PTFE防粘涂料用的粘结成分

卢迪斯,罗国钦,林既森　(广州市化学工业研究所,510430)

摘　要:聚四氟乙烯(PTEE)防粘涂料必须借助粘结成分才能形成有实用意义的防粘涂层。介绍了PTFE防粘涂料用的几种粘结成分及其在涂料中的作用。

关键词:PTFE;防粘涂料;粘结成分

1　PTFE的结构与性能关系

聚四氟乙烯(PTFE)的分子结构为[—CF2—CF2—]n。由于分子中的碳链周围被电负性极强的氟原子包围,形成了稳定的C—F键,要使此键断裂,需要500℃以上的热能,因而PTFE的耐热性极为优良。同时,由于氟原子的体积较大,其共价键的半径为01064nm,可以把主链上的C原子遮蔽,这样就使其表面极端惰性,几乎所有粘性物质都不能粘附在其表面,也不能用普通方法进行粘合。

PTFE分子中,氟原子间相互排斥力很大,C—F 分子链的空间排列呈螺旋形,这样分子链比较僵硬,阻碍了受热时旋转运动,处于熔点下的PTFE不易流动,融熔粘度高达1010Pa?s。虽然PTFE的分子链僵硬,分子间却容易滑移,这一特性赋予PTFE有益的自润滑性和低摩擦系数,但也使PTFE的机械强度、刚性、蠕变性不如其他高聚物树脂。PTFE防粘涂料中的粘结成分的主要作用是使PTFE附着在基材上,而且对PTFE进行改性,强化涂层的各种性能,使PTFE的特殊功能充分发挥。

2　粘结成分的作用

如上所述,PTFE具有优异的防粘性、自润滑性、耐热性等,但由于其特殊的分子结构,PTFE不能以单一的成膜物用于涂料。在PTFE防粘涂料中加入粘结成分,以增强PTFE防粘涂层的附着力、硬度、耐用性等性能。

在现有技术中,要把PTFE涂层附着于金属基材上,可以对金属基材进行粗化(例如酸蚀、喷砂)等处理,通过机械键合促进化学粘合,使涂层附着在基材上。但这种方法并非普遍适用,如喷涂对象是薄制件或表面要求非常光滑的器件,就不可能进行粗化处理。

20世纪70年代,我国采用磷铬酸法,使PTFE附着于金属底材上,其原理是在涂料中加入磷酸、铬酸,

涂层加温烧结时磷酸、铬酸与基材金属反应,生成磷

铬酸盐,从而产生化学键合。但这些涂层中检出大量

的铬离子,不能与食品接触。

目前,国内外的PTFE涂料中通常加入无害的粘结成分,以改善PTFE对基材的附着性和其他性能。

在溶剂型PTFE涂料中,通常加入聚醚砜树脂、有机

硅树脂、环氧树脂。若使用温度不高,可采用丙烯酸

树脂;水性PTFE涂料要求较高的使用温度时,则较

多使用聚苯硫醚树脂和聚酰胺酰亚胺。这些树脂以

化学键合的方式为涂层提供优良的附着力,而且这些

树脂的流动性克服了PTFE的融熔粘度大的弊端,也

使涂层具有一定的刚性、硬度和耐蠕变形。通过涂料

的制备工艺和施工控制,使涂层表面富含PTFE,保留

了PTFE的主体优点。

3　PTFE防粘涂料用的粘结成分

本文主要介绍水性PTFE防粘涂料用的几种粘结成分。

311　聚苯硫醚(PPS)

1973年美国Phillips石油化学公司建成年产3000t规模的工厂而开始了PPS的工业化生产。与

此同时,人们开始了PPS在涂料方面的研究开发。

PPS的分子链由苯环与对位硫原子交替连接,结构对称规整,易于结晶(通常结晶度高达65%～

70%)。苯环和硫原子上的电子能形成π共轭体系,

增强了主链的刚性,使PPS具有优良的力学性能、耐

热性、化学性和电性能。

PPS的熔点高达282℃,其耐高温稳定性优异,在

涂料工业　2002年第10期

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204～246℃下暴露9500h时后,仍然保持其拉伸强度。PPS的连续使用温度为240℃,耐热温度与PTFE 相同。PPS的耐化学腐蚀性极好,仅次于PTFE,除耐强氧化性酸外,对200℃以下的有机溶剂、无机酸、有机酸及碱呈惰性。

PPS分子经过氧化交联形成的氧桥键能增加分子的内聚能和对基材的附着力。PPS的高温熔流性很好,与PTFE复合制成的涂料具有良好的成膜性,并且能够显著提高PTFE涂层的物理机械性能,如硬度、抗划痕性。PPS虽然是热塑性材料,但加热交联后,能够在使用温度范围内保持涂层的强度。

用PPS和PTFE复合可以配制成单层涂覆或双层涂覆的涂料。单层涂覆涂料要达到对基材的“附着”和涂层表面的“不粘”,可以采用“自分层梯度涂料”的概念进行设计。我们采用的方法是用复合助剂和少量溶剂,使表面张力较小的PTFE在成膜的过程中向涂层表面迁移,而PPS则留在与基材接触的涂层底部,最终形成无界面的梯度分布涂层。虽然无界面分层,但底/面层的功能截然不同,在单一涂层中同时获得所期望的良好附着力和不粘性。至于双层涂覆涂料,底涂的主要成分是PPS,面涂的主要成分是PTFE,较容易解决对基材的粘附和表面的不粘性问题,但要注重解决层与层之间的附着力,可以通过调节PPS和PTFE的配比,或引入对这两种树脂都具有较好相容性的材料来解决。

312　聚酰胺酰亚胺(PAI)

PAI是在聚酰亚胺分子中引入酰胺键制得的产物,由美国Am oco公司于1964年首先研制成功。

PAI是主链上兼有酰胺和酰亚胺基团的芳香族非晶型聚合物,T g为325℃,热变形温度为274℃。PAI的摩擦系数较低,在高温下也具有较好的耐摩性。PAI在200℃经1500h热老化后,拉伸强度仍可保持80%。

PAI与PTFE具有良好的相容性,两者复配的范围广,这有利于开发不同组成的防粘涂料,以满足各种需要。1977年美国专利4049863开始介绍用含氟聚合物和PAI制备防粘涂料的底漆,自此之后,该类专利陆续出现。

PAI除了上述的特点外,作为PTFE防粘涂料的粘结成分还有以下特点:把PAI制成水溶液,与水形成单相均一体,有利于制备水性涂料;在涂料中所占的比例较少,就能使PTFE牢固附着于基材上;涂膜流平性、触变性良好,涂层光滑度高;对颜料的分散性好,容易着色。

由于PAI用于水性PTFE防粘涂料有较多优势,许多外国公司的水性PTFE防粘涂料均采用了PAI作为粘结成分。例如,最早进入我国市场、用量最大的杜邦公司的“特富龙”涂料就是使用PAI作为底漆的组分。含有PAI的PTFE涂料同样可以制成单层、双层涂覆型涂料,通用的涂料设备就可以满足制漆的需要。

313　无机粘结成分

无机材料也可以作为粘结成分。第一种是SiO2溶胶。这种溶胶的粒径达纳米级,在涂料中均匀分散于PTFE分散液内,有机和无机组分相互掺混或穿透,对提高涂层的附着力和硬度都有促进作用。第二种是反应性无机成膜物,这种物质在高温时能同涂料的另一组分发生反应,嵌入到PTFE中,使PTFE牢固附着于基材上。上述两种无机粘结材料成膜后都会形成立体构型,使PTFE贯穿于无机网络中,形成有机-无机复合涂层。采用无机粘合成分的优点是价廉易得,

高

温烧结时释放的气味少,可以制作浅色涂层,但涂料的

流平性差,而且在配方组合上需要进一步研究。

4　我国粘结材料开发现状

我国20世纪70年代初,河北工学院、广州市化学

工业研究所、广州市化学试剂二厂、天津合成树脂研究

所、四川大学等单位对PPS树脂的研制做了大量工作,

建有中试装置,并提供批量产品试用。90年代初,四川

特种工程塑料厂建成了150t/a工业性试验装置,并于

1992年通过国家鉴定。近期,我国首条千吨级PPS生

产线在四川德阳中国专利技术产业化示范园正式开工

建设。虽然我国PPS的年生产能力达数千吨,但应用

对象主要是注塑级,适合涂料使用的却不多。

我国对PAI也早有研究,自1966年以来,先后有

上海化工学院、上海涂料研究所、上海合成树脂研究

所、天津大学、中科院长春应用化学研究所、哈尔滨油

漆颜料总厂等单位进行了研究。研制的PAI基本上

是溶剂型,主要应用于漆包线、电器绝缘封装等,适用

于PTFE水性涂料的PAI几乎没有。广州市化学工业

研究所为配合水性PTFE防粘涂料的开发,进行了水

性PAI的试验研究,并已进入扩试。

收稿日期　2002-07-10

作者地址　广州市石井石潭路潭村桥东

联系电话　(020)86418177

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