聚四氟乙烯阀门的表面处理
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聚四氟乙烯( PTFE) ,具有相当优异的化学稳定性、电绝缘性、自润滑性、不燃性、耐大气老化性和高低温适应性能,并且具有较高的机械强度,是一种综合性能优良的军民两用工程塑料。但是,由于聚四氟乙烯材料润湿性能差,不能很好的被粘接,从而限制了使用。为了使PTFE 有更宽更广的应用,必须对PTFE 的表面进行处理,提高它的粘接强度。
特点和用途:
本品也叫铁氟龙表面处理剂，具有较长的贮存期和使用期，对聚四氟乙烯塑料表面的处理效果不低于一般钠——萘处理剂，处理后的聚四氟乙烯可用环氧等一般胶粘剂胶接，并可获得较高的胶接强度。本品可用与聚四氟乙烯管材、板材、薄膜及填充聚四氟乙烯等的表面处理，由于本品使用期较长，并有一定的稠度，很适于聚四氟乙烯部件的局部处理。
主要性能外观：
黑色糊状物剪切强度：9.8Mpa处理后的聚四氟乙烯薄膜表面电阻：与未处理膜相比降低1——2次方。贮存期（密封保存）1年以上。处理后的聚四氟乙烯表面不耐紫外光照射，在强紫外光照射下，会失去处理效果。因此，处理后的聚四氟乙烯如不及时胶接，应避光保存。 使用方法:
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,波纹管减压阀,活塞式减压阀,蒸汽减压阀,先导式减压阀,空气减压阀,氮气减压阀,水用减压阀,自力式减压阀,比例减压阀)、安全阀、保温阀、低温阀、球阀、截止阀、闸阀、止回阀、蝶阀、过滤器、放料阀、隔膜阀、旋塞阀、柱塞阀、平衡阀、调节阀、疏水阀、管夹阀、排污阀、排气阀、排泥阀、气动阀门、电动阀门、高压阀门、中压阀门、低压阀门、水力控制阀、真空阀门、衬胶阀门、衬氟阀门。用棉花沾丙酮将予处理的聚四氟乙烯表面擦洗干净、晾干，然后用玻璃棒将处理剂搅匀。小面积处理时，用玻璃棒沾适量的处理剂平放于待处理塑料表面上，转动玻璃棒，使棒上的处理剂均匀地涂到塑料表面上；刷涂时，要用聚乙烯刷（不得用一般毛刷），并要朝一个方向刷，不可回刷，处理剂厚度应控制在0.5毫米左右。对于小塑料件，如果允许整个处理，可将部件浸于处理剂中，用这种方法处理的聚四氟乙烯，表面颜色均匀，效果好。以上各种处理方法，处理时间均为1——5分钟，处理后，先用丙酮洗去聚四氟乙烯表面上的处理剂残渣，在用水清洗干净，干燥（室内阴干，不可室外紫外光照射）后即可胶接。废处理剂经少量乙醇处理，使其*失去黑色，方可倒掉，大量使用处理剂时，其残渣要经酸中和至中性，然后倒掉。
包装、贮存和运输1、本品装于密闭瓶中，贮存于阴凉、远离火源和水源处。2、本品有强烈的腐蚀性，使用时应戴好防护眼镜和胶皮手套，一旦皮肤接触处理剂，应立即用水冲洗干净。3、本品包装瓶开盖后，瓶口密封圈易破损，失去密封作用，因此要在短期内将处理剂用完，否则应检查瓶口妥善密封。
PTFE之所以难粘,主要有下面几个原因 :*表面能低,临界表面张力一般只有31～34 达因/厘米。由于表面能低,接触角大,胶粘剂不能充分润湿PTFE ,从而不能很好粘附在PTFE 上;第二结晶度大,化学稳定性好,PTFE 的溶胀和溶解都要比非结晶高分子困难,当胶粘剂涂在PTFE 表面,很难发生高聚物分子链成链域互相扩散和缠结,不能形成较强的粘附力;第三PTFE 结构高度对称,也是属于非极性高分子。而胶粘剂吸附在PTFE 表面是由范德华力(分子间作用力) 所引起的,范德华力包括取向力、诱导力和色散力。对于非极性高分子材料表面,不具备形成取向力和诱导力的条件,而只能形成较弱的色散力,因而粘附性能较差。
基于上述认识,在一般情况下,为了解决PTFE 难以粘接的问题,人们主要从表面改性和新型胶粘剂的合成出发。
2.1、钠—萘络合物化学处理
化学法处理含氟材料,主要是通过腐蚀液与PTFE塑料发生化学反应,扯掉表面上的部分氟原子,这样就在表面留下了碳化层和某些极性基团。红外光谱表明,表面引入了羟基、羰基和不饱和键等极性基团。这些基团能使表面能增大,接触角变小,浸润性提高,由难粘变为可粘。这是目前研究的种种方法中效果较好,比较经典的方法。但也存在一些缺点,比如:被粘物质表面变暗或变黑,在高温环境下表面电阻降低,暴露在光照下胶接性能将大大下降,使得此法的应用受到很大的限制。一般用钠萘四氢呋喃作为腐蚀液。也可用钠联苯二氧六环、钠萘二醇二甲醚等作为腐蚀液。钠萘溶液可采用真空技术网前文提供的方法制备。
2.2、高温熔融法
其原理是:在高温下,使PTFE 表面的结晶形态发生变化,嵌入一些表面能高、易粘合的物质如SiO1 、Al粉等。这样冷却后就会在表面形成一层嵌有可粘物质的改性层。由于易粘物质的分子已进入PTFE 表层分子中,破坏它相当于分子间破坏,所以粘接强度很高。不足之处是在高温烧结时PTFE 放出一种有毒物质。
2.3、辐射接枝法
该法需要有Co60的能源,把PTFE 置于苯乙烯、反丁二烯、甲基丙烯酸酯等可聚合的单体中,以Co60辐射使单体在PTFE 表面发生化学接枝聚合,从而使PTFE表面形成一层易于粘接的接枝聚合物。不足之处是使PTFE 失去原有的光滑感和光泽。
2.4、低温等离子体技术
低温等离子体是指低气压放电(辉光、电晕、高频、微波) 产生的电离气体,在电场作用下,气体中的自由电子从电场中获得能量,成为高能电子,这些高能量电子与气体中的分子、原子碰撞,如果电子的能量大于分子或原子的激发能,就会产生激发分子和激发原子、自由基、离子和具有不同能量的射线。低湿等离子体中的活性粒子具有的能量一般接近或超过碳碳或其它含碳键的键能,因而能与导入系统的气体或固体表面发生化学或物理的相互作用。如采用反应型的等离子体,可能与高分子表面发生化学反应,引入大量的含氧基团,改变其表面活性,即使采用非反应型Ar 等离子体,也可能通过表面交联和蚀刻作用引起的表面物理变化而明显的改善聚合物的接触角和表面能。图1 所示为PTFE 经N2 等离子体处理后水接触角的变化情况。
图1 N2 等离子体处理PTFE 的处理时间与接触角的关系
刘学恕等人对低温等离子体处理氟塑料进行的研究工作 ,取得了很好的效果,处理后的氟塑料接触角平均降低20°～30°,粘接剪切强度提高2～10倍。Mesygts. G用20 和30Kev 的N+ 、O+ 、C+ 离子束,在5mA/ cm2 c. d. 条件注入处理PTFE ,其结果是PTFE表面对异氰酸酯、丙烯酰胺和环氧试剂产生活性,这种改变使它与胶粘剂的界面发生变化。处理后的PTFE与环氧粘合剂( ED220) 以多乙烯多胺为固化剂的粘接耐久性可提高100 倍。
2.5、近国外报道的处理方法
用ArF 作激光的激光器处理PTFE ,是目前国外采用的新方法,它的基本原理是用激光器照射某物质,使它与PTFE 表面发生反应。根据反应类型可分为以下几种:
2.5.1、基团反应
它的处理过程是:用ArF 激光器照射处在某气态物质氛围中的PTFE ,使该物质与PTFE 表面发生基团反应,这样就在PTFE 表面引进了易粘合的物质,改善了粘接性能。可根据PTFE 材料的不同用途,选择不同物质。例如:选择[B(CH3)3]3作反应物质,则改性后的表面是亲油性的,而选择NH3 、B2H6 、N2H4 (肼) 或H2O2 等做反应物质,则改性后的表面是亲水性的。用芳香族化合物对PTFE 改性, 可以大大提高粘接强度。此法的优点在于,可以根据需要对PTFE 表面进行有选择的改性,避免了萘-钠法的盲目性,这在实际应用中是非常有利的。此外,改性后的表面耐久性要比辐射法、用氧气的等离子体法好得多。人们已经成功的利用此法在处理过的表面镀上金属镍。
2.5.2、接枝反应
此法是在ArF 激光器的光引发下,PTFE 表面分子脱氟形成自由基,引发单体在其上聚合,形成接枝聚合物,接枝链是易粘接的物质,它是以化学键的形式与PTFE 分子相连并附着在PTFE 表面,形成一层该化学物质的表面层,这样就把PTFE 的粘接问题转化成该物质的粘接,简化了PTFE 的粘接。例如在ArF 激光器照射下,CH2 = CH2CON(CH2NH3) 2 可与PTFE 表面发生接枝聚合反应。改性后的PTFE 对水的接触角下降到20 度 。
2.5.3、其它形式
改善PTFE 的粘接性能也可以从成形过程入手,有报道称在PTFE 成形之前,向其中加入一种光吸收剂,烧结后再用紫外激光照射,不仅可改善润湿性,而且耐热、耐光照性能也大大得到了提高。改性后的PTFE 与钢板胶接,剥离强度可达到51.94N/ 25mm。
配位键理论认为PTFE 的大分子只有单纯的给电能力,对那些大多数只有单纯的给电能力而接受电子能力很弱的胶粘剂具有很强的排斥性,并且难以用这些物质在界面上生成配位键而产生有效的粘附作用。
因为配位键的形成既需要有提供电子对的一方,又需要有接受电子对的一方,二者缺一不可。PTFE 的难粘性是由被粘物和粘合剂双方共同决定的,并不是由PTFE 单方面决定的,即PTFE 对提供电子对的物质表现难粘性,对提供空电子轨道的物质就会形成牢固的粘接,也可以和某些能形成较强氢键的物质形成牢固的粘合,即该物质必须能够为氟原子提供有效的可形成氢键的氢原子。表面改性剂就是基于以上的机理,提高粘接性能的。到目前为止的有KH2550、A151、防水3号、南大242 号和BGJ3 号等。其中以BGJ3 号的表面改性的效果。表1 为水在PTFE 改性表面上的润湿角。
表1 水在PTFE 改性表面上的润湿角
从上表可以看出BGJ3 号的表面改性的效果。表面改性剂BGJ3 号的制备如下:把硼酸(B (HO) 3)与KH2550 (γ2氨丙基乙氧基硅烷) 按1∶10 的比例熔于一定量的乙醇中,加热,搅拌,并在回流条件下制得。BGJ3 号同时具有含硼基团的含氨基团的化合物,含硼基团可提供空轨道,与提供未共同电子对的氟原子形成配位键,这样既可以在PTFE 表面发生配位键合,又能与粘接剂分子形成配位键,因此其改性*,具有较高的粘接强度。
国外还有一种用于PTFE 表面改性的试剂是由四氟硼酸溶液,在镁阳极存在下电解形成,该含镁试剂与PTFE 反应,形成一个含有碳碳双键、羰基、羟基、羧基的多官能团表面,这些官能团使PTFE 表面的亲水性更佳,从而改变了PTFE 的表面性质。
4、新型粘接剂
用于PTFE 塑料粘接的粘接剂主要有两类:无氟粘接剂和含氟粘接剂。无氟粘接剂有粘接效果不太理想的聚丙烯酸酯类粘接剂和环氧树脂类粘接剂,以及粘接效果较好的硅树脂类粘接剂如国产的F-4S ,F-4D ,FS 等牌号。含氟粘接剂是由偏氟乙烯类聚合物制备的溶剂型粘接剂如国产的F-2 ,F-3 ,FN 等牌号和美国RAYCHEM 公司生产的氟树脂粘接剂等。下面介绍几种性能优良的粘接剂。
4.1、J-2012 型环氧树脂粘剂
J -2012 为双组分,无溶剂改性环氧树脂粘接剂,可室温或加热固化,不仅适用于氟塑料与金属,还适用于金属与金属与其它非金属材料的粘接与修补。
表2 J-2012 胶粘剂配方及固化性能
4.2、含氟聚合物F 粘接剂
因为一般的含氟聚合物不具有熔溶性,在高温下也不能熔融产生流动,难以满足作为粘接剂所必须具备的流动性。只有偏氟乙烯类聚合物具有一定的溶解性。在F 粘接剂中,选择偏氟乙烯—全氟丙烯共聚物作为粘接剂的主体材料。它的配方(质量份) 如下:
低分子量偏氟乙烯-全氟丙烯共聚物100
氧化镁15
对苯二酚4
丙酮与乙酸乙酯混合溶剂300
其它18用F 粘接剂粘接PTFE 和不锈钢,可获得较高的粘接强度,并具有优异的耐热性能和耐油性能。
4.3、其它的粘接剂
例如日本‹ } ¯“仆"工业生产的一种粘接剂可用于粘合铝板的PTFE ,粘接强度很高 。它的配方是:由100 份C2Cl3 -环己烯基醚-乙基乙烯基醚-羟丁基乙烯基醚共聚体和0.5 份铝螯合物组成。还有一种可以粘接PTFE 和脱脂的光滑铝面的粘接剂 ,它是由工业聚酰胺-亚胺树脂、二甲氨基乙醇和水的混合物组成的,能形成强的粘合。
5、结语
PTFE表面改性剂的研究是PTFE 表面预处理方法中研究动向,也是提高粘接强度的有用的方法。人们有可能依靠适当的分子设计,获得更率的表面改性剂。
综上所述,各种处理方法都是要改善表面活性,降低接触角,提高表面能。新型粘接剂也是根据相容性原理制得。所以只有系统掌握,灵活运用,才能真正提高PTFE 的粘接强度。与本文相关的论文有：中国阀门产值递增
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