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利用CAT(离心粘结力测试)技术测定聚四氟乙烯涂层与基材的粘结强度

发表时间:2020-05-22      点击次数:311

自从1938年被偶然发现以来,聚四氟乙烯(以下简称PTFE)因其独特的材料特性而得到广泛应用。它具有很高的化学抗性,可以在很大的温度范围内使用,不易燃,具有良好的滑动性能即低摩擦系数,等等。除了航空航天、计算机等行业外,PTFE还广泛的用于密封,绝缘体,服装,工业过滤(阻止特殊物质),以及可见的应用——不粘炊具。很多厨房用具都涂有PTFE,以提高其耐化学性、降低表面张力以获得“不粘”的能力。因此,提高PTFE涂层和基材之间的粘结强度,以生产高品质的耐用锅具,对于生产厂家来说,至关重要。

由于其低表面能和疏水特性,PTFE很难被粘合。为了实现粘合,需要对其表面进行预处理。

本文给出三个例子,一个是研究一种PTFE涂层纺织品,用于发电厂的除尘空气过滤器;另外两个是研究用于不粘锅的PTFE涂层和金属基材的粘结强度。采用CAT(Centrifugal Adhesion Testing 离心粘结力测试)技术测定断裂强度,利用离心力产生测试载荷。

Figure 1

准备样品

样品的准备步骤在前文也有介绍,这里不再赘述,需要注意的是:

测试

依照DIN EN ISO 10365-1995 粘合剂-主要失效模式的标识,对失效模式进行分析

验分析

1. 基于两种不同织物基材的PTFE涂层

实验用的样品用于过滤装置,样品由一种织物基材组成,一边是玻璃纤维,另一边是针刺毡。两种纺织品都已经由制造商涂上聚四氟乙烯涂层。由于织物基材质地柔软,在织物背面粘附不锈钢板,以避免样品发生形变。两个样品的失效模式如图2所示,左边是玻璃纤维织物,右边是针刺毡。可以看到,对于这两种样品,PTFE涂层已在整个粘结区域被剥离。

                                          Figure 2

图3显示了两种不同样品的测定强度。每一列代表八个样本的平均值,误差条显示标准差

                                                          

通过对比发现PTFE与剥离纤维织物的粘附强度高于针刺毡,对于这种现象的一种可能的解释是:玻璃纤维的表面纹理(具有较高的粗糙度),导致了较高的粘附强度。

 

 

     本研究测试了用于煎锅的金属和 不粘涂层间的粘结强度。除了达成基本测试目标,将涂

     层和基材分离外,还考虑了不同的结合面积的影响。

     表1下表展示了制备的样品的面积以及使用的胶黏剂的量:

                                    

Table1

                        

    如图4所示,组1样品(直径7mm)平均强度约为5.8MPa,两个离群值造成了较高的标准差

   (±1.7MPa),但是两个异常样品的失效模式和其他样品相比并没有明显差异。组2样本的

    均值相同,没有异常值,相应的标准差(±0.4 MPa)要低很多。

 

                            

 

Figure 4

 

    图5所示的失效模式是从所有测试样品中选取的一个代表,可以看出涂层本身发生了大片

    的断裂,并没有露出基材。即涂层与基材之间的粘结强度大于涂层自身的结构

    强度。

 

                        

 

Figure 5

3. 铝合金PTFE涂层——比较三种不同的涂层系统

   研究了三种不同的家用平底锅铝基复合涂层的粘结性能:(1)双层涂层;(2)四层石英微粒子

   涂层;;(3)四层石英微纳米涂层。这些实验的主要目的是测试新的涂层技术,以提高粘结

   强度。

  样品制备包括以下几个步骤:割平底锅、将每种类型的平底部分切割成20×20×7mm(图6)、

  清洗表面、选择粘合剂、粘接和固化。

                                

Figure

  图7 给出了断裂时的载荷对比柱状图,

  首先,采用不同的胶粘剂对PTFE涂层预试,发现只使用有助粘剂和工业氰基丙烯酸酯粘合剂

  结合的方式才能达到良好的粘合效果。

 

 

                   

                                    Figure7

 

图8 所示为三种样品失效模式的图片:

               

                                Figure 8

  从图8 还可以明显看出,实际的断裂面积与测试基座的面积不同。通过图像分析得到了真实的分层区域,并用于计算涂层的粘附强度(单位MPa)。平均断裂载荷、粘结强度、载荷与强度的标准差见表2。

                   

                                  Table 2

图7和表2显示了双层PTFE涂层具有断裂载荷。无论只添加石英微粒还是微粒和纳米微粒的混合物,四层涂层似乎都不那么稳定。

 

结论

   CAT技术已成功应用于不同基材(纺织品、铝盘)聚四氟乙烯涂层的粘结强度测定,在测试PTFE涂层粘结强度时,选择合适的粘结剂是测试的关键。

 

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