聚四氟乙烯（PTFE）：为什么密封性好？

前言

聚四氟乙烯胶带通常用做密封缝隙、裂纹和防止气体泄漏的材料。通过进行气体物理吸附和原子力显微镜（AFM）测试，我们得出了PTFE粉末和胶带密封性好的原因。本文中的研究方法也可用来分析其他柔性材料，例如薄膜、涂层材料和新型弹性体等。

介绍

图1：聚四氟乙烯粉末。需要注意的是：虽然其本身是疏水材料，但由于氟分子的相互作用使其具有固有的聚集现象

1938年杜邦公司的罗伊普兰科特发现，聚四氟乙烯（PTFE）是一种由四氟乙烯链聚合形成的聚合物[1]。PTFE是疏水性材料，在所有材料中摩擦系数第三低（0.05-0.1），并且导热系数低，但是熔点较高（326 ℃）密度高（2.2 g/cm3）[2]。聚四氟乙烯常见的工业用途包括：用于耐磨材料（润滑剂、润滑脂等）、制造疏水织物、用于耐高温膜过滤器、牙齿修复材料等。

图2：聚四氟乙烯结构：显示出交联的C-F分子

本文中的研究方法使用了多种测量技术，如物理吸附（比表面积）和原子力显微镜（AFM，表面形貌），来阐明为什么PTFE具有良好的密封性。本文的目的是为了说明如何在材料结构层面分析材料（如PTFE），以完整地解释其物理属性和实际使用的性能属性。在开发新材料时，我们通常需要了解以下信息：a)通过测量比表面积，了解材料在亚纳米级的结构信息；b)材料被挤压成柔性薄板时具有怎样的性能，例如聚四氟乙烯密封胶带。

实验

分别采用物理吸附（Autosorb iQ）和原子力显微镜（Tosca 400 AFM）两种不同的测量技术对聚四氟乙烯进行表征，分别测量其比表面积和表面形貌。用聚四氟乙烯粉末进行比表面积测试，用白色聚四氟乙烯胶带进行表面形貌测试。测试结果如表1所示。

表1：PTFE测量结果

使用Autosorb iQ仪器，称样量约2 g，样品管为9 mm大球泡样品管，测试气体N2 ，测试温度77 K，用氦气测量样品管的自由体积进行物理吸附测试。样品脱气处理条件为343 K脱气3小时。在相对压力（P/P0）为0.1-0.25范围内取值进行比表面积计算。

切割一块1 cm×1 cm大小的聚四氟乙烯胶带用于AFM测量。Tosca AFM仪器在轻敲模式下操作，以捕捉特征高度和特征相位对比。轻敲模式使用的悬臂为安东帕公司的Arrow-NCR 10 硅传感器，标称共振频率为285 kHz，力常数为42 N/m。悬臂长度为160 µm，宽度为45 µm。扫描分辨率设置为400时的图像扫描速率为~0.5 Hz。AFM所有的测量都是在室温环境下进行。

图3：Autosorb iQ

结果讨论

3.1       物理吸附（Autosorb iQ）

通常在恒定温度下，使用氮气分子作为分子探针，吸附在材料的内外表面（即N2 77K）。在吸附等温线的发生单层吸附的区域进行取值计算比表面积值。BET理论的详细解释可以在其他相关文献中找到[3]。具有良好密封性能的材料通常具有较低的比表面积值（＜10 m2/g）。两个PTFE粉末比表面积测试结果图如图3所示，平均值为2.59 m2/g。如此小的比表面积值通常代表材料是非多孔材料，例如PTFE。

图4：PTFE比表面积图

3.2       原子力显微镜（AFM）

AFM可以表征材料的表面形貌和粗糙度，并可以在纳米尺度上检查材料是否有杂质或不均匀的存在。PTFE三维表面形貌如图4所示。PTFE胶带的RMS粗糙度为170 nm。图中显示出聚四氟乙烯胶带的纤维结构。表面形貌对于了解胶带的某些性能很重要，例如手感、平滑度、是否含有纤维结构或杂质等。

    图5：10 µm×10 µm的AFM三维形貌（正向追踪），显示出纤维结构

根据AFM图，从垂直于纤维的二维表面轮廓测得纤维的平均宽度和平均高度分别为330 µm和480 µm。

结合两种表征技术，阐明了为什么聚四氟乙烯具有良好的密封性能。低比表面积（低孔隙率）阻碍了气体或液体的侵入。这种特性与胶带具有的纤维特性结合，使胶带能够拉伸紧密的包裹缝隙。PTFE的高熔点和低导热系数也使它适用于高温密封。

结论

本文展示了如何结合两种不同的材料表征技术（物理吸附和AFM），以得到完整的PTFE胶带的结构信息。这种组合的表征方法可以扩展到其他相似的材料，使材料的物理属性与应用结合起来。

参考文献

1.www.sciencehistory.org, retrieved 12 Dec. 2020.

2.PTFE MSDS, The Chemours Company.

3.www.wiki.anton-paar.com/en/bet-theory.