基于改性聚四氟乙烯的研究进展

 基于改性聚四氟乙烯的研究进展

韩斌 ,韩旭伟

济南赛诺富隆新材料有限公司   251402

济南赛诺富隆新材料有限公司    251402

摘要：综述了近年来国内外PTFE改性的研究现状，分析了PTFE的性能、摩擦和介电性能。最后，讨论了PTFE改性技术的发展方向和应用前景。

关键词：聚四氟乙烯 表面改性 填充改性 共混改性

1 PTFE的改性

1.1表面改性

1.1.1等离子体处理

目前，PTFE表面改性的主要方法是对PTFE进行预处理，然后进行等离子体处理，但不能对PTFE表面进行可逆改性。

目前，单组分气体（如Ar、N2）通常用于改性，但在多组分气氛中，活化和接枝可以同时进行。

Sarani等人用大气等离子射流改性PTFE，并使用两种不同的放电气体：Ar和Ar/CO2混合物。发现改性后PTFE的表面接触角显著降低。

Kolská等人使用Ar等离子体放电技术来修饰PTFE的表面，并使用多种方法来表征PTFE。结果表明，随着处理时间的延长，改性聚四氟乙烯的接触角逐渐降低；经等离子处理后，聚四氟乙烯接触角明显增加；经等离子处理后，PTFE的表面形态及粗糙程度均有明显的改变。

1.1.2偶联剂处理

偶联剂主要用于改善工程塑料和填料的相容性，或改善接触表面的相容性。其结构包含两种成分，一种是可与填料结合的亲水性无机基团，另一种是聚合物。同时，偶联剂与填料的共混可分为直接整体共混和母料一体化共混两种。

碳纤维具有良好的导热性和导电性，但将CF直接添加到PTFE中会导致CF的团聚，从而降低其性能。

1.1.3电子辐照处理

电子辐射技术是利用X射线、离子束、电子辐照等手段对高分子材料进行修饰的一种新技术。结果表明，辐照可以改变材料的结构、形态、表面性质和化学组成，是当前应用最广泛的一种方法。

1.2填充改性

填料改性可以有效地改善聚合物基体的缺陷，而不破坏聚合物基体的结构。填充和改性方法简单，可以根据需要选择不同的填料，使其具有新的特性。目前常见的填料有：CF、GF、石墨烯等无机非金属填料，如铜粉、MoS2、Al2O3等金属填料、陶瓷颗粒等。

无机填料具有比模量、比强度和耐高温的优点。在PTFE中添加无机填料可以显著提高其比模量、比强度和压缩弹性。

2应用性能的研究

2.1力学性能

LuoWei等人通过熔融共混成功合成了具有高强度的短碳纤维（SCF）增强PTFE/PPS自润滑复合材料。结果表明，添加SCF后，PPS/PPS的拉伸强度、弯曲模量和硬度显著提高。

Suh等人通过固体研磨、热压和其他方法制备了聚四氟乙烯/石墨烯纳米片（GnP）。PTFE／GnP复合材料的屈服强度比纯PTFE高60%。这主要是由于GnP在PTFE中的随机分布。

2.2磨损性能

PTFE的机械性能差，摩擦系数高，限制了其在工业中的应用。在PTFE基体中加入不同的填料，如有机、无机纤维和纳米颗粒，可以有效地提高PTFE的负载和耐磨性。

Burris等人在PTFE中添加Al2O3后，其耐磨性提高了4个数量级。

Fan Yu等人发现，使用钛酸钾晶体可以有效提高PTFE复合材料的耐磨性。

宋福智等人研究了MoS2和GF在提高耐磨性方面的协同作用。结果表明，PTFE比PTFE具有更好的耐磨性。

PTFE复合材料的摩擦系数与填料的晶体结构有关，其耐磨性的提高主要取决于填料的形态。Conte等人研究了磷钨酸盐/PTFE复合材料中GF含量的变化。结果表明，加入15%～25%的GF后，复合材料的耐磨性提高了7～12倍。通过对PTFE复合材料表面形貌的分析，发现GF处理的PTFE复合材料具有更光滑的表面。未经GF处理的PTFE复合材料表面存在大量凹槽。

复合材料的摩擦学性能与其形态和结晶度有关。施义军等人使用浓硝酸、硅烷偶联剂、稀土溶液和稀土溶胶对PTFE表面进行改性。研究发现，碳纤维表面处理可以减少摩擦，提高其耐磨性[2]。

Conte等人发现，向PTFE中添加硬颗粒可以显著减少PTFE的磨损。这是由于PTFE颗粒的高硬度，当外部载荷用于PTFE复合材料时，PTFE颗粒将优先承受大部分外力，从而显著提高PTFE复合材料的表面磨损水平。在聚合物基体中，软相和硬相都可以提高PTFE的自润滑和承载能力，并改善PTFE的摩擦特性。

刘培等人合成了不同的PTFE/碳纤维复合材料。结果表明，经表面处理后，碳纤维的表面亲水性得到改善，表面形态发生改变，界面的附着力得到改善，摩擦性能得到改善。

Pan Chen等人使用六方氮化硼芯片和AlN作为混合填料，以提高PTFE的导热性。AlN颗粒对HBN片的横向排列有一定的影响。当填充量为30%时，其导热性提高。除了掺杂填料之间的协同效应外，热导率的显著提高还与HBN表面取向度的降低有关。

苏凤华等人通过喷涂工艺和连续固化方法，成功将聚四氟乙烯与纳米氮化硅结合。结果表明，PTFE和改性NiN的加入大大提高了PI膜的耐磨性；复合材料的摩擦磨损特性与填料的组成和滑动状态有关。

2.3介电性能

PTFE由于其优异的绝缘性能和低的介电损耗，被广泛应用于PCB、天线、雷达等领域。近十年来，PTFE已被不同的填料填充，以提高其综合性能。然而，这种掺杂有无机填料的改性复合材料仅适合在低工作频率（100MHz）下使用。在PTFE的使用过程中，由于对基质材料的需求不断增长，需要满足一些苛刻的工作条件（例如：宽工作温度、高环境湿度）。通过在PTFE中添加陶瓷以改善其介电性能，可以有效地解决上述问题。

在PTFE中加入适量的陶瓷填料可以改善其力学性能和介电性能，但目前的研究大多基于高介电常数的填料。在宋庆松等人的基础上，通过添加少量的GnP，提高了聚偏氟乙烯/氮化硼的强度，并提高了薄膜的耐热性和机械性能。实验结果表明，该薄膜具有很高的绝缘性能和击穿强度，表明其在高压下的应用前景。

罗富川等人研究了基于PTFE和Li2Mg3SnO6（LMS）的复合材料。采用一步法制备LMS粉末，并用F8261进行改性。经LMS处理后，PTFE复合材料具有良好的介电常数和较低的介电损耗[3]。

较低的介电常数有利于更快的信号传输。为了获得低介电常数的复合材料，必须尽可能降低填料的介电常数。由于填料和有机基质的表面性质不同，很难在基质中均匀分布，导致高孔隙率和吸湿性。

3结语与展望

尽管中国在改性方面取得了相当大的进展，但在技术和配方方面仍有一些问题需要解决。目前，仍存在以下问题：一是提高填料与基体的相容性。尽管已经开发了一系列表面处理剂和偶联剂，但“连接”的目的尚未实现。因此，开发有效的表面处理剂是PTFE领域的研究热点。二是PTFE的改性技术目前仍处于常规领域，但在高端航空航天和军工等高端领域，主要依赖进口。三是《中国制造2025》明确了绿色发展是重要发展方向，在PTFE改性过程中应引入节能减排理念。

参考文献

[1]左程,肖伟.聚四氟乙烯改性现状及研究进展[J].合成树脂及塑料,2022,39(04):70-76+81.

[2]张东东,冯厚军,郭春刚,朱磊,陈江荣,刘铮,孙伟,曹震,王剑,李浩,刘国昌.聚四氟乙烯膜的亲水改性研究进展[J].塑料工业,2022,50(05):56-61+68.

[3]张永章,王晗,姜建英,安振清,肖建斌.聚四氟乙烯微粉的表面改性及其在橡胶中应用的研究进展[J].橡胶科技,2021,19(10):473-478.