张鹏，刘文武，韦克俭，张高明，毛超仁

（浙江巨化股份有限公司氟聚合物事业部，浙江 衢州 324004）

0 引言

由于聚四氟乙烯（PTFE）具有耐化学、耐高温等一系列优异的特性，使其能广泛应用于人们的日常生活中。但其极低的表面张力（约为18 mN/m）[1]，较差的润湿性能（接触角约为 114°）[2]，使得其制品很难与其它物品进行粘结，限制了其在应用方面的发展。随着人们对PTFE认识的不断深化，研究学者对于改善PTFE制品表面的粘结性能提出了多种方法，包括化学处理、等离子表面改性、高能辐射改性以及高温熔融等[3-8]，这些方法对于进一步拓宽PTFE的应用领域起着重大的推动作用。其中，化学处理是改善PTFE板材表面粘结性能应用最为广泛的一种。本文以PTFE板材表面的化学处理为基础，模拟PTFE板材在铁（钢）制容器中衬里方面的应用，探讨PTFE板材与铁片粘结过程中，粘结强度的影响因素。以此来对PTFE板材表面粘结性能的系统性研究进行浅显的补充，对PTFE的应用拓展增加理论上的参考。

1 试验部分

PTFE板材表面经过化学处理的方式按还原剂的不同主要分为两类：萘钠处理和氨钠处理[1]。化学处理PTFE板材表面的原理是：钠的最外层电子转移到萘或氨的空轨道上，与钠离子形成具有很高反应活性的自由基，在与PTFE板材表面接触时打断C-F键，将PTFE表面的氟原子脱去，留下具有较高表面能的碳层，从而形成可粘结性的表面[9]。

1.1 试验原料

分别经过萘钠处理和氨钠处理的PTFE板材（板材厚度：3 mm），板材来自于浙江某公司。铁片（200 mm×50 mm×5 mm）经过喷砂处理，确认铁片表面具有足够的粗糙度，无脱砂现象。外购胶粘剂（主要成分为氯丁橡胶，下文均以氯丁橡胶表示胶粘剂）及其溶剂（主要成分为二甲苯，下文均以二甲苯表示溶剂）。

1.2 样品制备

分别将萘钠与氨钠处理的PTFE板材裁剪成300 mm×30 mm×3 mm的试验样本，氯丁橡胶与二甲苯分别按照2∶1、1∶1以及1∶2的比例配制成不同浓度的胶粘剂溶液，分别将不同浓度的胶粘剂溶液均匀地涂覆在PTFE板材及铁片上，根据胶粘剂溶液地干燥速度以及PTFE板材和铁片上胶粘剂的厚度要求 （胶粘剂厚度要求达到0.5 mm），需进行2～3次涂覆，每次涂覆间隔8 h以上。待所有PTFE板材与铁片的胶粘剂溶液彻底干燥后，将板材与涂覆相同浓度胶粘剂溶液的铁片贴合后进行硫化处理，硫化温度与压力保持一致，硫化时间分别为 2 h、4 h、8 h、24 h。

1.3 性能测试

PTFE板材与铁片间的粘结强度主要通过拉伸使PTFE板材与铁片间进行剥离来体现 （剥离强度远小于板材的拉伸强度，在此忽略板材拉伸的影响），拉伸试验如图1所示。在本试验中，主要分析板材表面化学处理方式的不同、胶粘剂溶液浓度的不同以及硫化时间的不同对于粘结性能的影响。此外，使用温度对粘结性能影响的程度也作为探讨的依据。

图1 PTFE板材与铁片粘结强度的拉伸试验Figure 1 Tensile test of bonding strength between PTFE sheet and iron piece

2 结果与讨论

2.1 化学处理方式不同对于粘结性能的影响

化学处理方式的不同，得到的PTFE板材色泽具有明显的差异：萘钠处理后的PTFE板材表面呈棕色，氨钠处理后的PTFE板材表面呈银灰色[1]。以化学处理方式的不同作为探讨对象，胶粘剂溶液中氯丁橡胶与二甲苯的比例为2∶1，其它试验条件均保持一致，试验结果如图2所示。

图2 化学处理方式对于粘结性能的影响Figure 2 The chemical treatment effects on boding strength

由图2可知，氨钠处理得到的PTFE板材与铁片的粘结强度大于萘钠处理所对应的结果。这可能是由于氨钠处理的PTFE板材表面碳化层具有更高的内聚能或更多的极性基团，这样PTFE板材表面在与胶粘剂的接触中，单位面积上的相互作用将会更强。

2.2 胶粘剂溶液浓度对于粘结性能的影响

由以上结果可知：在相同的胶粘剂溶液浓度条件下，氨钠处理得到的粘结强度要好于萘钠处理，因此，在后续的探讨试验中，均以氨钠处理作为分析前提。氯丁橡胶与二甲苯的配比分别为 2∶1、1∶1 以及 1∶2，胶粘剂溶液浓度依次降低。将胶粘剂溶液浓度的变化作为探讨对象，其它试验条件保持一致，试验结果如图3所示。

图3 胶粘剂溶液浓度对于粘结性能的影响Figure 3 The effect of adhesive solution concentration on adhesive properties

由图3可知，当氯丁橡胶与二甲苯的浓度为2∶1，胶粘剂溶液浓度最高时，PTFE板材与铁片的粘结强度最大，粘结性能最好。而当氯丁橡胶与二甲苯的浓度为1∶2，胶粘剂溶液浓度最低时，PTFE板材与铁片的粘结强度最小，粘结性能最差。这说明粘结强度随着胶粘剂溶液浓度的降低而减小。试验现象对于胶粘剂溶液浓度与粘结强度之间的关系也有一定程度的反馈：在PTFE板材或铁片上涂覆较低浓度的胶粘剂溶液，干燥后单位体积胶粘剂层上的孔隙率，要远多于应用高浓度胶粘剂溶液所对应的结果，这说明涂覆低浓度的胶粘剂溶液在溶剂挥发的过程中致使胶粘剂有一定程度的分层。这必然会对后续硫化试验造成一定的影响，进而影响粘结性能。粘结强度随着胶粘剂溶液浓度的上升而增大，而当溶液中氯丁橡胶与二甲苯的比例大于2∶1时，涂覆在PTFE板材或铁片上的胶粘剂溶液无法流动，不能形成均匀涂覆的效果，会造成拉伸试验中部分位置出现粘结强度突然大幅下降的现象，影响整体的粘结性能。

2.3 硫化时间对于粘结性能的影响

硫化使得橡胶中线性高分子交联成为网状高分子，继而拉伸强度出现大幅度的增加。胶粘剂中橡胶的硫化是其产生强度的根本原因，硫化时间的长短必然会对橡胶中分子交联的程度产生影响。胶粘剂溶液中氯丁橡胶与二甲苯的比例为2∶1，其它试验条件均保持一致，分析硫化时间对粘结性能的影响，试验结果如图4所示。

图4 硫化时间对于粘结性能的影响Figure 4 The effect of vulcanization time on adhesive properties

由图4可知：硫化时间为2 h，粘结强度最大，随着硫化时间的延长，粘结强度逐渐降低，当硫化时间大于8 h，粘结强度几乎没有大的变化。这说明两小时已经使得胶粘剂中橡胶分子进行了充分的交联固化。而且，随着时间的延长，粘结强度降低，这可能是胶粘剂中橡胶出现了一定程度的老化，在长时间的高温条件下，橡胶发生了热裂解现象。而当橡胶老化对于粘结强度的影响达到一定阶段后，粘结强度的变化可以忽略。

2.4 使用温度对于粘结性能的影响

PTFE板材的衬里大多使用在极为严苛的条件下，如高温条件或者进行剧烈化学反应的塔釜等，这都要求在较高的温度条件下PTFE板材与铁片的粘结具有一定的强度。而使用温度的不同，必然会对粘结强度产生一定的影响。常温（25℃）以及100℃使用条件下，粘结强度的对比如图5所示。

图5 不同使用温度条件下粘结性能的对比Figure 5 Comparison of bonding performance under different temperature conditions.

从图5可以看出：相对于常温（25℃）时粘结强度，100℃时粘结强度下降幅度超过了40%。这是因为橡胶在高温下的拉伸强度远低于室温下的拉伸强度。高温下，分子已经有足够能量克服运动所需的势垒，分子运动使得分子柔性大大增加，更易滑动，如此在很大程度上降低了PTFE板材与铁片的粘结强度。这在很大程度上限制了PTFE的使用范围。如何在高温下保持优异的粘结性能是PTFE不断发展的方向之一。

3 结论

通过对PTFE板材与铁片粘结过程中粘结强度影响因素的探讨，得出以下几点。

①在PTFE板材表面进行化学处理的不同方式中，氨钠处理得到的PTFE板材表面具有更好的粘结性能。

②使用不同浓度的胶粘剂溶液所得到的粘结强度不同，粘结强度随着胶粘剂溶液浓度的上升而增大，但均匀的涂覆是胶粘剂溶液使用的必要条件。

③随着硫化时间的延长，PTFE板材与铁片的粘结强度逐渐降低，最后几乎不变，这可能是橡胶出现一定程度的老化所致。

④相对于25℃的使用温度，100℃时PTFE板材与铁片的粘结强度下降超过40%，高温条件下具有良好的粘结性能将是PTFE发展的方向之一。