A. 靶材的國標有哪些
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B. 請問聚四氟乙稀之間用什麼東西粘合
聚四氟乙烯表面處理與粘接
董高峰 劉繼東
(巨化工程有限公司儀表廠,衢州 324004) (中國神馬實業股份有限公司電儀廠,平頂山 467000)
摘要 分析聚四氟乙烯(PTFE)難粘接的原因,介紹化學處理法,高溫熔融法,輻射接枝法,低溫等離子體處理法
等PTFE常用的表面處理方法,以及PTFE常用的表面改性劑和粘接性能優良的新型PTFE粘接劑.
關鍵詞 聚四氟乙烯 表面處理 表面改性劑 粘接性能 粘接劑
聚四氟乙烯(PTFE)具有優異的化學穩定性,電絕緣性,
自潤滑性,不可燃性,耐老化性,高低溫適應性和耐化學腐蝕
性能,並且具有較高的力學性能,是一種綜合性能優良的軍
民兩用工程塑料.但是,由於PTFE表面潤濕性能差,不能被
很好地粘接,因而大大限制了它的使用范圍.為了使PTFE
有更廣泛的應用,對其表面進行處理,以改善粘接性能,提高
粘接強度很有必要.
1 PTFE難粘接的原因分析
PTFE之所以難粘接,從它的物理性質上分析,主要有以
下幾個方面的原因[1]:
(1)表面能低,臨界表面張力一般只有1.85×10-2N/
m.PTFE的前進接觸角(θd)為118°,後退接觸角(θr)為
91°,接觸角(θ)為104°,是所有材料中最大的,而接觸角越
大,潤濕程度越小,即潤濕性越差,膠粘劑不能充分潤濕
PTFE,從而不能很好地粘附在PTFE上;
(2)結晶度大,化學穩定性好.PTFE的溶脹和溶解都
要比非結晶高分子困難,膠粘劑塗在PTFE表面很難發生高
聚物分子鏈的互相擴散和纏結,不能形成較強的粘附力;
(3)PTFE結構高度對稱,且屬於非極性高分子.膠粘
劑吸附在PTFE表面是由分子間的作用力引起的,這種作用
力包括取向力,誘導力和色散力.而PTFE非極性表面不具
備形成取向力和誘導力的條件,只能形成較弱的色散力,因
而其粘附性能較差;
(4)PTFE的溶解度參數很小,因而與其它物質的粘附
性也很小.
因此,要解決PTFE難於粘接的問題,一般應從表面改
性以改善其粘接性能和研製新型粘接劑兩個方面入手.
2 PTFE表面處理方法[2]
2.1 化學處理法
化學處理含氟材料,主要是通過腐蝕液與PTFE發生化
學反應,扯掉材料表面上的部分氟原子,在表面留下碳化層
和某些極性基團.紅外光譜表明,在PTFE表面引入羥基,
羰基和不飽和鍵等極性基團,能使表面能增大,接觸角變小,
潤濕性提高,由難粘變為可粘.這是目前研究的所有表面處
理方法中效果較好,也較常用的方法.但也存在一些缺點:
被粘物質表面變暗或發黑,在高溫環境下表面電阻降低,長
期暴露在光照環境下其粘接性能大大降低.這些缺點使得
此法的應用受到很大的限制.一般用鈉萘四氫呋喃作為腐
蝕液,也可用鈉聯苯二氧六環,鈉萘二醇二甲醚等作為腐蝕
液.另外,該法不能根據需要對PTFE表面進行有選擇的改
性,具有一定的盲目性,這在實際應用中是非常不利的.
2.2 高溫熔融法
高溫熔融法是在高溫下使PTFE表面的結晶形態發生
變化,嵌入一些表面能高,易粘接的物質如SiO2,Al粉等,冷
卻後就會在PTFE表面形成一層嵌有易粘物質的改性層.
由於易粘物質的分子已進入PTFE表層分子中,所以粘接強
度很高.此法的優點是耐候性,耐濕熱性比其它方法顯著,
適於長期戶外使用.不足之處是在高溫燒結時PTFE會釋
放出一種有毒物質全氟異丁烯,而且不易保持形狀.
2.3 輻射接枝法
把PTFE置於苯乙烯,反丁烯二酸,甲基丙烯酸酯等可
聚合的單體中,以60Co輻射使單體在PTFE表面發生化學接
枝聚合,從而在PTFE表面形成一層易於粘接的接枝聚合
物.接枝後表面變粗糙,粘接表面積增大,粘接強度提高.
這種方法的優點是操作簡單,處理時間短,速度快,但改性後
的PTFE表面失去原有的光滑感和光澤,且60Co輻射源對人
體傷害較大.
2.4 低溫等離子體處理法
低溫等離子體是指低氣壓放電(輝光,電暈,高頻,微
波)產生的電離氣體.在電場作用下,氣體中的自由電子從
電場中獲得能量成為高能電子,這些高能量電子與氣體中的
原子,分子碰撞,如果電子的能量大於分子或原子的激發能,
就能產生激發分子和激發原子,自由基,離子以及具有不同
能量的射線.低溫等離子體中的活性粒子具有的能量一般
接近或超過碳—碳鍵或其它含碳鍵的鍵能,因而能與導入系
統的氣體或固體表面發生化學或物理的相互作用.如果采
用反應型的氧等離子體,則能與高分子表面發生化學反應而
引入大量的含氧基團,使表面分子鏈產生極性,表面張力明
顯提高,表面活性改變.即使採用非反應型的Ar等離子體,
也能通過表面的交聯和蝕刻作用引起的表面物理變化而明
顯地改善聚合物表面的接觸角和表面能.圖1為PTFE經
N2等離子體處理後水接觸角的變化情況.
收稿日期:2005207216
16董高峰,等:聚四氟乙烯表面處理與粘接
圖1 N2等離子體處理PTFE的時間與接觸角的關系
劉學恕[3]對低溫等離子體處理氟塑料進行了長期的研
究工作,取得了很好的效果,處理後的氟塑料接觸角平均降
低20°～30°,粘接剪切強度提高2～10倍.G.Mesygts[4]用
20keV和30keV的N+,O+,C+離子束,在一定條件下處理
PTFE,其結果是PTFE表面對異氰酸酯,丙烯醯胺和環氧試
劑產生活性,這種改變使它與膠粘劑的界面發生變化.處理
後的PTFE與以多乙烯多胺為固化劑的環氧粘合劑(ED-
20)粘接耐久性可提高100倍.
2.5 最近國外報道的處理方法
用ArF作激光的激光器處理PTFE,是目前國外採用的
新方法.它的基本原理是用激光器照射某物質,一方面可使
該物質與PTFE表面發生基團反應,引進易粘接的物質;另
一方面可使PTFE表面形成自由基,引發單體與其形成接枝
共聚物,達到改善粘接強度的目的.根據反應類型可分為基
團反應和接枝反應.
(1)基團反應
處理過程是用ArF激光器照射處在某氣態物質氛圍中
的PTFE,使該氣態物質與PTFE表面發生基團反應.可根
據PTFE的不同用途,選擇不同的反應物質進行改性.例
如,選擇[B(CH3)3]3作反應物質,改性後的表面是親油性
的,而選擇NH3,B2H6,N2H4(肼)或H2O2等作反應物質,改
性後的表面是親水性的[5].用芳香族化合物對PTFE改性,
可以大大提高其粘接強度.此法的優點是簡便,安全,還可
以根據實際需要對PTFE表面進行有選擇的改性,避免了化
學處理法的盲目性,這在實際應用中是非常有利的.此外,
改性後的PTFE表面耐久性要比輻射法,用N2的等離子體
法好得多.人們已經成功地利用此法在處理過的PTFE表
面上鍍金屬鎳.這一研究以日本都市大學Murhara教授領
導的研究小組最有代表性.
(2)接枝反應
在ArF激光器的引發下,PTFE表面分子脫氟形成自由
基,引發單體在其上聚合,形成接枝聚合物,接枝鏈是易粘接
的物質,它以化學鍵的形式與PTFE分子相連並附著在PTFE
表面,形成一層該化學物質的表面層,這樣就把PTFE的粘
接問題轉化成該物質的粘接,簡化了PTFE的粘接.例如在
ArF激光器照射下,CH2CHCON(CH2NH3)2可與
PTFE表面發生接枝聚合反應,改性後的PTFE對水的接觸角
下降到20°[5].
此外,有報道稱[6]改善PTFE的粘接性能也可以從成型
過程入手.在PTFE成型之前,向其中加入一種光吸收劑,
燒結後再用紫外激光照射,不僅可改善潤濕性,而且耐熱,耐
光照性能也得到大大提高.改性後的PTFE與鋼板粘接,剝
離強度可達到2.0776N/mm.
3 表面改性劑
配位鍵理論認為PTFE的大分子只有單純的給電能力,
對那些大多數只有單純的給電能力而接受電子能力很弱的
膠粘劑具有很強的排斥性,並且難以用這些物質在界面上生
成配位鍵而產生有效的粘附作用.因為配位鍵的形成既需
要有提供電子對的一方,又需要有接受電子對的一方,二者
缺一不可.PTFE的難粘性是由被粘物和粘接劑雙方共同決
定的,並不是由PTFE單方面決定的,PTFE對提供電子對的
物質表現出難粘性,對提供空電子軌道的物質就會形成牢固
的粘接,也可以和某些能形成較強氫鍵的物質形成牢固的粘
接,即該物質必須能夠為氟原子提供有效的可形成氫鍵的氫
原子.表面改性劑就是基於以上機理來提高粘接性能的.
到目前為止,PTFE的表面改性劑有KH-550,A151,防水3
號,南大-42號和BGJ3號等.其中以BGJ3號的表面改性
效果最好.表1為水在PTFE改性表面上的潤濕角.
表1 水在PTFE改性表面上的潤濕角
項目
表面改性劑
空白BGJ3號KH-550A151
防水
3號
南大-
42號
潤濕角(°)1104.524.53537.541
鋪展情況
不鋪展
不潤濕
迅速鋪展
充分潤濕
不鋪展
不潤濕
不鋪展
不潤濕
不鋪展
不潤濕
不鋪展
不潤濕
從表1可以看出,BGJ3號的表面改性效果最好.表面
改性劑BGJ3號是把硼酸與KH-550按1:10的比例溶於一
定量的乙醇中,加熱,攪拌,並在迴流條件下製得的[5].
BGJ3號同時具有含硼基團和含氨基團,含硼基團可提供空
軌道,與提供電子對的氟原子形成配位鍵,這樣既可以在
PTFE表面發生配位鍵合,又能與粘接劑分子形成配位鍵,因
此其改性效果顯著,具有較高的粘接強度.
國外還有一種用於PTFE表面改性的試劑[6],是由四氟
硼酸溶液在鎂陽極存在下電解形成的.該含鎂試劑與PTFE
反應,形成一個含有碳—碳雙鍵,羰基,羥基,羧基的多官能
團表面,這些官能團能使PTFE表面的親水性更佳,從而改
變了PTFE的表面性質.
4 新型粘接劑
用於PTFE粘接的粘接劑主要有兩類:無氟粘接劑和含
氟粘接劑.無氟粘接劑有粘接效果不太理想的聚丙烯酸酯
類粘接劑和環氧樹脂類粘接劑,以及粘接效果較好的硅樹脂
類粘接劑,如國產的F-4S,F-4D,FS等牌號.含氟粘接劑
是由偏二氟乙烯類聚合物制備的溶劑型粘接劑,如國產的F
-2,F-3,FN等牌號和美國Raychem公司生產的氟樹脂粘
接劑等.下面介紹幾種性能優良的粘接劑.
(1)J-2012型環氧樹脂粘接劑[7]
J-2012為雙組分,無溶劑改性環氧樹脂粘接劑,可室溫
26工程塑料應用2005年,第33卷,第9期
或加熱固化,不僅適用於氟塑料與金屬,還適用於金屬與其
它非金屬材料的粘接與修補.表2列出了J-2012膠粘劑
的配方及固化性能.
表2 J-2012膠粘劑配方及固化性能
膠粘劑配方
編號組分含量/份
固化時間/s
常溫40℃60℃80℃
剪切強
度/MPa
1#
環氧樹脂
增韌固化劑
硅烷偶聯劑
填料
補強劑
5.0
5.0
0.1
1.5
0.2
40641≥13.70
2#
環氧樹脂
固化劑
增韌劑
硅烷偶聯劑
固化促進劑
5.0
2.5
1.8
0.2
0.5
5112.50
注:1)粘接件為不銹鋼/PTFE/不銹鋼;
2)PTFE先經鈉-萘絡合物處理.
(2)含氟聚合物F粘接劑[8]
因為一般的含氟聚合物不具有熔溶性,在高溫下也不能
熔融產生流動,難以滿足作為粘接劑所必須具備的流動性.
只有偏二氟乙烯類聚合物具有一定的溶解性.在F粘接劑
中,選擇(偏二氟乙烯/全氟丙烯)共聚物作為粘接劑的主體
材料,其配方見表3.
用F粘接劑粘接PTFE和不銹鋼,可獲得較高的粘接強
度,並具有優異的耐熱性能和耐油性能.
(3)其它粘接劑
日本 }° '企業生產的一種粘接劑可以用於粘接
表3 F粘接劑配方
組分含量/份
低分子量(偏二氟乙烯/全氟丙烯)共聚物100
氧化鎂15
對苯二酚4
丙酮與乙酸乙酯混合溶劑300
其它18
PTFE和鋁板,粘接強度很高[6].它由100份(C2Cl3/環己烯
基醚/乙基己烯基醚/羥丁基己烯基醚)共聚體和0.5份鋁的
混合物組成.還有一種可以粘接PTFE和脫脂的光滑鋁面
的粘接劑[6],它由工業聚醯胺/亞胺樹脂,二甲氨基乙醇和水
的混合物組成,能形成強的粘接.
5 結語
PTFE表面改性劑的研究是PTFE表面處理方法中最新
的研究動向,也是提高粘接強度最有用的方法.人們有可能
依靠適當的分子設計,獲得更高效率的表面改性劑.
各種表面處理方法都是要改善表面活性,降低接觸角,
提高表面能.新型粘接劑也是根據相容性原理製得.所以
只有系統掌握,靈活運用,才能真正提高PTFE的粘接強度