利用CAT（离心粘结力测试）技术测定聚四氟乙烯涂层与基材的粘结强度

自从1938年被偶然发现以来，聚四氟乙烯（以下简称PTFE）因其*的材料特性而得到广泛应用。它具有很高的化学抗性，可以在很大的温度范围内使用，不易燃，具有良好的滑动性能即低摩擦系数，等等。除了航空航天、计算机等行业外，PTFE还广泛的用于密封，绝缘体，服装，工业过滤(阻止特殊物质)，以及可见的应用——不粘炊具。很多厨房用具都涂有PTFE，以提高其耐化学性、降低表面张力以获得“不粘"的能力。因此，提高PTFE涂层和基材之间的粘结强度，以生产高品质的耐用锅具，对于生产厂家来说，至关重要。

由于其低表面能和疏水特性，PTFE很难被粘合。为了实现粘合，需要对其表面进行预处理。

本文给出三个例子，一个是研究一种PTFE涂层纺织品，用于发电厂的除尘空气过滤器；另外两个是研究用于不粘锅的PTFE涂层和金属基材的粘结强度。采用CAT（Centrifugal Adhesion Testing 离心粘结力测试）技术测定断裂强度，利用离心力产生测试载荷。

Figure 1

准备样品

样品的准备步骤在前文也有介绍，这里不再赘述，需要注意的是：

1. 粘接测试基座与样品之前，基座和样品的粘附表面必须进行预处理，保证粘结表面清洁。

2. 要选择粘结强度大于涂层与基材之间粘结强度的粘结剂。通过多次预测试，本次选用了一种氰基丙烯酸粘结剂和助粘剂结合的方式，先将助粘剂涂在PTFE涂层表面，再用粘结剂粘合涂层与测试基座。

3. 按照所选粘结剂的要求进行固化，本次采用室温固化20小时。

测试

l 固化后，将样品组件插入检测模块，多可将八个模块简单地插在转子上。

l 将采用组件的规格输入到软件SEPView中，不同测试基座的尺寸和质量略有不同，本次使用的是带有铝质适配接头的铜质测试基座，质量约为17g，重心至转轴距离约为70毫米。

l 然后对离心加速过程（载荷增加形式及上限）及测试持续时间进行编程。

l 开始测试。

l 转速会不断增大，直至所有样品断裂（或者根据设定的停止条件），然后转速不断下降至停止状态，测试结束。

l 依照DIN EN ISO 10365-1995 粘合剂-主要失效模式的标识，对失效模式进行分析

实验分析

1. 基于两种不同织物基材的PTFE涂层

实验用的样品用于过滤装置，样品由一种织物基材组成，一边是玻璃纤维，另一边是针刺毡。两种纺织品都已经由制造商涂上聚四氟乙烯涂层。由于织物基材质地柔软，在织物背面粘附不锈钢板，以避免样品发生形变。两个样品的失效模式如图2所示，左边是玻璃纤维织物，右边是针刺毡。可以看到，对于这两种样品，PTFE涂层已在整个粘结区域被剥离。

Figure 2

图3显示了两种不同样品的测定强度。每一列代表八个样本的平均值，误差条显示标准差

通过对比发现PTFE与剥离纤维织物的粘附强度高于针刺毡，对于这种现象的一种可能的解释是:玻璃纤维的表面纹理(具有较高的粗糙度)，导致了较高的粘附强度。

2. 铝合金PTFE涂层——可行性测试

本研究测试了用于煎锅的金属和 不粘涂层间的粘结强度。除了达成基本测试目标，将涂

层和基材分离外，还考虑了不同的结合面积的影响。

表1下表展示了制备的样品的面积以及使用的胶黏剂的量：

Table1

如图4所示，组1样品(直径7mm)平均强度约为5.8MPa，两个离群值造成了较高的标准差

（±1.7MPa），但是两个异常样品的失效模式和其他样品相比并没有明显差异。组2样本的

均值相同，没有异常值，相应的标准差(±0.4 MPa)要低很多。

Figure 4

图5所示的失效模式是从所有测试样品中选取的一个代表，可以看出涂层本身发生了大片

的断裂，并没有露出基材。即涂层与基材之间的粘结强度大于涂层自身的结构

强度。

Figure 5

3. 铝合金PTFE涂层——比较三种不同的涂层系统

研究了三种不同的家用平底锅铝基复合涂层的粘结性能:(1)双层涂层;(2)四层石英微粒子

涂层；;(3)四层石英微纳米涂层。这些实验的主要目的是测试新的涂层技术，以提高粘结

强度。

样品制备包括以下几个步骤:割平底锅、将每种类型的平底部分切割成20×20×7mm(图6)、

清洗表面、选择粘合剂、粘接和固化。

Figure

图7 给出了断裂时的载荷对比柱状图，

首先，采用不同的胶粘剂对PTFE涂层预试，发现只使用有助粘剂和工业氰基丙烯酸酯粘合剂

结合的方式才能达到良好的粘合效果。

Figure7

图8 所示为三种样品失效模式的图片：

Figure 8

从图8 还可以明显看出，实际的断裂面积与测试基座的面积不同。通过图像分析得到了真实的分层区域，并用于计算涂层的粘附强度（单位MPa）。平均断裂载荷、粘结强度、载荷与强度的标准差见表2。

Table 2

图7和表2显示了双层PTFE涂层具有断裂载荷。无论只添加石英微粒还是微粒和纳米微粒的混合物，四层涂层似乎都不那么稳定。

结论

CAT技术已成功应用于不同基材(纺织品、铝盘)聚四氟乙烯涂层的粘结强度测定，在测试PTFE涂层粘结强度时，选择合适的粘结剂是测试的关键。