PTFE乳液制備PTFE/ZrO2微孔膜及性能研究

滿 瑞，鄧新華，孫 元，羅衍慧

（天津工業大學材料科學與工程學院，天津300160）

PTFE乳液制備PTFE/ZrO2微孔膜及性能研究

滿 瑞，鄧新華＊，孫 元，羅衍慧

（天津工業大學材料科學與工程學院，天津300160）

嘗試以聚四氟乙烯（PTFE）乳液為原料制備PTFE微孔膜，選定化學穩定性、熱穩定性優異的納米二氧化鋯（ZrO2）作為增強劑以提高微孔膜強度，采用電子萬能力學試驗機測試了樣品的力學強度，用單因素法討論了納米ZrO2含量、拉伸比例、熱處理溫度和熱處理時間對微孔膜拉伸強度的影響；同時采用低溫等離子體處理PTFE/ZrO2復合微孔膜以改善其表面親水性。結果表明，PTFE/ZrO2復合微孔膜的拉伸強度與納米ZrO2含量成正比，與拉伸倍數成反比；其拉伸強度隨著熱處理溫度的升高或熱處理時間的延長，呈先增大后減小的變化趨勢，分別在310℃和10min時出現最大值；低溫等離子體處理的最佳時間為30s。

聚四氟乙烯；納米二氧化鋯；微孔膜；低溫等離子體

0 前言

PTFE微孔膜是近20年內發展起來的一類新型膜材料，不僅具有PTFE優異的化學穩定性、熱穩定性、電絕緣性，還具有極強的耐高低溫性能，出色的防水、防風、透濕、透氣及電荷儲存穩定等特性，在化工、電子、醫學等眾多領域都具有極其廣闊的應用前景［1－3］。

在復合材料研究中，將ZrO2納米顆粒作為分散相對基體進行增強韌化的應用也已被廣泛認可，近年來有研究發現在純凈的PTFE基體相中添加某些金屬氧化物（如CaO、ZnO、Y2O2、ZrO2等）可以使PTFE晶相結構在室溫至熔點范圍內穩定存在，對材料的強度和韌性提高有很大幫助［4－5］。

采用低溫等離子體處理，在高分子材料表面引入大量的含氧基團，從而改善材料表面活性的方法已有很多文獻進行了報道。采用空氣作為工作氣體，在等離子體處理過程中，同時包含非反應型和反應型2種等離子體，產生大量自由基，并引入羧基、羰基、羥基、酯基等基團，來提高材料親水性［6－7］。

本文嘗試以PTFE乳液為原料制備PTFE微孔膜，選定化學穩定性、熱穩定性優異的ZrO2納米微粒，通過填充無機材料提高微孔膜強度，同時采用低溫等離子體處理PTFE/ZrO2復合微孔膜以改善其表面親水性。通過電子萬能力學試驗機和X射線光電子能譜儀進行相關測試并討論和分析。實驗制得的PTFE/ZrO2復合微孔膜在電解池隔膜、工業濾料等眾多領域都具有極大的應用前景。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PTFE乳液，工業級，天津大沽化工廠；

ZrO2納米顆粒，粒徑范圍0.08～30μm，天津市化學藥劑三廠。

1.2 主要設備及儀器

陶藝爐，SG2－12－12，上海意豐電爐有限公司；

電子萬能力學試驗機，DSS－500，日本島津公司；

X射線光電子能譜儀（XPS），PHI 1600，美國Perkin－Elmer公司；

低溫等離子體處理機，南京第十四研究所工藝部；

壓延機、簡易拉伸設備，自制；

接觸角測定儀，JY－82，河北承德試驗機廠。

1.3 樣品制備

實驗以PTFE乳液為基體，將ZrO2納米顆粒加入到PTFE乳液中，磁力攪拌30～60min混合均勻；將混合均勻的PTFE、ZrO2納米顆粒混合物于60～90℃恒溫干燥去除部分水分，在常溫下將上述原料用雙輥壓延機壓延制成厚度為0.2～0.4mm之間的膜片坯料；將膜片坯料在溫度為50～100℃之間恒溫干燥一定時間，完全除去膜片坯料中的水分。在200℃條件下，以自制的簡易拉伸設備，按照不同拉伸倍數制備PTFE/ZrO2復合微孔膜；最后將PTFE預成型品在一定張力下高溫保持一定時間，進行熱處理，自然冷卻后得到PTFE膜制品。

1.4 性能測試與結構表征

按照GB/T 1040—2006測試PTFE/ZrO2復合微孔膜的力學性能，膜片裁制成國標規定的Ⅴ型試樣，拉伸速率為50mm/min，主要測試復合微孔膜試樣的斷裂伸長率和拉伸強度；

XPS分析：以 Mg－Kα為X射線源（1253.6eV）；功率250W，工作電壓15kV；分辨率0.7eV；通能（全譜）：PE＝187eV，通能（元素）：PE＝23eV；分析面積：0.8mm2；真空度：2×10－7Pa；以樣品C1s（C—C）結合能為285eV進行荷電校正，分析低溫等離子體處理后的復合微孔膜試樣表面化學成分；

接觸角測試：測定PTFE/ZrO2復合微孔膜試樣與水的靜態接觸角，儀器測量誤差為±0.5°；測試方法為液滴法，將待測樣品放置在恒溫的平臺上，開啟水平照射光源，用目鏡觀察試樣水平線位置，調節平臺位置，令試樣水平線與目鏡設置水平線重合，將液滴滴在樣品表面，調節目鏡中的角度計和可動的切線尺，讀取接觸角。

2 結果與討論

2.1 納米ZrO2含量對復合微孔膜拉伸強度的影響

圖1中復合微孔膜熱處理溫度為300℃，熱處理時間為8min，升溫速率2℃/min。由圖1可見，在實驗研究的范圍內，納米ZrO2的加入顯著提高了PTFE/ZrO2復合微孔膜的拉伸強度，且納米ZrO2含量越大，復合微孔膜的拉伸強度提高越多。受到外力作用時，PTFE基體首先受力，隨后將應力傳遞給與其相連的ZrO2增強相，從而在增強相處產生應力集中，誘發大量銀紋和剪切帶產生，大量銀紋或剪切帶的產生和發展消耗大量的能量，因而顯著提高PTFE/ZrO2復合微孔膜拉伸強度，ZrO2納米顆粒含量增加，增強相增多，受到外力作用時，有更多的銀紋或剪切帶產生，從而消耗更大的能量，PTFE/ZrO2復合微孔膜的拉伸強度也就更大。

圖1 納米ZrO2含量對復合微孔膜拉伸強度的影響Fig.1 Effect of ZrO2content on the tensile strength of composite porous membranes

2.2 拉伸倍數對復合微孔膜拉伸強度的影響

圖2中復合微孔膜熱處理溫度為310℃，熱處理時間為8min，升溫速率2℃/min。從圖2可以看到，不同配比的PTFE/ZrO2復合微孔膜隨著拉伸倍率的逐漸增加，微孔膜的拉伸強度均呈現下降趨勢。這主要是因為在復合微孔膜拉伸過程中，是薄膜微觀結構中的結點及網絡纖維結構承受力學拉伸的作用。隨著復合微孔膜的拉伸倍率的增大，薄膜微纖維變長，微孔的尺寸增加，孔隙率增大，單位面積內的結點數減小，復合微孔膜承受應力的能力因而隨之下降，導致了拉伸強度的下降。所以在納米ZrO2含量一定的情況下，應選擇適當的拉伸倍率，以確保微孔膜的拉伸強度符合實際應用的需要。

圖2 拉伸倍數對復合微孔膜拉伸強度的影響Fig.2 Effect of stretching ratio on the tensile strength of composite porous membranes

2.3 熱處理溫度對復合微孔膜拉伸強度的影響

圖3中復合微孔膜拉伸倍數為1倍，熱處理時間8min，升溫速率2℃/min。由圖3可見，隨熱處理溫度的升高，PTFE/ZrO2復合微孔膜拉伸強度呈先升高后降低的變化趨勢，在熱處理溫度為310℃時出現最大值，這是結晶度和孔隙率兩方面因素共同作用產生的結果。在相同的熱處理時間內，當PTFE在290～320℃范圍內熱處理時，熱處理溫度越高對PTFE分子的結晶越有利，結晶度越大分子間作用力越大，拉伸強度也因而增大；但是，由于PTFE/ZrO2復合微孔膜特殊的微觀結構，在外界拉力存在下熱處理時，復合微孔膜的孔隙率隨熱處理溫度的升高而逐漸增大［4］，孔隙率越高復合微孔膜單位面積上所能承受的強度越低，從而孔隙率越高對復合微孔膜拉伸強度的提高越不利。因此，當熱處理溫度低于310℃時，結晶度的影響起主要作用，拉伸強度呈增大趨勢；當溫度高于310℃時，孔隙率的影響起主要作用，拉伸強度又呈減小趨勢。

圖3 熱處理溫度對復合微孔膜拉伸強度的影響Fig.3 Effect of heat－treatment temperature on the tensile strength of composite porous membrane

2.4 熱處理時間對復合微孔膜拉伸強度的影響

圖4中復合微孔膜拉伸倍數為1倍，熱處理溫度300℃，升溫速率2℃/min。由圖4可見，300℃熱處理，當熱處理時間低于10min時，復合微孔膜拉伸強度隨熱處理時間延長而增大；當熱處理時間高于10min時，復合微孔膜拉伸強度隨熱處理時間延長而減小，這種現象同樣是復合微孔膜結晶度和孔隙率共同影響的結果。相同熱處理溫度下，隨熱處理時間延長，結晶度提高，拉伸強度增加；但是，PTFE/ZrO2復合微孔膜的孔隙率也隨之增加［4］，從而導致拉伸強度呈先增大后減小的趨勢。

圖4 熱處理時間對復合微孔膜拉伸強度的影響Fig.4 Effect of heat－treatment time on the tensile strength of composite porous membranes

2.5 低溫等離子體處理對復合膜親水性的影響

為了更加清晰地描述低溫等離子體處理對于PTFE/ZrO2復合微孔膜親水性的改善程度，本文特提出親水性改善幅度這一概念：

圖5中復合微孔膜試樣制備的工藝條件為：納米ZrO2含量7%、拉伸倍數1.5倍、熱處理溫度320℃、升溫速率2℃/min；等離子體處理機工作電壓220V，放電功率分別為500、700、900W，真空度0.035kPa，工作氣體為空氣。由圖5可見，相同等離子體處理功率下，隨處理時間的延長，PTFE/ZrO2復合微孔膜親水性改善幅度先增大，處理時間30s時達到最佳值，隨后復合微孔膜親水性改善幅度開始降低，處理時間50s時達到極小值點，當處理時間超過50s后，復合微孔膜親水性改善幅度又有所上升，最后趨于平緩。PTFE/ZrO2復合微孔膜表面經等離子體處理后，表面化學鍵斷裂，產生大量自由基，并引入羧基、羰基、羥基等親水基團，從而復合微孔膜表面親水性迅速增強；但是當等離子體作用超過一定限度后，復合微孔膜表面活性基團發生交聯反應的速率增大，表面自由基減小，復合微孔膜接觸角增大，親水性改善幅度減小；隨著處理時間的進一步延長，自由基的產生和損耗相對平衡，表面親水基團的濃度趨于平緩，最終復合微孔膜親水性改善幅度也趨于平穩。

圖5 等離子體處理時間對復合微孔膜親水性改善幅度的影響Fig.5 Effect of plasma treatment time on the hydrophilicity improvement of composite porous membranes

2.6 復合微孔膜低溫等離子體處理XPS分析

本文同時還研究了低溫等離子處理前后復合微孔膜的XPS譜圖，如圖6所示，低溫等離子處理時真空度為0.035kPa，處理功率為400W，處理時間為30s。

由圖6可以觀察到，處理后TPFE的XPS譜有以下明顯的變化：復合微孔膜試樣C1s峰面積有所改變，其相對強度大幅下降，與F結合的C比處理前明顯減少，O1s峰面積大幅增加，即低溫等離子體處理后復合微孔膜試樣表面具有明顯的去氟效果；F的含量大幅度減少，F1s的峰面積也大大下降。在PTFE的螺旋結構中，由于F原子在C—C主鏈的外層緊密堆積，對C—C主鏈起到保護的作用，因此等離子體首先作用到C—F鍵上，使C—F被打斷，部分F便脫離C，而主鏈則被暴露，表面脫去F原子而產生自由基，同時在表面產生含氧基團，有利于表面親水性的改善。

圖6 復合微孔膜的XPS譜圖Fig.6 XPS spectra for composite porous membranes

實驗證明在低溫空氣等離子體的作用下，PTFE/ZrO2復合微孔膜試樣表面部分C—F鍵發生斷裂，導致更多的O參與進來，在表面結構中以羧基、羰基、羥基、酯基等含氧基團的形式存在，從而增強復合微孔膜試樣的表面親水性。XPS分析結果與實驗中接觸角測定結果吻合。

3 結論

（1）PTFE/ZrO2復合微孔膜的拉伸強度與納米ZrO2含量成正比，與拉伸倍數成反比；其拉伸強度隨著熱處理溫度的升高或熱處理時間的延長，呈先增大后減小的變化趨勢，分別在310℃和10min時出現最大值；

（2）PTFE/ZrO2復合微孔膜親水性改善幅度隨處理時間的變化趨勢是先增大后減小，再小幅增大，最后趨于平緩；最佳處理時間為30s。

［1］ 顧紅艷，丁蘭英.納米SiC粒子的表面處理對PTFE/納米SiC復合材料的性能影響［J］.中國塑料，2010，24（11）：58－61.

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［3］ 顧紅艷，史麗萍，何春霞.納米Si3N4及其混雜填料改性PTFE的性能研究［J］.中國塑料，2009，23（10）：31－35.

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［5］ 龐 鍵，周正發，徐衛兵.氧化鋯對聚丙烯性能和結構的影響研究［J］.中國塑料，2008，22（3）：27－30.

［6］ 彭淑靜，邱夷平.常壓等離子體射流對聚乙烯醇薄膜性能的影響［J］.中國塑料，2009，23（5）：66－69.

［7］ 孫 輝，孫 杰，徐英凱，等.聚芳醚酮的表面修飾及其在生物醫用領域的應用［J］.中國塑料，2010，24（1）：6－10.

Preparation of PTFE/ZrO2Composite Microporous Membrane by PTFE Resin Emulsion and Investigation on Performance

MAN Rui，DENG Xinhua＊，SUN Yuan，LUO Yanhui
（School of Material Science and Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300160，China）

This paper used polytetrafluoroethylene（PTFE）emulsion as a matrix phase，micronanozirconium dioxide（ZrO2）powder as a reinforcer to prepare PTFE/ZrO2composite membranes via mechanical stretch，and the tensile strength of the membranes was tested.Single－factor method was used to analyze the effect of ZrO2powder content，draw ratio，heat－treatment temperature，and heat－treatment time on the tensile strength of the composite membrane.PTFE/ZrO2membranes were post－treated by low－temperature plasma to study the effect of the plasma treatment time and ZrO2power on the hydrophility of the membranes.It showed that the tensile strength of PTFE/ZrO2composite membranes increased with increasing ZrO2content，but decreased with increasing of draw ratio.When heat－treatment temperature was 310 ℃，heattreatment time was 10min，the tensile strength gave rise to a maximum.The best post－treated time of low－temperature plasma was 30s.

polytetrofluoroethylene；nanozirconium dioxide；microporous membrane；low－temperature plasma

TQ325.4

B

1001－9278（2011）08－0048－04

2011－05－26

＊聯系人，sunyuangpolymer＠gmail.com