聚四氟乙烯表面電弧離子鍍膜的微觀組織特征

高景龍， 王安舒， 劉艷輝， 金 光

（沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

聚四氟乙烯表面電弧離子鍍膜的微觀組織特征

高景龍， 王安舒， 劉艷輝， 金 光

（沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

采用電弧離子鍍工藝對聚四氟乙烯（PTFE）制備了TiN鍍層。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和能譜分析（EDS）等手段對鍍層的形貌、結(jié)構(gòu)、成分及含量進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鍍層具有黃色金屬光澤，在SEM下觀察，鍍膜有明顯凹坑，由2～4μm的顆粒組成，部分顆粒呈現(xiàn)白色，分布不均勻。XRD和EDS分析表明：TiN膜中含有一定的Ti成分。鍍膜處理不改變聚四氟乙烯晶體結(jié)構(gòu)取向和有序性，并且增加了聚四氟乙烯的表面粗糙度。

聚四氟乙烯；離子鍍膜；微觀組織；表面改性

前 言

聚四氟乙烯（PTFE）具有優(yōu)異的耐高低溫性能和耐化學(xué)腐蝕性能，可廣泛用于航空、航天、電子機(jī)械等諸多領(lǐng)域[1]。但是聚四氟乙烯分子是一種高度對稱、高結(jié)晶、非極性線型高分子材料[2，3]，表面自由能極低，臨界表面張力只有1.8mN/m，這使得其表面的濕潤性能、親水性能很差[4～6]。此外，聚四氟乙烯還具有硬度和耐磨性差的缺點(diǎn)[7]，這些都嚴(yán)重的影響了其在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。

PTFE極低的表面活性和不粘性限制了它與其它材料的復(fù)合。目前，國內(nèi)外解決PTFE粘接問題，主要是通過PTFE的表面活化提高其表面張力。PTFE的表面活化一般基于置換、交聯(lián)、接枝、氧化和重結(jié)晶等幾種方法，常用的表面改性技術(shù)有：還原劑法（鈉-萘溶液置換法）、高溫熔融法、等離子處理法、激光輻射法、硅酸改性法、力化學(xué)處理法等[8，9]。

電弧離子鍍是將電弧技術(shù)應(yīng)用于離子鍍中，在真空環(huán)境下利用電弧蒸發(fā)作為鍍料粒子源實(shí)現(xiàn)離子鍍的過程。電弧離子鍍是物理氣相沉積技術(shù)中應(yīng)用最廣的技術(shù),我們可以通過改變輝光清洗、負(fù)偏壓及鍍膜等參數(shù)來控制聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)的改變。本文采用俄羅斯科學(xué)院的U V N0.5 D 2 I型電弧離子鍍設(shè)備在聚四氟乙烯表面制備了T i N涂層，研究其表面形貌組成等，以期為聚四氟乙烯的連接問題提供思路及理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

采用俄羅斯科學(xué)院的U V N0.5 D 2 I型電弧離子鍍膜機(jī)制備T i N涂層。用純度99.999%的T i為靶材，基材PTFE的規(guī)格為20 mm×20 mm×3 mm。鍍前用丙酮將聚四氟乙烯表面擦拭干凈，然后在40℃條件下真空干燥5 h后放入真空室。沉積參數(shù)：負(fù)偏壓-80 V，電弧電流72 A，N2氣氛，壓力0.3 P a，沉積時間30 min。

采用日立S-3400 N型掃描電鏡及美國K E V E型能譜分析儀用于膜層表面形貌和化學(xué)成分分析；用日本理學(xué)D/m a x-2500/P C型衍射儀確定膜層的相結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiN膜層的表面形貌

圖1為經(jīng)丙酮擦拭鍍膜前的聚四氟表面形貌圖。掃描電鏡分析表明，未經(jīng)處理的樣品盡管沒有拋光，表面也比較光滑。PTFE鍍膜后表面明顯沉積一層黃色鍍層，肉眼看起來光滑、具有金屬光澤。圖2為PTFE基體鍍膜后不同放大倍數(shù)的S E M表面形貌圖，在放大1000倍（圖2 a）時，表面形貌與原始樣品相比，即可看出粗糙現(xiàn)象。經(jīng)放大2000、4000倍明顯看出，表面膜層由2～4 μm的顆粒組成，分布不均勻，有明顯凹坑，部分顆粒呈現(xiàn)白色。結(jié)合X R D及E D S分析可知，這些白色的形狀不規(guī)則顆粒是金屬T i。T i的存在，是因?yàn)橥ㄟ^電弧加熱靶材，弧斑分布不均勻，造成較大的鈦金屬液滴，這種液滴形成后未反應(yīng)完全就直接沉積到薄膜上。圖中顏色較暗的顆粒為T i N。

圖1 鍍前PTFE表面的SEM表面形貌Fig.1 SEM micrograph of the PTFE surface before coating

圖2 PTFE鍍膜后不同放大倍數(shù)的SEM表面形貌圖Fig.2 SEM micrograph of the PTFE surface after coating at different amplification

如圖3，在圖2（b）區(qū)域1進(jìn)行了電子散射能譜分析（E D S）。從圖3中可以看出，表面膜層除了含有基材的元素外,還含有N、T i元素。

圖3 膜層的EDS圖譜Fig.3 EDS spectrum of the coating

2.2 鍍層的XRD分析

采用X射線衍射分析，可以明確地確定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行物相的定性分析。圖4是在聚四氟乙烯表面鍍上一層T i N鍍層后體系的X R D圖譜。由圖中譜線可知，試樣表面T i N膜的晶面衍射峰110、200和220均出現(xiàn)，顯示T i N膜具有擇優(yōu)取向，這與通常物理氣相沉積（P V D）和化學(xué)氣相沉積（C V D）情況下111為擇優(yōu)取向晶面有所不同，這可能是因?yàn)殡娀‰x子鍍同P V D和C V D技術(shù)存在差異和參數(shù)的選擇有關(guān)。另外，在衍射譜中還出現(xiàn)不屬于T i N的譜峰，結(jié)合E D S分析（圖3）可判斷存在T i。此外，譜圖中在2 θ為17.77°和31.52°處還存在著聚四氟乙烯的衍射峰（標(biāo)準(zhǔn)卡片為54-1595），其中2 θ為17.77°的衍射峰最強(qiáng)，表明T i N膜層較薄，X射線可以穿透鍍膜到達(dá)基體聚合物聚四氟上。

圖4 TiN鍍層的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of the TiN coating on the PTFE surface

3 結(jié)論

采用電弧離子鍍工藝成功地在聚四氟乙烯表面制備了T i N鍍層，且膜層表面粗糙度，有望增加聚四氟乙烯的粘結(jié)問題。鍍層具有黃色金屬光澤，在S E M下觀察，鍍膜由2～4 μm的顆粒組成，分布不均勻，有明顯凹坑，部分顆粒呈現(xiàn)白色。X R D和E D S分析表明：T i N膜中含有一定的T i成分。

［1］王志超,寇開昌,趙清新,等.聚四氟乙烯表面改性的研究進(jìn)展［J］.中國膠粘劑,2009,18（9）：47～51.

［2］劉際偉,高曉敏,馮敏.聚四氟乙烯射頻等離子體表面改性研究［J］.表面技術(shù),1996,29：6872～6879.

［3］何翔,孫奉婁,周武慶.交流脈沖等離子體改性聚四氟乙烯的XPS 研究［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報,2008,26（4）：571～573.

［4］劉紅霞,陳杰瘩.氬等離子體后輝光區(qū)對聚四氟乙烯膜表面的優(yōu)化改性［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,2009,30（6）：1199～1204.

［5］董高峰.聚四氟乙烯的表面處理與粘結(jié)［J］.腐蝕與防護(hù),2006,27（5）：259～262.

［6］張麗惠,陳久存,陳亞芍.等離子體紫外接枝對聚四氟乙烯表面改性的研究［J］.塑料工業(yè),2006,34（1）：4～6.

［7］滿寶元,張運(yùn)海,呂國華,等.N+離子注入聚四氟乙烯表面改性研究［J］.物理學(xué)報,2005,54（2）：837～841.

［8］袁海根,曾金芳,楊杰.聚四氟乙烯改性研究進(jìn)展［J］.塑料工業(yè),2004,（8）：7～10.

［9］陳冰,朱友水,王紅衛(wèi).低溫等離子體在聚四氟乙烯改性中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2006,27（4）：26～28.

［10］白秀琴,李健,嚴(yán)新平,等.真空鍍膜技術(shù)在塑料表面金屬化上的應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版,2005,29（6）：947～950.

Microstructure Characterization of Ion Plating Coating on PTFE

GAO Jing-long,WANG An-shu,LIU Yan-hui and JIN Guang
（College of Material Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China）

Surface modification of polytetrafluoroethylene was studied and TiN coating was fabricated on polytetrafluoroethylene （PTFE）by ion plating method.The morphology,structure,composition and contents of TiN films had been characterized with scanning electron micrograph（SEM）,the x-ray diffraction（XRD）and energy diffraction spectrum（EDS）.The results showed that the coating had yellow metallic reflections.The SEM revealed that the TiN coating consisted of particles with a diameter of 2～4μm and white particles were not distributed throughout the films.The coating was pitted with subsidence holes.The XRD and EDS analysis indicated that the coating prepared on PTFE surface contained Ti composition.There was evident increase in the surface roughness of PTFE after the treatment.Coating processing did not lead to change of crystal structural approach and order of PTFE.

PMMA;ion plating coating;microstructure;surface modification

T Q325.4

A

1001-0017（2012）06-0033-03

2012-07-17

高景龍（1975-），男，山東蓬萊人，工程師，主要從事表面處理及廢水處理方面的研究。