)整體的復(fù)合材料，難于剝落。玻纖對摩擦載荷有傳遞和分散作用，而這種存在的作用是明顯的，由此必然引起磨耗量的降低和摩擦系數(shù)的提高[9]。

2.3 表面處理對接觸角和表面能的影響

2.3.1 粉料

對PTFE粉料和75%PTFE+25%玻纖樣品進(jìn)行表面接觸角θ和表面能E測試，結(jié)果（3次平均）見表3。

表3 表面處理對粉料表面接觸角和表面能的影響Tab 3 Effect of surface treatment on surface contact angle and surface energy of powder

從表3可以看出，經(jīng)過萘鈉處理的純PTFE粉料試樣的表面接觸角比未經(jīng)處理的純PTFE要小，且表面能相應(yīng)有所提高；共混相同質(zhì)量配比的玻纖后，其表面接觸角、表面能兩者偏差不大。原因是PTFE完全對稱的無支鏈線性分子鏈結(jié)構(gòu)高度螺旋，分子無極性，表面能小，難于粘接；而萘鈉處理液具有很高的化學(xué)活性，與PTFE發(fā)生反應(yīng)，處理液中的鈉離子能破壞PTFE表面幾微米的C—F鍵，奪取F原子，在表面形成碳化層和一些極性基團(tuán)，如羰基、羧基、羥基等，這些官能團(tuán)都具有一定的親水性，使得PTFE表面能增加，接觸角變小[10]。所以經(jīng)過處理的PTFE比未處理的PTFE接觸角小，而玻纖的加入，分散在PTFE表面的一層玻纖，在一定程度上降低了表面能，故其表面接觸角、表面能變化不大。

2.3.2 制品

按前面對粉料萘鈉處理方法對加工后的制品再次進(jìn)行表面活化處理，同樣進(jìn)行表面接觸角θ和表面能E測試，結(jié)果（3次平均）見表4。

表3 表面處理對制品表面接觸角和表面能的影響Tab 3 Effect of surface treatment on surface contact angle and surface energy of product

從表4可以看出，經(jīng)過二次萘鈉處理過的制品，相對于未經(jīng)過二次萘鈉處理的制品，其表面接觸角大幅度下降，表面能也大幅度增大。而由經(jīng)過一次表面處理的PTFE粉料制成的制品，進(jìn)行二次萘鈉處理后，其表面能增加幅度更大。原因是粉料在經(jīng)過一次表面處理時(shí)，由于大分子鏈的包覆作用，部分PTFE未發(fā)生萘鈉化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過燒結(jié)熔融過程后，分子鏈重新排列組合發(fā)生結(jié)晶；而部分未參與反應(yīng)的PTFE分子鏈段在加工成制品二次萘鈉處理時(shí)得以再次參與反應(yīng)，表面能再次增加。所以在宏觀上表現(xiàn)為經(jīng)過萘鈉處理的PTFE粉料制品二次進(jìn)行萘鈉處理，相對于由未經(jīng)處理的PTFE制成的制品直接進(jìn)行表面處理，其表面接觸角和表面能變化較大。

3 結(jié)論

綜上所述，通過對PTFE粉料進(jìn)行萘鈉活化處理，材料本身力學(xué)性能基本不發(fā)生變化，而平均摩擦系數(shù)可以達(dá)到0.11，磨耗量為18 mg，表面接觸角為98.9°,表面能為23.69 J/m2，且同比例玻纖共混料相對應(yīng)的性能也有所提高。相對于未經(jīng)處理的PT?FE制品，其直接用于粘接的可靠性更高。

[1]陳虹,寇開昌,李子寓,等.聚四氟乙烯表面改性及粘接[J].粘接,2013(11):77-78.

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[3]李燕青,魏曉偉.聚四氟乙烯在表面處理中的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].塑料,2005,34(1):6-7.

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[5]徐下忠,吾良福,王文理,等.聚四氟乙烯主要成型制品及其生產(chǎn)工藝[J].塑料,2004,33(6):22-23.

[6]模塑用細(xì)粒聚四氟乙烯樹脂:HG/T 2903—1997[S].

[7]塑料滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法:GB 3960—83[S].

[8]徐紅星,宋偉,應(yīng)偉斌,等.玻璃纖維和石墨增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(5):402-403.

[9]余達(dá)強(qiáng),肖建中,胡樹兵.短玻纖填充PTFE復(fù)合材料磨損性能研究[J].潤滑與密封,2004,11(6):64-65.

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TQ325.4

ADOI10.3969/j.issn.1006-6829.2016.05.004

2016-07-30；

2016-08-05