利用CAT（離心粘結(jié)力測(cè)試）技術(shù)測(cè)定聚四氟乙烯涂層與基材的粘結(jié)強(qiáng)度

自從1938年被偶然發(fā)現(xiàn)以來(lái)，聚四氟乙烯（以下簡(jiǎn)稱PTFE）因其*的材料特性而得到廣泛應(yīng)用。它具有很高的化學(xué)抗性，可以在很大的溫度范圍內(nèi)使用，不易燃，具有良好的滑動(dòng)性能即低摩擦系數(shù)，等等。除了航空航天、計(jì)算機(jī)等行業(yè)外，PTFE還廣泛的用于密封，絕緣體，服裝，工業(yè)過(guò)濾(阻止特殊物質(zhì))，以及可見的應(yīng)用——不粘炊具。很多廚房用具都涂有PTFE，以提高其耐化學(xué)性、降低表面張力以獲得“不粘”的能力。因此，提高PTFE涂層和基材之間的粘結(jié)強(qiáng)度，以生產(chǎn)高品質(zhì)的耐用鍋具，對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，至關(guān)重要。

由于其低表面能和疏水特性，PTFE很難被粘合。為了實(shí)現(xiàn)粘合，需要對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理。

本文給出三個(gè)例子，一個(gè)是研究一種PTFE涂層紡織品，用于發(fā)電廠的除塵空氣過(guò)濾器；另外兩個(gè)是研究用于不粘鍋的PTFE涂層和金屬基材的粘結(jié)強(qiáng)度。采用CAT（Centrifugal Adhesion Testing 離心粘結(jié)力測(cè)試）技術(shù)測(cè)定斷裂強(qiáng)度，利用離心力產(chǎn)生測(cè)試載荷。

Figure 1

準(zhǔn)備樣品

樣品的準(zhǔn)備步驟在前文也有介紹，這里不再贅述，需要注意的是：

• 粘接測(cè)試基座與樣品之前，基座和樣品的粘附表面必須進(jìn)行預(yù)處理，保證粘結(jié)表面清潔。
• 要選擇粘結(jié)強(qiáng)度大于涂層與基材之間粘結(jié)強(qiáng)度的粘結(jié)劑。通過(guò)多次預(yù)測(cè)試，本次選用了一種氰基丙烯酸粘結(jié)劑和助粘劑結(jié)合的方式，先將助粘劑涂在PTFE涂層表面，再用粘結(jié)劑粘合涂層與測(cè)試基座。
• 按照所選粘結(jié)劑的要求進(jìn)行固化，本次采用室溫固化20小時(shí)。

測(cè)試

• 固化后，將樣品組件插入檢測(cè)模塊，多可將八個(gè)模塊簡(jiǎn)單地插在轉(zhuǎn)子上。
• 將采用組件的規(guī)格輸入到軟件SEPView中，不同測(cè)試基座的尺寸和質(zhì)量略有不同，本次使用的是帶有鋁質(zhì)適配接頭的銅質(zhì)測(cè)試基座，質(zhì)量約為17g，重心至轉(zhuǎn)軸距離約為70毫米。
• 然后對(duì)離心加速過(guò)程（載荷增加形式及上限）及測(cè)試持續(xù)時(shí)間進(jìn)行編程。
• 開始測(cè)試。
• 轉(zhuǎn)速會(huì)不斷增大，直至所有樣品斷裂（或者根據(jù)設(shè)定的停止條件），然后轉(zhuǎn)速不斷下降至停止?fàn)顟B(tài)，測(cè)試結(jié)束。

l 依照DIN EN ISO 10365-1995 粘合劑-主要失效模式的標(biāo)識(shí)，對(duì)失效模式進(jìn)行分析

實(shí)驗(yàn)分析

1. 基于兩種不同織物基材的PTFE涂層

實(shí)驗(yàn)用的樣品用于過(guò)濾裝置，樣品由一種織物基材組成，一邊是玻璃纖維，另一邊是針刺氈。兩種紡織品都已經(jīng)由制造商涂上聚四氟乙烯涂層。由于織物基材質(zhì)地柔軟，在織物背面粘附不銹鋼板，以避免樣品發(fā)生形變。兩個(gè)樣品的失效模式如圖2所示，左邊是玻璃纖維織物，右邊是針刺氈。可以看到，對(duì)于這兩種樣品，PTFE涂層已在整個(gè)粘結(jié)區(qū)域被剝離。

                                          Figure 2

圖3顯示了兩種不同樣品的測(cè)定強(qiáng)度。每一列代表八個(gè)樣本的平均值，誤差條顯示標(biāo)準(zhǔn)差

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)PTFE與剝離纖維織物的粘附強(qiáng)度高于針刺氈，對(duì)于這種現(xiàn)象的一種可能的解釋是:玻璃纖維的表面紋理(具有較高的粗糙度)，導(dǎo)致了較高的粘附強(qiáng)度。

• 鋁合金PTFE涂層——可行性測(cè)試

     本研究測(cè)試了用于煎鍋的金屬和 不粘涂層間的粘結(jié)強(qiáng)度。除了達(dá)成基本測(cè)試目標(biāo)，將涂

     層和基材分離外，還考慮了不同的結(jié)合面積的影響。

     表1下表展示了制備的樣品的面積以及使用的膠黏劑的量：

Table1

    如圖4所示，組1樣品(直徑7mm)平均強(qiáng)度約為5.8MPa，兩個(gè)離群值造成了較高的標(biāo)準(zhǔn)差

   （±1.7MPa），但是兩個(gè)異常樣品的失效模式和其他樣品相比并沒(méi)有明顯差異。組2樣本的

    均值相同，沒(méi)有異常值，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差(±0.4 MPa)要低很多。

Figure 4

    圖5所示的失效模式是從所有測(cè)試樣品中選取的一個(gè)代表，可以看出涂層本身發(fā)生了大片

    的斷裂，并沒(méi)有露出基材。即涂層與基材之間的粘結(jié)強(qiáng)度大于涂層自身的結(jié)構(gòu)

    強(qiáng)度。

Figure 5

3. 鋁合金PTFE涂層——比較三種不同的涂層系統(tǒng)

   研究了三種不同的家用平底鍋鋁基復(fù)合涂層的粘結(jié)性能:(1)雙層涂層;(2)四層石英微粒子

   涂層；;(3)四層石英微納米涂層。這些實(shí)驗(yàn)的主要目的是測(cè)試新的涂層技術(shù)，以提高粘結(jié)

   強(qiáng)度。

  樣品制備包括以下幾個(gè)步驟:割平底鍋、將每種類型的平底部分切割成20×20×7mm(圖6)、

  清洗表面、選擇粘合劑、粘接和固化。

Figure

  圖7 給出了斷裂時(shí)的載荷對(duì)比柱狀圖，

  首先，采用不同的膠粘劑對(duì)PTFE涂層預(yù)試，發(fā)現(xiàn)只使用有助粘劑和工業(yè)氰基丙烯酸酯粘合劑

  結(jié)合的方式才能達(dá)到良好的粘合效果。

                                    Figure7

圖8 所示為三種樣品失效模式的圖片：

                                Figure 8

  從圖8 還可以明顯看出，實(shí)際的斷裂面積與測(cè)試基座的面積不同。通過(guò)圖像分析得到了真實(shí)的分層區(qū)域，并用于計(jì)算涂層的粘附強(qiáng)度（單位MPa）。平均斷裂載荷、粘結(jié)強(qiáng)度、載荷與強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差見表2。

                                  Table 2

圖7和表2顯示了雙層PTFE涂層具有斷裂載荷。無(wú)論只添加石英微粒還是微粒和納米微粒的混合物，四層涂層似乎都不那么穩(wěn)定。

結(jié)論

   CAT技術(shù)已成功應(yīng)用于不同基材(紡織品、鋁盤)聚四氟乙烯涂層的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)定，在測(cè)試PTFE涂層粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，選擇合適的粘結(jié)劑是測(cè)試的關(guān)鍵。