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PTFE纖維因具有高熱穩定性、化學惰性、耐腐蝕性、低表面張力和低摩擦因數等優良的綜合性能而被廣泛應用于航空航天、工業、醫療、軍事等重要領域。因為PTFE分子鏈段無極性、基團惰性強、表面活性低、表面疏水性強等性質,使得與其他物質附著時的粘接強度較弱。不但影響材料粘接效果,并且還會導致PTFE轉移膜過早脫落,使得材料磨損率高,在應用中會出現嚴重的安全隱患,給生產生活帶來一定的危害。尤其應用在關節軸承時,需要充分展現PTFE織物的潤滑特性,確保軸承在運作的過程中維持較低的摩擦因數及較低的磨損量。因而通常考慮要對PTFE纖維進行表面改性,提升成品的粘接性能。

等離子體是正負帶電粒子密度相等的導電氣體,與固態、液態和氣態物質被稱為物質的四形態。等離子體表面改性是一種便捷、高效、綠色、經濟的材料表面處理技術,其特點是在保持材料本體屬性不變的情況下,能夠有效提升材料的表面性能。

等離子體表面改性的方法就是將材料放置在非聚合性氣體(如Ar,H2,O2,N2和空氣等)的等離子體之中,然后用高能態等離子體轟擊材料表面,將能量傳遞給試樣表層的分子,從而改變材料的表面化學結構和表面性能。

PTFE纖維等離子表面改性機理分析

為了對PTFE纖維改性過程中表面官能團變化情況進行分析研究,對改性前后的PTFE纖維分別進行紅外光譜分析、X射線光電子能譜表征測試,結果如圖1所示。經過等離子改性后,PTFE纖維紅外光譜在3387、1589cm^-1等處出現了新的特征峰,分別對應于—OH、—C=O與—CH2等官能團,表明等離子體改性使PTFE纖維上的親水基團增多,增強了PTFE的親水化程度。由此可知,PTFE纖維表面改性有利于提高PTFE纖維與樹脂的黏結強度,也可提高關節軸承PTFE纖維織物襯墊的耐磨性能。

圖1 PTFE等離子表面改性前后的紅外光譜

采用X光電子能譜技術深入定量研究等離子改性對PTFE纖維表面官能團的影響。如圖2所示,PTFE纖維等離子改性前后的XPS譜圖高度相似,292eV對應于C元素衍射峰(C—F化學鍵),685eV與877eV分別對應于F元素的F1s與FKLL衍射峰。等離子改性后,M?PTFE纖維的F元素衍射峰相對強度有所下降,表明等離子改性后C—F化學鍵強度下降,纖維疏水性下降。如表2所示,等離子改性前后PTFE纖維元素組成發生了變化,C元素和F元素含量下降,O元素含量增加。等離子改性可有效引入C—O,C=O等官能團,這些新增的官能團有助于提升纖維與樹脂的結合力,進一步提升關節軸承PTFE纖維織物襯墊的耐磨性能。

圖2 PTFE纖維等離子表面改性前后的XPS譜圖

對于PTFE纖維來說,等離子體對其改性的主要策略是引發表面接枝,具體方法是用非聚合氣體對其表面進行等離子體處理,使其形成活性自由基,再利用活性自由基引發功能性單體,在其表面進行接枝聚合,從而提高材料的潤濕性與粘接性。