利用CAT（離心粘結力測試）技術測定聚四氟乙烯涂層與基材的粘結強度

自從1938年被偶然發現以來，聚四氟乙烯（以下簡稱PTFE）因其*的材料特性而得到廣泛應用。它具有很高的化學抗性，可以在很大的溫度范圍內使用，不易燃，具有良好的滑動性能即低摩擦系數，等等。除了航空航天、計算機等行業外，PTFE還廣泛的用于密封，絕緣體，服裝，工業過濾(阻止特殊物質)，以及可見的應用——不粘炊具。很多廚房用具都涂有PTFE，以提高其耐化學性、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強度，以生產高品質的耐用鍋具，對于生產廠家來說，至關重要。

由于其低表面能和疏水特性，PTFE很難被粘合。為了實現粘合，需要對其表面進行預處理。

本文給出三個例子，一個是研究一種PTFE涂層紡織品，用于發電廠的除塵空氣過濾器；另外兩個是研究用于不粘鍋的PTFE涂層和金屬基材的粘結強度。采用CAT（Centrifugal Adhesion Testing 離心粘結力測試）技術測定斷裂強度，利用離心力產生測試載荷。

Figure 1

準備樣品

樣品的準備步驟在前文也有介紹，這里不再贅述，需要注意的是：

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

測試

• 固化后，將樣品組件插入檢測模塊，多可將八個模塊簡單地插在轉子上。
• 將采用組件的規格輸入到軟件SEPView中，不同測試基座的尺寸和質量略有不同，本次使用的是帶有鋁質適配接頭的銅質測試基座，質量約為17g，重心至轉軸距離約為70毫米。
• 然后對離心加速過程（載荷增加形式及上限）及測試持續時間進行編程。
• 開始測試。
• 轉速會不斷增大，直至所有樣品斷裂（或者根據設定的停止條件），然后轉速不斷下降至停止狀態，測試結束。

l 依照DIN EN ISO 10365-1995 粘合劑-主要失效模式的標識，對失效模式進行分析

實驗分析

1. 基于兩種不同織物基材的PTFE涂層

實驗用的樣品用于過濾裝置，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。兩種紡織品都已經由制造商涂上聚四氟乙烯涂層。由于織物基材質地柔軟，在織物背面粘附不銹鋼板，以避免樣品發生形變。兩個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，對于這兩種樣品，PTFE涂層已在整個粘結區域被剝離。

                                          Figure 2

圖3顯示了兩種不同樣品的測定強度。每一列代表八個樣本的平均值，誤差條顯示標準差

通過對比發現PTFE與剝離纖維織物的粘附強度高于針刺氈，對于這種現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)，導致了較高的粘附強度。

• 鋁合金PTFE涂層——可行性測試

     本研究測試了用于煎鍋的金屬和 不粘涂層間的粘結強度。除了達成基本測試目標，將涂

     層和基材分離外，還考慮了不同的結合面積的影響。

     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)平均強度約為5.8MPa，兩個離群值造成了較高的標準差

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

    均值相同，沒有異常值，相應的標準差(±0.4 MPa)要低很多。

Figure 4

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

    的斷裂，并沒有露出基材。即涂層與基材之間的粘結強度大于涂層自身的結構

    強度。

Figure 5

3. 鋁合金PTFE涂層——比較三種不同的涂層系統

   研究了三種不同的家用平底鍋鋁基復合涂層的粘結性能:(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。這些實驗的主要目的是測試新的涂層技術，以提高粘結

   強度。

  樣品制備包括以下幾個步驟: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 給出了斷裂時的載荷對比柱狀圖，

  首先，采用不同的膠粘劑對PTFE涂層預試，發現只使用有助粘劑和工業氰基丙烯酸酯粘合劑

  結合的方式才能達到良好的粘合效果。

                                    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，實際的斷裂面積與測試基座的面積不同。通過圖像分析得到了真實的分層區域，并用于計算涂層的粘附強度（單位MPa）。平均斷裂載荷、粘結強度、載荷與強度的標準差見表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定。

結論

   CAT技術已成功應用于不同基材(紡織品、鋁盤)聚四氟乙烯涂層的粘結強度測定，在測試PTFE涂層粘結強度時，選擇合適的粘結劑是測試的關鍵。