關(guān)于PTFE板材與鐵片粘結(jié)強(qiáng)度影響因素的探討

張鵬，劉文武，韋克儉，張高明，毛超仁

（浙江巨化股份有限公司氟聚合物事業(yè)部，浙江 衢州 324004）

0 引言

由于聚四氟乙烯（PTFE）具有耐化學(xué)、耐高溫等一系列優(yōu)異的特性，使其能廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。但其極低的表面張力（約為18 mN/m）[1]，較差的潤(rùn)濕性能（接觸角約為 114°）[2]，使得其制品很難與其它物品進(jìn)行粘結(jié)，限制了其在應(yīng)用方面的發(fā)展。隨著人們對(duì)PTFE認(rèn)識(shí)的不斷深化，研究學(xué)者對(duì)于改善PTFE制品表面的粘結(jié)性能提出了多種方法，包括化學(xué)處理、等離子表面改性、高能輻射改性以及高溫熔融等[3-8]，這些方法對(duì)于進(jìn)一步拓寬PTFE的應(yīng)用領(lǐng)域起著重大的推動(dòng)作用。其中，化學(xué)處理是改善PTFE板材表面粘結(jié)性能應(yīng)用最為廣泛的一種。本文以PTFE板材表面的化學(xué)處理為基礎(chǔ)，模擬PTFE板材在鐵（鋼）制容器中襯里方面的應(yīng)用，探討PTFE板材與鐵片粘結(jié)過(guò)程中，粘結(jié)強(qiáng)度的影響因素。以此來(lái)對(duì)PTFE板材表面粘結(jié)性能的系統(tǒng)性研究進(jìn)行淺顯的補(bǔ)充，對(duì)PTFE的應(yīng)用拓展增加理論上的參考。

1 試驗(yàn)部分

PTFE板材表面經(jīng)過(guò)化學(xué)處理的方式按還原劑的不同主要分為兩類(lèi)：萘鈉處理和氨鈉處理[1]?；瘜W(xué)處理PTFE板材表面的原理是：鈉的最外層電子轉(zhuǎn)移到萘或氨的空軌道上，與鈉離子形成具有很高反應(yīng)活性的自由基，在與PTFE板材表面接觸時(shí)打斷C-F鍵，將PTFE表面的氟原子脫去，留下具有較高表面能的碳層，從而形成可粘結(jié)性的表面[9]。

1.1 試驗(yàn)原料

分別經(jīng)過(guò)萘鈉處理和氨鈉處理的PTFE板材（板材厚度：3 mm），板材來(lái)自于浙江某公司。鐵片（200 mm×50 mm×5 mm）經(jīng)過(guò)噴砂處理，確認(rèn)鐵片表面具有足夠的粗糙度，無(wú)脫砂現(xiàn)象。外購(gòu)膠粘劑（主要成分為氯丁橡膠，下文均以氯丁橡膠表示膠粘劑）及其溶劑（主要成分為二甲苯，下文均以二甲苯表示溶劑）。

1.2 樣品制備

分別將萘鈉與氨鈉處理的PTFE板材裁剪成300 mm×30 mm×3 mm的試驗(yàn)樣本，氯丁橡膠與二甲苯分別按照2∶1、1∶1以及1∶2的比例配制成不同濃度的膠粘劑溶液，分別將不同濃度的膠粘劑溶液均勻地涂覆在PTFE板材及鐵片上，根據(jù)膠粘劑溶液地干燥速度以及PTFE板材和鐵片上膠粘劑的厚度要求 （膠粘劑厚度要求達(dá)到0.5 mm），需進(jìn)行2～3次涂覆，每次涂覆間隔8 h以上。待所有PTFE板材與鐵片的膠粘劑溶液徹底干燥后，將板材與涂覆相同濃度膠粘劑溶液的鐵片貼合后進(jìn)行硫化處理，硫化溫度與壓力保持一致，硫化時(shí)間分別為 2 h、4 h、8 h、24 h。

1.3 性能測(cè)試

PTFE板材與鐵片間的粘結(jié)強(qiáng)度主要通過(guò)拉伸使PTFE板材與鐵片間進(jìn)行剝離來(lái)體現(xiàn) （剝離強(qiáng)度遠(yuǎn)小于板材的拉伸強(qiáng)度，在此忽略板材拉伸的影響），拉伸試驗(yàn)如圖1所示。在本試驗(yàn)中，主要分析板材表面化學(xué)處理方式的不同、膠粘劑溶液濃度的不同以及硫化時(shí)間的不同對(duì)于粘結(jié)性能的影響。此外，使用溫度對(duì)粘結(jié)性能影響的程度也作為探討的依據(jù)。

圖1 PTFE板材與鐵片粘結(jié)強(qiáng)度的拉伸試驗(yàn)Figure 1 Tensile test of bonding strength between PTFE sheet and iron piece

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)處理方式不同對(duì)于粘結(jié)性能的影響

化學(xué)處理方式的不同，得到的PTFE板材色澤具有明顯的差異：萘鈉處理后的PTFE板材表面呈棕色，氨鈉處理后的PTFE板材表面呈銀灰色[1]。以化學(xué)處理方式的不同作為探討對(duì)象，膠粘劑溶液中氯丁橡膠與二甲苯的比例為2∶1，其它試驗(yàn)條件均保持一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 化學(xué)處理方式對(duì)于粘結(jié)性能的影響Figure 2 The chemical treatment effects on boding strength

由圖2可知，氨鈉處理得到的PTFE板材與鐵片的粘結(jié)強(qiáng)度大于萘鈉處理所對(duì)應(yīng)的結(jié)果。這可能是由于氨鈉處理的PTFE板材表面碳化層具有更高的內(nèi)聚能或更多的極性基團(tuán)，這樣PTFE板材表面在與膠粘劑的接觸中，單位面積上的相互作用將會(huì)更強(qiáng)。

2.2 膠粘劑溶液濃度對(duì)于粘結(jié)性能的影響

由以上結(jié)果可知：在相同的膠粘劑溶液濃度條件下，氨鈉處理得到的粘結(jié)強(qiáng)度要好于萘鈉處理，因此，在后續(xù)的探討試驗(yàn)中，均以氨鈉處理作為分析前提。氯丁橡膠與二甲苯的配比分別為 2∶1、1∶1 以及 1∶2，膠粘劑溶液濃度依次降低。將膠粘劑溶液濃度的變化作為探討對(duì)象，其它試驗(yàn)條件保持一致，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 膠粘劑溶液濃度對(duì)于粘結(jié)性能的影響Figure 3 The effect of adhesive solution concentration on adhesive properties

由圖3可知，當(dāng)氯丁橡膠與二甲苯的濃度為2∶1，膠粘劑溶液濃度最高時(shí)，PTFE板材與鐵片的粘結(jié)強(qiáng)度最大，粘結(jié)性能最好。而當(dāng)氯丁橡膠與二甲苯的濃度為1∶2，膠粘劑溶液濃度最低時(shí)，PTFE板材與鐵片的粘結(jié)強(qiáng)度最小，粘結(jié)性能最差。這說(shuō)明粘結(jié)強(qiáng)度隨著膠粘劑溶液濃度的降低而減小。試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)于膠粘劑溶液濃度與粘結(jié)強(qiáng)度之間的關(guān)系也有一定程度的反饋：在PTFE板材或鐵片上涂覆較低濃度的膠粘劑溶液，干燥后單位體積膠粘劑層上的孔隙率，要遠(yuǎn)多于應(yīng)用高濃度膠粘劑溶液所對(duì)應(yīng)的結(jié)果，這說(shuō)明涂覆低濃度的膠粘劑溶液在溶劑揮發(fā)的過(guò)程中致使膠粘劑有一定程度的分層。這必然會(huì)對(duì)后續(xù)硫化試驗(yàn)造成一定的影響，進(jìn)而影響粘結(jié)性能。粘結(jié)強(qiáng)度隨著膠粘劑溶液濃度的上升而增大，而當(dāng)溶液中氯丁橡膠與二甲苯的比例大于2∶1時(shí)，涂覆在PTFE板材或鐵片上的膠粘劑溶液無(wú)法流動(dòng)，不能形成均勻涂覆的效果，會(huì)造成拉伸試驗(yàn)中部分位置出現(xiàn)粘結(jié)強(qiáng)度突然大幅下降的現(xiàn)象，影響整體的粘結(jié)性能。

2.3 硫化時(shí)間對(duì)于粘結(jié)性能的影響

硫化使得橡膠中線性高分子交聯(lián)成為網(wǎng)狀高分子，繼而拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度的增加。膠粘劑中橡膠的硫化是其產(chǎn)生強(qiáng)度的根本原因，硫化時(shí)間的長(zhǎng)短必然會(huì)對(duì)橡膠中分子交聯(lián)的程度產(chǎn)生影響。膠粘劑溶液中氯丁橡膠與二甲苯的比例為2∶1，其它試驗(yàn)條件均保持一致，分析硫化時(shí)間對(duì)粘結(jié)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 硫化時(shí)間對(duì)于粘結(jié)性能的影響Figure 4 The effect of vulcanization time on adhesive properties

由圖4可知：硫化時(shí)間為2 h，粘結(jié)強(qiáng)度最大，隨著硫化時(shí)間的延長(zhǎng)，粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)硫化時(shí)間大于8 h，粘結(jié)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有大的變化。這說(shuō)明兩小時(shí)已經(jīng)使得膠粘劑中橡膠分子進(jìn)行了充分的交聯(lián)固化。而且，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，粘結(jié)強(qiáng)度降低，這可能是膠粘劑中橡膠出現(xiàn)了一定程度的老化，在長(zhǎng)時(shí)間的高溫條件下，橡膠發(fā)生了熱裂解現(xiàn)象。而當(dāng)橡膠老化對(duì)于粘結(jié)強(qiáng)度的影響達(dá)到一定階段后，粘結(jié)強(qiáng)度的變化可以忽略。

2.4 使用溫度對(duì)于粘結(jié)性能的影響

PTFE板材的襯里大多使用在極為嚴(yán)苛的條件下，如高溫條件或者進(jìn)行劇烈化學(xué)反應(yīng)的塔釜等，這都要求在較高的溫度條件下PTFE板材與鐵片的粘結(jié)具有一定的強(qiáng)度。而使用溫度的不同，必然會(huì)對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。常溫（25℃）以及100℃使用條件下，粘結(jié)強(qiáng)度的對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同使用溫度條件下粘結(jié)性能的對(duì)比Figure 5 Comparison of bonding performance under different temperature conditions.

從圖5可以看出：相對(duì)于常溫（25℃）時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度，100℃時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度下降幅度超過(guò)了40%。這是因?yàn)橄鹉z在高溫下的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)低于室溫下的拉伸強(qiáng)度。高溫下，分子已經(jīng)有足夠能量克服運(yùn)動(dòng)所需的勢(shì)壘，分子運(yùn)動(dòng)使得分子柔性大大增加，更易滑動(dòng)，如此在很大程度上降低了PTFE板材與鐵片的粘結(jié)強(qiáng)度。這在很大程度上限制了PTFE的使用范圍。如何在高溫下保持優(yōu)異的粘結(jié)性能是PTFE不斷發(fā)展的方向之一。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)PTFE板材與鐵片粘結(jié)過(guò)程中粘結(jié)強(qiáng)度影響因素的探討，得出以下幾點(diǎn)。

①在PTFE板材表面進(jìn)行化學(xué)處理的不同方式中，氨鈉處理得到的PTFE板材表面具有更好的粘結(jié)性能。

②使用不同濃度的膠粘劑溶液所得到的粘結(jié)強(qiáng)度不同，粘結(jié)強(qiáng)度隨著膠粘劑溶液濃度的上升而增大，但均勻的涂覆是膠粘劑溶液使用的必要條件。

③隨著硫化時(shí)間的延長(zhǎng)，PTFE板材與鐵片的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，最后幾乎不變，這可能是橡膠出現(xiàn)一定程度的老化所致。

④相對(duì)于25℃的使用溫度，100℃時(shí)PTFE板材與鐵片的粘結(jié)強(qiáng)度下降超過(guò)40%，高溫條件下具有良好的粘結(jié)性能將是PTFE發(fā)展的方向之一。