Obróbka powierzchni PTFE

Politetrafluoroetylen (PTFE), lepiej znany pod nazwą handlową Teflon, ma wiele pożądanych właściwości, które czynią go atrakcyjnym materiałem dla wielu gałęzi przemysłu. Ma dobrą odporność chemiczną, niską stałą dielektryczną, niskie straty dielektryczne i niski współczynnik tarcia, dzięki czemu idealnie nadaje się do okładzin reaktorów, płytek drukowanych i przyborów kuchennych, by wymienić tylko kilka zastosowań. Jednak jego właściwości zapobiegające przywieraniu utrudniają wiązanie z innymi materiałami lub z samym sobą.

Opracowano szereg metod zwiększania przyczepności w celu zwiększenia siły wiązania PTFE. Podstawowymi metodami stosowanymi obecnie w przemyśle są wytrawianie sodowe i wytrawianie plazmowe. W literaturze opisano również wyniki obróbki wiązką jonów i laserowego szorstkowania powierzchni, ale nie są one znacząco obecne jako procesy komercyjne.

Trawienie sodowe

Zwilżenie powierzchni PTFE dostępnymi w handlu rozpuszczalnikami i płynnymi klejami jest praktycznie niemożliwe. Wyjątkiem są specjalne rozpuszczalniki chlorowcowane, które mają energię powierzchniową niższą niż PTFE, takie jak rozpuszczalniki 3M serii FC. Te rozpuszczalniki 3M są jednak toksyczne i drogie. Dodatkowo, nawet jeśli zwilżalność jest akceptowalna, PTFE nie będzie tworzył wiązań wodorowych, które są głównym źródłem przyczepności. Dlatego powierzchnia PTFE musi być chemicznie modyfikowana, aby wytworzyć powierzchnię zdolną do tworzenia wiązań wodorowych.

Wczesne roztwory do trawienia sodu

Wytrawianie fluoropolimerów sodem jest stosowane od dziesięcioleci w celu zwiększenia przyczepności PTFE. Wykonuje się to poprzez zanurzenie PTFE w roztworze zawierającym sód, a następnie płukanie alkoholem i wodą. Pierwotnie proces ten polegał na rozpuszczeniu metalicznego sodu w ciekłym amoniaku. Alternatywną metodą było utworzenie kompleksu z naftalenem , który następnie rozpuszczono w eterze, takim jak tetrahydrofuran (THF). Oba rodzaje roztworów niosą ze sobą ryzyko dla użytkownika – zarówno amoniak, jak i THF są drażniące i oba są łatwopalne. W wyższych stężeniach THF działa również depresyjnie na ośrodkowy układ nerwowy. U szczurów inhalacja LC(50) (zabójcze stężenie, które zabija 50% badanych) wynosi 21 000 ppm przez 3 godziny. U ludzi nie odnotowano skutków przewlekłych, ale badacze stosujący THF rozwinęli silne bóle głowy potyliczne i wyraźne spadki liczby białych krwinek.

Nowsze roztwory do wytrawiania sodu

Niedawno etery glikoli (znane jako glymes) zaczęto stosować jako nośniki kompleksu naftalenu sodu do trawienia PTFE. Te glimy to eter dimetylowy glikolu etylenowego (monoglyme), eter dimetylowy glikolu dietylenowego (diglyme) i eter dimetylowy glikolu tetraetylenowego (tetraglyme). Glymes stwarzają minimalne lub żadne zagrożenie dla zdrowia użytkownika, a roztwory nie wymagają specjalnych warunków przechowywania. W przypadku stosowania wytrawiaczy na bazie glymu zaleca się prowadzenie procesu wytrawiania w umiarkowanie podwyższonej temperaturze ok. 50°C. Podwyższona temperatura powoduje, że wytrawiacz uwalnia więcej aktywnego sodu. Obniża również lepkość wytrawiacza, co poprawia zwilżanie elementów o wysokim współczynniku kształtu, takich jak platerowane otwory przelotowe w płytkach drukowanych. Testy wytrawiaczy na bazie diglymu stosowanych w temperaturze 50°C wykazały wzrost siły wiązania o 50% lub więcej w porównaniu z wytrawianiem w temperaturze pokojowej.

Obecnie dostępne w handlu wytrawiacze są oparte głównie na glimie. Rogers Corporation, producent laminatów płytek drukowanych PTFE, odnosi się do wytrawiaczy Poly-Etch i FluoroEtch w swoich wytycznych dotyczących wytwarzania „Bonding PTFE Materials for Microwave Stripline Packages and Other Multilayer Circuits”. Poly-Etch to kompleks naftalenu sodu w tetraglimie, podczas gdy Fluoro-Etch to kompleks naftalidu sodu w diglymie Matheson, producent Poly-Etch, produkuje również środek wytrawiający na bazie monoglimu o nazwie Poly-Etch. o nazwie Natrex25, NatrexHighFp i Natrex64.

Mechanizm wytrawiania sodem

Głównym efektem wytrawiania sodem jest odfluorowanie PTFE, usuwając cząsteczki fluoru ze szkieletu węglowego polimeru. Stosunek atomowy fluoru do węgla (stosunek F/C) zmniejsza się z teoretycznego stosunku PTFE wynoszącego 2,0 do 0,2 lub mniej po wystawieniu na działanie naftalenu sodu przez 1 minutę. Atomy fluoru są zastępowane grupami hydroksylowymi, karbonylowymi i innymi grupami funkcyjnymi, które mogą tworzyć wiązania wodorowe.

Pod względem topograficznym chemiczne wytrawianie PTFE sodem daje wysoce porowatą warstwę odfluorowaną. Powierzchownie wykazuje charakterystyczny wygląd „pęknięć błotnych”.

Zwilżalność jest znacznie poprawiona przez proces trawienia sodem. Powstała powierzchnia ma zwiększoną energię powierzchniową, zgłoszoną w jednym badaniu jako rosnącą z 16,4 mN/m do 62,2 mN/m. Kąt zwilżania zmniejsza się z około 115 stopni do około 60 stopni.

Siły więzi

W porównaniu z nietraktowanym PTFE dobrze udokumentowano, że proces wytrawiania sodem znacznie zwiększa siłę wiązania PTFE, niezależnie od metody badawczej (rozciąganie, odrywanie, ścinanie na zakładkę) zastosowanej do oceny próbek związanych z żywicą epoksydową. Praktycznie wszystkie siły wiązania wytrawiającego sodowego opisane w czasopismach akademickich poprzedzają pojawienie się glymów jako nośników kompleksu sodowo-naftalenowego.

W testach przyczepności zgodnie z normą ASTM D4541, w których aluminiowy kołek jest przyklejany do testowanej powierzchni, a kołek jest ciągnięty w kierunku normalnym do powierzchni, obie powierzchnie styku uszkodzeń zostały przeanalizowane za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS ) . Współczynnik F/C został użyty jako wskaźnik rodzaju uszkodzenia: zerowa wartość F/C odpowiada uszkodzeniu żywicy epoksydowej, podczas gdy stosunek F/C bliski 2,0 wskazuje uszkodzenie masy PTFE. Pośrednie stosunki F/C wskazują, że uszkodzenie wystąpiło w strefie zmodyfikowanej przez obróbkę wstępną.

Stosując tę ​​metodę analizy, wykazano, że uszkodzenie próbek trawionych sodem ma charakter spójny i występuje między warstwą modyfikowaną a PTFE w masie, a nie między żywicą epoksydową a poddanym obróbce PTFE. Przyjmuje się zatem, że właściwości adhezyjne są ograniczone przez właściwości obrabianej warstwy.

PTFE poddany obróbce sodem ulegnie degradacji pod wpływem promieniowania UV. Bezpośrednio po obróbce sodowej powierzchnia PTFE jest ciemnobrązowa. Im słabszy roztwór trawiący, tym jaśniejsza zmiana koloru i słabsze wiązanie. Pod wpływem promieniowania UV poddany obróbce PTFE stopniowo powróci do swojego pierwotnego białego koloru. Narażenie na światło, ścieranie, ciepło i niektóre utleniacze również spowoduje degradację obrabianej powierzchni. Okres przechowywania traktowanych powierzchni może wynosić nawet 3 do 4 miesięcy, jeśli są przechowywane w temperaturze poniżej 5°C w ciemnym środowisku wolnym od tlenu i wilgoci.

Wytrawianie plazmowe

Podczas trawienia plazmowego PTFE jest wystawiony na działanie plazmy, gazu naładowanego elektrycznie. Do wytwarzania plazmy można stosować różne gazy.

Podobnie jak wytrawianie chemiczne, wytrawianie plazmowe również odfluorowa PTFE, choć nie w takim samym stopniu. Współczynniki F/C spadają z 2,0 do 1,4 w przypadku plazmy argonowej i do 1,8 w przypadku plazmy tlenowej oraz do 0,7-0,8 w przypadku plazmy amoniakalnej lub wodorowej.

Pod względem topograficznym obróbka plazmowa zmienia morfologię powierzchni, przy czym różne morfologie wynikają z różnych zastosowanych gazów plazmowych.

Kąt zwilżania zmniejszał się wraz z leczeniem przez niektóre, ale nie wszystkie, gazy plazmowe – w jednym badaniu plazma argonowa zmniejszała kąt zwilżania z około 105 stopni do 30 stopni po 1 godzinie leczenia, ale plazma tlenowa nie miała wpływu na kąt zwilżania.

Energia powierzchniowa wzrosła z 16,4 mN/m do 48,8 mN/m po obróbce plazmą amoniakalną i 36,8 mN/m po plazmie wodorowej.

Test odrywania kołków aluminiowych wykazał wzrost od 31 N do około 200 N po obróbce plazmą amoniaku lub wodoru. Analiza XPS uszkodzonego interfejsu poddanego obróbce plazmowej wykazała uszkodzenie spoistości między zmodyfikowaną warstwą a masą PTFE, podobnie jak w przypadku próbek trawionych chemicznie.

Porównanie trawienia chemicznego i trawienia plazmowego

Pomimo podobnych mechanizmów uszkodzeń zarówno w próbkach wytrawionych sodem, jak i wytrawionych plazmą, wytrawianie sodem daje znacznie większą siłę wiązania niż wytrawianie plazmowe. Próbki trawione sodem wykazywały 4 do 5 razy większą wytrzymałość niż próbki trawione plazmą, gdy były testowane na rozciąganie zgodnie z normą ASTM D4541. Próbki trawione sodem podczas testowania na odrywanie wykazywały od 3 do 12 razy większą wytrzymałość na odrywanie niż próbki trawione plazmą, w zależności od rodzaju użytej plazmy.

Jednym z proponowanych wyjaśnień dużej różnicy w sile wiązania jest to, że wytrawianie chemiczne modyfikuje PTFE na większą głębokość niż wytrawianie plazmowe, zwiększając krętość ścieżki pęknięcia przez wytrawioną warstwę podczas testowania przyczepności. Innym wyjaśnieniem dużej różnicy w sile wiązania jest to, że oprócz odfluorowania wytrawianie sodem powoduje sieciowanie, które może stabilizować interfejs zmodyfikowanej PTFE, podczas gdy wytrawianie plazmowe może powodować rozerwanie łańcucha (zerwanie łańcucha polimeru PTFE), ponieważ Wiązanie CC jest słabsze niż wiązanie CF. To rozerwanie łańcucha polimeru osłabia wytrzymałość zmodyfikowanego PTFE.

Chociaż wytrawianie plazmowe nie jest w stanie osiągnąć wzrostu przyczepności zbliżonego do wytrawiania chemicznego, zapewnia pewną poprawę przyczepności PTFE w porównaniu z nieobrobionym PTFE.

Inne rodzaje obróbki powierzchni PTFE

Badano również obróbkę wiązką jonów i laserem jako metody poprawy przyczepności PTFE. Jednak żadna z tych metod leczenia nie wydaje się być stosowana komercyjnie.

PTFE poddany obróbce wiązką jonów wykazuje znacznie większe zmiany morfologii powierzchni niż trawienie chemiczne lub plazmowe. Obróbka wiązką jonów czystym argonem lub czystym tlenem skutkuje minimalnym odfluorowaniem, co określa stosunek F/C. Kąt zwilżania faktycznie wzrósł po obróbce wiązką jonów.

Wytrzymałość na odrywanie przy obróbce wiązką jonów wzrastała jako funkcja dawki wiązki jonów, osiągając wyższą wytrzymałość na odrywanie niż próbki traktowane plazmą przy dawkach powyżej 5E15 jonów/cm2 .

Podstawowym efektem leczenia wiązką jonów jest zatem modyfikacja morfologii, przy niewielkim wpływie chemicznym. Zakłada się, że dłuższy czas obróbki wiązką jonów zwiększa powierzchnię wiązania, co z kolei zwiększa wytrzymałość na odrywanie.

Laserowe szorstkowanie powierzchni PTFE badano również jako potencjalną metodę zwiększania siły wiązania z PTFE. W jednym badaniu Rauh i in. potraktowano PTFE impulsowym laserem ArF przy 193 nm. Do uzyskania jednolitej chropowatości na całej powierzchni wymagane było wiele impulsów ze względu na niejednorodność nieobrobionego materiału. Wyniki testu na odrywanie z użyciem żywicy epoksydowej wykazały wzrost z 0,9 N/cm do 8,9 N/cm.

  1. ^ a b c d e f g h i j k l   Ebnesajjad, Sina (2015). Fluoroplasty, tom. 1: Nietopliwe przetwarzalne fluoroplastiki . Stany Zjednoczone: Elsevier. s. 314–335. ISBN 9781455732005 .
  2. ^ „Łączenie materiałów PTFE do pakietów linii paskowych mikrofal i innych obwodów wielowarstwowych” . 2003.
  3. ^ „Karta danych dotyczących bezpieczeństwa materiału, poli-trawiona” (PDF) . 2009.
  4. ^ „Karta danych dotyczących bezpieczeństwa, FluoroEtch Safety Solvent” (PDF) . 2016.
  5. ^ „Karta danych dotyczących bezpieczeństwa materiału, Poly-Etch W” (PDF) . 2009.
  6. . ^ a b c d e f g hi j k Kim, Sung R. (2000) „Modyfikacja powierzchni folii poli(tetrafluoroetylenowej) przez trawienie chemiczne, obróbkę plazmą i wiązką jonów”. Journal of Applied Polymer Science . 77 (9): 1913–1920. doi : 10.1002/1097-4628(20000829)77:9<1913::aid-app7>3.0.co;2-# .
  7. ^ abc Marchesi , JT; Keith, HD; Garton, A. (1992). „Przyczepność do fluoropolimerów poddanych obróbce naftalenkiem sodu. Część III. Mechanizm wyłączania adhezji”. Dziennik adhezji . 39 (4): 185–205. doi : 10.1080/00218469208030462 .
  8. ^ a b c d e f g h ja j Badey, JP; Espuche, E.; Jugnet, Y.; Chabert, B.; Tran, Minh Duc (1996). „Wpływ obróbki chemicznej i plazmowej na właściwości adhezyjne PTFE z żywicą epoksydową”. Int. J. Adhezja i kleje . 16 (3): 173–178. doi : 10.1016/0143-7496(95)00042-9 .
  9. ^ a b c Brewis, DM; Mathieson, I.; Sutherland, I.; Cayless, RA (1993). „Badania adhezji fluoropolimerów”. Dziennik adhezji . 41 (1–4): 113–128. doi : 10.1080/00218469308026557 .
  10. ^ a b c Kaplan, SL; Łopata, Hiszpania; Smith, Jared (1993). „Procesy plazmowe i klejenie politetrafluoroetylenu”. Analiza powierzchni i interfejsów . 20 (5): 331–336. doi : 10.1002/sia.740200502 .
  11. Bibliografia   _ Ihlemann, J.; Kocha, A. (2007). „Laserowe chropowatość powierzchni PTFE w celu zwiększenia siły wiązania”. Fizyka stosowana A: Nauka o materiałach i przetwarzanie . 88 (2): 231–233. Bibcode : 2007ApPhA..88..231R . doi : 10.1007/s00339-007-4070-1 . S2CID 97747626 .
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Surface_treatment_of_PTFE&oldid=1138590118 ”