PTFE纤维因具有高热稳定性、化学惰性、耐腐蚀性、低表面张力和低摩擦因数等优良的综合性能而被广泛应用于航空航天、工业、医疗、军事等重要领域。因为PTFE分子链段无极性、基团惰性强、表面活性低、表面疏水性强等性质,使得与其他物质附着时的粘接强度较弱。不但影响材料粘接效果,并且还会导致PTFE转移膜过早脱落,使得材料磨损率高,在应用中会出现严重的安全隐患,给生产生活带来一定的危害。尤其应用在关节轴承时,需要充分展现PTFE织物的润滑特性,确保轴承在运作的过程中维持较低的摩擦因数及较低的磨损量。因而通常考虑要对PTFE纤维进行表面改性,提升成品的粘接性能。

等离子体是正负带电粒子密度相等的导电气体,与固态、液态和气态物质被称为物质的四形态。等离子体表面改性是一种便捷、高效、绿色、经济的材料表面处理技术,其特点是在保持材料本体属性不变的情况下,能够有效提升材料的表面性能。

PTFE纤维等离子表面改性原理

等离子体表面改性的方法就是将材料放置在非聚合性气体(如Ar,H2,O2,N2和空气等)的等离子体之中,然后用高能态等离子体轰击材料表面,将能量传递给试样表层的分子,从而改变材料的表面化学结构和表面性能。

PTFE纤维等离子表面改性机理分析

为了对PTFE纤维改性过程中表面官能团变化情况况进行分析研究,对改性前后的PTFE纤维分别进行红外光谱分析、X射线光电子能谱表征测试,结果如图1所示。经过等离子改性后,PTFE纤维红外光谱在3387、1589cm^-1等处出现了新的特征峰,分别对应于—OH、—C=O与—CH2等官能团,表明等离子体改性使PTFE纤维上的亲水基团增多,增强了PTFE的亲水化程度。由此可知,PTFE纤维表面改性有利于提高PTFE纤维与树脂的黏结强度。

图一 PTFE等离子改性前后的红外光谱

采用X光电子能谱技术深入定量研究等离子改性对PTFE纤维表面官能团的影响。如图2所示,PTFE纤维等离子改性前后的XPS谱图高度相似,292eV对应于C元素衍射峰(C—F化学键),685eV与877eV分别对应于F元素的F1s与FKLL衍射峰。等离子改性后,M⁃PTFE纤维的F元素衍射峰相对强度有所下降,表明等离子改性后C—F化学键强度下降,纤维疏水性下降。

图2 PTFE纤维等离子改性前后的XPS谱图

如表2所示,等离子改性前后PTFE纤维元素组成发生了变化,C元素和F元素含量下降,O元素含量增加。据文献报道,等离子改性可有效引入C—O,C=O等官能团,这些新增的官能团有助于提升纤维与树脂的结合力。

PTFE纤维等离子改性处理后会增大材料表面分子的内能和动能,内能的增加将加剧分子链段的不稳定状态,造成材料的热蚀、交联、降解和氧化反应,试样表面C—F键和C—C键发生断裂,产生大量自由基或引进某些极性基团,极大地优化了材料的表面性能。