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聚四氟乙烯板与不锈钢的粘接

发表时间:2017/5/1

        聚四氟乙烯 (PTFE)广泛广泛应用于化工、机械、电子、电气、航空、航天、环保和汽车等众多行业。但聚四氟乙烯具有极低的表面活性,从而导致了聚四氟乙烯产品几乎无法粘接,限制了它的应用,我们通常采用表面活化处理来实现聚四氟乙烯  制品的粘接。常用的表面活化处理方法可分为化学法和物理法,化学法主要指碱金属– 芳香烃稠环化合物或醚类溶液,如钠 – 萘四氢呋喃络合溶液是一种的活化处理液,我们常用于表面改性处理;物理法有辐照法、熔融法和低温等离子体法。在实际应用中发现,化学法中的钠 – 萘四氢呋喃络合溶液法的活化效果最好,主要体现在两方面:①表面活性高,活化后表面形成了大量的羰基、羧基及碳碳双键等高活性基团;②活化深度大,形成的高活性的土黄色或褐色层可达几十微米厚度,这对实际的粘接及后续的使用十分有利。此外,活化前用表面粗糙化手段如砂纸打磨、轻微喷砂等处理聚四氟乙烯(PTFE)制品表面可以更有效提高实际的活化表面积,从而得到粘接性能很好的聚四氟乙烯 (PTFE) 活化表面。活化后的 聚四氟乙烯 制品表面可用环氧、酚醛等粘合剂与金属、陶瓷等材料实现粘接。与普通材料的粘接不同的是,这种粘接依赖于 PTFE 表面活性的大小,特别是这种表面活性在高温下的保持程度对聚四氟乙烯粘接的实际应用具有极其重要的影响。

聚四氟乙烯板与不锈钢板的粘结

                                                         聚四氟乙烯板与不锈钢板的粘结

                                   四氟板保持与不锈钢板紧贴、平整能得到有效的粘结效果。

        通常我们接触的聚四氟乙烯制品有聚四氟乙烯板材、聚四氟乙烯管材、聚四氟乙烯棒材、聚四氟乙烯薄膜、聚四氟乙烯密封件或异形件以及盘根等,但聚四氟乙烯制品中尤以聚四氟乙烯板材用量最大,包括车削板材,而表面改性处理也以聚四氟乙烯板材为主,也有部分聚四氟乙烯薄膜也进行表面处理。下面谈谈一种在某型航空发动机上使用的聚四氟乙烯板(PTFE)/不锈钢复合滑动支架部件,不锈钢表面一般我们预先喷砂处理,这样粘接效果会大大提高。该部件由环氧粘合剂将经过钠 – 萘四氢呋喃络合溶液活化的 PTFE 板与不锈钢零件粘接制成,该零件常处在温度高达 200℃的工作环境中,因此开展环氧粘合剂粘接聚四氟乙烯板(PTFE  Plate)/不锈钢的耐温性研究十分必要。为此,选择了由中国科学院兰州化学物理研究所、上海塑料研究所和德清新多菱氟化学有限公司提供的3 种纯 PTFE 板,其均经过钠 – 萘络合溶液活化处理;另外,纯 PTFE 存在冷流和不耐磨两大缺点. 聚苯脂加入到聚四氟乙烯材料会大大提高复合材料的力学性能,并使复合材料重量减轻也就大大降低密度,而且填充聚苯脂聚四氟乙烯会使耐磨性加大。而复合材料烧结温度提高时会提高材料的机械性能,如拉伸强度和压缩强度。但温度过高会导致聚四氟乙烯分子从复合材料中跑出来,这样会导致材料中填充剂含量的增加,从而使聚四氟乙烯在内部对填充材料粘结作用减小,而使复合材料容易脱落,造成耐磨性能变差. 而经聚苯酯填充改性的 PTFE 抗蠕变性可提高 1 倍,耐磨性则可提高约 400 倍,故我们选择了中国科学院兰州化学物理研究所研制的钠 – 萘络合溶液活化处理聚苯酯填充 PTFE 复合材料板。实验主要测试了两类环氧粘合剂对这 3 种纯 PTFE 板及聚苯酯填充 PTFE 板与某不锈钢 (0Cr17Ni4Cu3Nb) 粘接后的耐温性,以确定这种粘接在高温下的实际效果,为聚四氟乙烯板(PTFE )与不锈钢在高温下的粘接提供典型值和极限值等方面提供数据参考。

1 试验部分
1.1 主要原材料
1# PTFE 板:上海塑料研究所;
2# PTFE 板:德清新多菱氟化学有限公司;
3# PTFE 板、4# 聚 苯 酯 填 充 PTFE 板和JF205–1 环氧粘合剂:中国科学院兰州化学物理研究所;
DG–3S 环氧粘合剂:晨光化工研究院有限公司。
1.2 主要仪器及设备
热失重 (TG) 分析仪:TG209F1 型,德国 Netzsch公司;
电子拉力机:5569 型,美国 Instron 公司;
电热鼓风干燥箱:沈阳长城设备厂。
1.3 试样制备
参 照 环 氧 粘 合 剂 说 明 书,使 用 JF205–1 和DG–3S 环氧粘合剂将上述 4 种 聚四氟乙烯板与不锈钢进行粘接,然后进行固化,分别采用 25℃/48 h,60℃/3 h 及 60℃/4 h 等 3 种固化工艺,粘接面积为 12.7 mm×25.4 mm。
1.4 性能测试与表征
采用 TG 表示了 F205–1 和 DG–3S 环氧粘合剂的耐热性能;拉伸性能按 GB/T 1040–1992 测试,拉伸速率100 mm/min ;试样粘接后的剪切强度按 ASTM D1002–2005测试,拉伸速率 15 mm/min。


2 结果与讨论
2.1 两种环氧粘合剂的耐热性能
两种环氧粘合剂的 TG 曲线如图 1 所示。相应的 TG 分析数据如表 1 所示。

                                              

                                                                                                                                a—    JF205–1 ;b—DG–3S

                                  

        从图 1 和表 1 可以看出,JF205–1 环氧粘合剂的起始热分解温度和失重速率最大时的热分解温度均高于 DG–3S,说明 JF205–1 环氧粘合剂的耐热性能好于 DG–3S。这是因为 JF205–1 环氧粘合剂经过了耐热改性。热分解温度反映了材料的极限耐热性能,但通常情况下材料的正常使用温度低于热分解温度,因此对于粘合剂,其性能需通过粘接来体现,粘接后的试样必须具有一定的剪切强度。
2.2 PTFE 板的力学性能
对 4 种 PTFE 板的力学性能测试参考了企业标准 QB/T 3625–1999( 其规定 聚四氟乙烯 (PTFE)在室温和高温下的拉伸强度不低于 15 MPa,断裂伸长率不低于 150%),重点考察了其在室温和高温下的拉伸强度和断裂伸长率,结果如表 2 所示。

                            

                   

     由表 2 可以看出,表面活化处理后,室温下 1#,2#,3# 三种聚四氟乙烯板 的 拉 伸 性 能 变 化 不 大,经 150 ℃ /24 h 高温处理后其拉伸性能变化亦不大,仍符合QB/T 3625–1999 的要求。4# PTFE 板的拉伸强度未达到 QB/T 3625–1999 的要求,这是由于聚四氟乙烯经聚苯酯填充改性后虽然其耐磨性、抗蠕变性和抗压性能得到显著提高,但拉伸性能会降低。此外,4# PTFE 板活化板经 150℃/24 h 高温处理后其拉伸性能变化亦不明显,说明 150℃/24 h 高温处理对活化处理的聚四氟乙烯板拉伸性能影响不大。

2.3 粘合剂粘接 聚四氟乙烯板/不锈钢的耐温性
(1) DG–3S 粘合剂的耐温性。
DG–3S 粘合剂粘接聚四氟乙烯板/不锈钢在不同处理条件下的剪切强度如表 3 所示。

                       

       由表 3 可以看出,室温及 25℃/48 h 固化工艺下 DG–3S 粘合剂粘接聚四氟乙烯板(PTFE)/不锈钢的剪切强度略低于 60℃/4 h 固化工艺下的剪切强度,但变化不大。室温下 1#,2#,3#,4# 聚四氟乙烯板与不锈钢粘接后的剪切强度相差不大,均符合使用要求。室温下,在剪切强度测试中粘接层完全从 1#,2#,3# PTFE 板表面脱开,但粘接层在 4# PTFE 板断裂时仍未从其表面脱开,由于剪切强度是用断裂力除以粘接面积计算的,这说明 DG–3S 粘合剂在 4#PTFE 板上的实际粘接力大于断裂力。因此 DG–3S粘合剂粘接 4# PTFE 板/不锈钢室温下的实际剪切强度大于表 3 中的计算值,其实际粘接性能较好。

       经 150℃/24 h 高温处理后,25℃/48 h 固化工艺下 DG–3S 粘合剂粘接 1#,2#,3#,4# 聚四氟乙烯板/不锈钢的剪切强度与室温相比均有较明显的降低,大约降低 20% 以上,且在剪切强度测试过程中粘接层从不锈钢表面脱开,DG–3S 粘合剂颜色明显加
深,这说明 DG–3S 胶粘剂。

     经 150℃/24 h 高温处理后发生老化,脆性变大,对聚四氟乙烯板的粘接力下降。另外,60℃/4 h 固化工艺下 DG–3S 粘合剂对聚四氟乙烯板没有粘接力,粘接层稍微受力就完全脱开,说明该固化工艺已经不适合高温下 DG–3S 粘合剂的粘接。

       经 200℃/3 h 高温处理后,两种固化工艺下DG–3S 粘合剂对所有聚四氟乙烯板均没有粘接力,粘接层稍微受力就从不锈钢表面完全脱落,说明 DG–3S粘合剂在 300℃下老化严重,对 PTFE 板已经完全失去粘接力。由以上分析可以看出,DG–3S 粘合剂适合常温下对 PTFE 板/不锈钢的粘接,且室温慢速固化和高温快速固化工艺在室温下均可行,但高温快速固化工艺不适合 DG–3S 粘合剂在高温下的粘接。
(2) JF205–1 粘合剂的耐温性。
JF205–1 粘合剂粘接 PTFE 板/不锈钢在不同处理条件下的剪切强度如表 4 所示,其中固化工艺均为 60℃/4 h。

                        

        由 表 4 可 以 看 出,室 温 下 JF205–1 粘 合 剂 粘接 1#,2# PTFE 板/不锈钢的剪切强度几乎相同,而对 3# PTFE 板的粘接性能略低。经 150℃/24 h 处理后 JF205–1 粘合剂粘接 1#,2#,3# PTFE 板/不锈钢的剪切强度均下降,但与室温相比其下降幅度均小于 20%,其中 JF205–1 粘合剂粘接 3# 聚四氟乙烯板/不锈钢的剪切强度下降幅度小于 10%,仍然满足使用要求。经 200℃/3 h 处理后 JF205–1 粘合剂粘接 1#,2# 聚四氟乙烯板/不锈钢的剪切强度略有下降,而JF205–1 粘合剂粘接 3# 聚四氟乙烯板/不锈钢的剪切强度下降幅度略大,但也满足使用要求。

        此外,JF205–1 粘合剂粘接 4# 聚四氟乙烯板/不锈钢经 3 种温度条件处理后其剪切强度相近,并且粘接层在 4# PTFE 板断裂时仍未从其表面脱开,因此JF205–1 粘合剂粘接 4# PTFE 板/不锈钢在室温和高温下的实际剪切强度均大于表 4 中的计算值,其实际粘接性能较好,能够承受高达 300℃的高温。

       由以上分析可以看出,JF205–1 粘合剂在高温下对聚四氟乙烯板/不锈钢的粘接性能较好,且可采用高温快速固化工艺。另外,聚苯酯填充改性的聚四氟乙烯板经 JF205–1 粘合剂粘合后,其与不锈钢间的实际粘接性能较好,由于聚苯酯填充改性的 PTFE 板的耐磨性能和抗蠕变性等均明显优于纯 PTFE 材料,而且其已成功用于制造某型发动机作动筒中的动密封零件,所以在粘接性能满足使用要求的情况下,可采用 JF205–1 环氧粘合剂粘接的聚苯酯填充改性聚四氟乙烯板/不锈钢制造发动机零部件。

喷砂处理后的不锈钢板

                                                       喷砂处理后的不锈钢板

 不锈钢板经喷砂处理后,能增加和聚四氟乙烯板的粘结效果。粘结后重压24小时左右后,可确保达到较佳的粘结力。

3 结论
(1) 聚四氟乙烯的表面处理后,其内部材料没有变化,只是其表面几微米的作了改性处理,所以表面活化处理及高温处理对采用的 4 种PTFE 板拉伸性能影响不大。
(2) 室温下两种环氧粘合剂对 4 种 聚四氟乙烯板与不锈钢的粘接性能均良好,但 DG–3S 粘合剂不适合高温下对聚四氟乙烯板/不锈钢的粘接,而 JF205–1 粘合剂在 300℃下对 PTFE 板/不锈钢的粘接性能较好。

(3) JF205–1 粘合剂粘接聚苯酯填充聚四氟乙烯板/不锈钢的实际粘接性能较好,且由于聚苯酯填充聚四氟乙烯板的耐磨性能和抗蠕变性等均明显优于纯 PTFE,故在粘接性能满足使用要求的情况下,可用于制造重要零部件。

(4)在实际应用中胶粘剂种类较多,根据使用条件、温度、环境等情况,也可选用氯丁橡胶、卤化聚合物和胺有机化合物类的万能胶等进行试用,达到符合使用要求。

 

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