關于PTFE板材與鐵片粘結強度影響因素的探討

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部，浙江 衢州 324004）

0 引言

由于聚四氟乙烯（PTFE）具有耐化學、耐高溫等一系列優異的特性，使其能廣泛應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]，較差的潤濕性能（接觸角約為 114°）[2]，使得其制品很難與其它物品進行粘結，限制了其在應用方面的發展。隨著人們對PTFE認識的不斷深化，研究學者對于改善PTFE制品表面的粘結性能提出了多種方法，包括化學處理、等離子表面改性、高能輻射改性以及高溫熔融等[3-8]，這些方法對于進一步拓寬PTFE的應用領域起著重大的推動作用。其中，化學處理是改善PTFE板材表面粘結性能應用最為廣泛的一種。本文以PTFE板材表面的化學處理為基礎，模擬PTFE板材在鐵（鋼）制容器中襯里方面的應用，探討PTFE板材與鐵片粘結過程中，粘結強度的影響因素。以此來對PTFE板材表面粘結性能的系統性研究進行淺顯的補充，對PTFE的應用拓展增加理論上的參考。

1 試驗部分

PTFE板材表面經過化學處理的方式按還原劑的不同主要分為兩類：萘鈉處理和氨鈉處理[1]。化學處理PTFE板材表面的原理是：鈉的最外層電子轉移到萘或氨的空軌道上，與鈉離子形成具有很高反應活性的自由基，在與PTFE板材表面接觸時打斷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，從而形成可粘結性的表面[9]。

1.1 試驗原料

分別經過萘鈉處理和氨鈉處理的PTFE板材（板材厚度：3 mm），板材來自于浙江某公司。鐵片（200 mm×50 mm×5 mm）經過噴砂處理，確認鐵片表面具有足夠的粗糙度，無脫砂現象。外購膠粘劑（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 （膠粘劑厚度要求達到0.5 mm），需進行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行硫化處理，硫化溫度與壓力保持一致，硫化時間分別為 2 h、4 h、8 h、24 h。

1.3 性能測試

PTFE板材與鐵片間的粘結強度主要通過拉伸使PTFE板材與鐵片間進行剝離來體現 （剝離強度遠小于板材的拉伸強度，在此忽略板材拉伸的影響），拉伸試驗如圖1所示。在本試驗中，主要分析板材表面化學處理方式的不同、膠粘劑溶液濃度的不同以及硫化時間的不同對于粘結性能的影響。此外，使用溫度對粘結性能影響的程度也作為探討的依據。

圖1 PTFE板材與鐵片粘結強度的拉伸試驗Figure 1 Tensile test of bonding strength between PTFE sheet and iron piece

2 結果與討論

2.1 化學處理方式不同對于粘結性能的影響

化學處理方式的不同，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]。以化學處理方式的不同作為探討對象，膠粘劑溶液中氯丁橡膠與二甲苯的比例為2∶1，其它試驗條件均保持一致，試驗結果如圖2所示。

圖2 化學處理方式對于粘結性能的影響Figure 2 The chemical treatment effects on boding strength

由圖2可知，氨鈉處理得到的PTFE板材與鐵片的粘結強度大于萘鈉處理所對應的結果。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聚能或更多的極性基團，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更強。

2.2 膠粘劑溶液濃度對于粘結性能的影響

由以上結果可知：在相同的膠粘劑溶液濃度條件下，氨鈉處理得到的粘結強度要好于萘鈉處理，因此，在后續的探討試驗中，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象，其它試驗條件保持一致，試驗結果如圖3所示。

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

由圖3可知，當氯丁橡膠與二甲苯的濃度為2∶1，膠粘劑溶液濃度最高時，PTFE板材與鐵片的粘結強度最大，粘結性能最好。而當氯丁橡膠與二甲苯的濃度為1∶2，膠粘劑溶液濃度最低時，PTFE板材與鐵片的粘結強度最小，粘結性能最差。這說明粘結強度隨著膠粘劑溶液濃度的降低而減小。試驗現象對于膠粘劑溶液濃度與粘結強度之間的關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，要遠多于應用高濃度膠粘劑溶液所對應的結果，這說明涂覆低濃度的膠粘劑溶液在溶劑揮發的過程中致使膠粘劑有一定程度的分層。這必然會對后續硫化試驗造成一定的影響，進而影響粘結性能。粘結強度隨著膠粘劑溶液濃度的上升而增大，而當溶液中氯丁橡膠與二甲苯的比例大于2∶1時，涂覆在PTFE板材或鐵片上的膠粘劑溶液無法流動，不能形成均勻涂覆的效果，會造成拉伸試驗中部分位置出現粘結強度突然大幅下降的現象，影響整體的粘結性能。

2.3 硫化時間對于粘結性能的影響

硫化使得橡膠中線性高分子交聯成為網狀高分子，繼而拉伸強度出現大幅度的增加。膠粘劑中橡膠的硫化是其產生強度的根本原因，硫化時間的長短必然會對橡膠中分子交聯的程度產生影響。膠粘劑溶液中氯丁橡膠與二甲苯的比例為2∶1，其它試驗條件均保持一致，分析硫化時間對粘結性能的影響，試驗結果如圖4所示。

圖4 硫化時間對于粘結性能的影響Figure 4 The effect of vulcanization time on adhesive properties

由圖4可知：硫化時間為2 h，粘結強度最大，隨著硫化時間的延長，粘結強度逐漸降低，當硫化時間大于8 h，粘結強度幾乎沒有大的變化。這說明兩小時已經使得膠粘劑中橡膠分子進行了充分的交聯固化。而且，隨著時間的延長，粘結強度降低，這可能是膠粘劑中橡膠出現了一定程度的老化，在長時間的高溫條件下，橡膠發生了熱裂解現象。而當橡膠老化對于粘結強度的影響達到一定階段后，粘結強度的變化可以忽略。

2.4 使用溫度對于粘結性能的影響

PTFE板材的襯里大多使用在極為嚴苛的條件下，如高溫條件或者進行劇烈化學反應的塔釜等，這都要求在較高的溫度條件下PTFE板材與鐵片的粘結具有一定的強度。而使用溫度的不同，必然會對粘結強度產生一定的影響。常溫（25℃）以及100℃使用條件下，粘結強度的對比如圖5所示。

圖5 不同使用溫度條件下粘結性能的對比Figure 5 Comparison of bonding performance under different temperature conditions.

從圖5可以看出：相對于常溫（25℃）時粘結強度，100℃時粘結強度下降幅度超過了40%。這是因為橡膠在高溫下的拉伸強度遠低于室溫下的拉伸強度。高溫下，分子已經有足夠能量克服運動所需的勢壘，分子運動使得分子柔性大大增加，更易滑動，如此在很大程度上降低了PTFE板材與鐵片的粘結強度。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異的粘結性能是PTFE不斷發展的方向之一。

3 結論

通過對PTFE板材與鐵片粘結過程中粘結強度影響因素的探討，得出以下幾點。

①在PTFE板材表面進行化學處理的不同方式中，氨鈉處理得到的PTFE板材表面具有更好的粘結性能。

②使用不同濃度的膠粘劑溶液所得到的粘結強度不同，粘結強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隨著硫化時間的延長，PTFE板材與鐵片的粘結強度逐漸降低，最后幾乎不變，這可能是橡膠出現一定程度的老化所致。

④相對于25℃的使用溫度，100℃時PTFE板材與鐵片的粘結強度下降超過40%，高溫條件下具有良好的粘結性能將是PTFE發展的方向之一。