聚四氟乙烯（PTFE）：為什么密封性好？
聚四氟乙烯膠帶通常用做密封縫隙、裂紋和防止氣體泄漏的材料。通過進(jìn)行氣體物理吸附和原子力顯微鏡（AFM）測試，我們得出了PTFE粉末和膠帶密封性好的原因。本文中的研究方法也可用來分析其他柔性材料，例如薄膜、涂層材料和新型彈性體等。
1介紹
圖1：聚四氟乙烯粉末。需要注意的是：雖然其本身是疏水材料，但由于氟分子的相互作用使其具有固有的聚集現(xiàn)象
1938年杜邦公司的羅伊普蘭科特發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯（PTFE）是一種由四氟乙烯鏈聚合形成的聚合物。PTFE是疏水性材料，在所有材料中摩擦系數(shù)第三低（0.05-0.1），并且導(dǎo)熱系數(shù)低，但是熔點(diǎn)較高（326℃）密度高（2.2 g/cm3）。聚四氟乙烯常見的工業(yè)用途包括：用于耐磨材料（潤滑劑、潤滑脂等）、制造疏水織物、用于耐高溫膜過濾器、牙齒修復(fù)材料等。
圖2：聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)：顯示出交聯(lián)的C-F分子
本文中的研究方法使用了多種測量技術(shù)，如物理吸附（比表面積）和原子力顯微鏡（AFM，表面形貌），來闡明為什么PTFE具有良好的密封性。本文的目的是為了說明如何在材料結(jié)構(gòu)層面分析材料（如PTFE），以完整地解釋其物理屬性和實(shí)際使用的性能屬性。在開發(fā)新材料時，我們通常需要了解以下信息：
通過測量比表面積，了解材料在亞納米級的結(jié)構(gòu)信息
材料被擠壓成柔性薄板時具有怎樣的性能，例如聚四氟乙烯密封膠帶
2實(shí)驗(yàn)
分別采用物理吸附（Autosorb iQ）和原子力顯微鏡（Tosca 400 AFM）兩種不同的測量技術(shù)對聚四氟乙烯進(jìn)行表征，分別測量其比表面積和表面形貌。用聚四氟乙烯粉末進(jìn)行比表面積測試，用白色聚四氟乙烯膠帶進(jìn)行表面形貌測試。測試結(jié)果如表1所示。
測試項(xiàng)目 | 結(jié)果 | 使用技術(shù) |
比表面積（m2/g） | 2.59 | 氣體吸附（N2） |
RMS表面粗糙度（nm） | 170 | AFM |
平均纖維寬度（nm） | 330 | AFM |
表1：PTFE測量結(jié)果
使用Autosorb iQ儀器，稱樣量約2 g，樣品管為9mm大球泡樣品管，測試氣體N2 ，測試溫度77K，用氦氣測量樣品管的自由體積進(jìn)行物理吸附測試。樣品脫氣處理?xiàng)l件為343K脫氣3小時。在相對壓力（P/P0）為0.1-0.25范圍內(nèi)取值進(jìn)行比表面積計(jì)算。
切割一塊1cm×1cm大小的聚四氟乙烯膠帶用于AFM測量。Tosca AFM儀器在輕敲模式下操作，以捕捉特征高度和特征相位對比。輕敲模式使用的懸臂為安東帕公司的Arrow-NCR10硅傳感器，標(biāo)稱共振頻率為285 kHz，力常數(shù)為42 N/m。懸臂長度為160 µm，寬度為45 µm。掃描分辨率設(shè)置為400時的圖像掃描速率為~0.5 Hz。AFM所有的測量都是在室溫環(huán)境下進(jìn)行。
3結(jié)果討論
物理吸附（Autosorb iQ）
通常在恒定溫度下，使用氮?dú)夥肿幼鳛榉肿犹结?，吸附在材料的?nèi)外表面（即N2 77K）。在吸附等溫線的發(fā)生單層吸附的區(qū)域進(jìn)行取值計(jì)算比表面積值。BET理論的詳細(xì)解釋可以在其他相關(guān)文獻(xiàn)中找到[3]。具有良好密封性能的材料通常具有較低的比表面積值（＜10 m2/g）。兩個PTFE粉末比表面積測試結(jié)果圖如圖3所示，平均值為2.59 m2/g。如此小的比表面積值通常代表材料是非多孔材料，例如PTFE。
圖3：PTFE比表面積圖
原子力顯微鏡（AFM）
AFM可以表征材料的表面形貌和粗糙度，并可以在納米尺度上檢查材料是否有雜質(zhì)或不均勻的存在。PTFE三維表面形貌如圖4所示。PTFE膠帶的RMS粗糙度為170 nm。圖中顯示出聚四氟乙烯膠帶的纖維結(jié)構(gòu)。表面形貌對于了解膠帶的某些性能很重要，例如手感、平滑度、是否含有纖維結(jié)構(gòu)或雜質(zhì)等。
圖4：10 µm×10 µm的AFM三維形貌（正向追蹤），顯示出纖維結(jié)構(gòu)
根據(jù)AFM圖，從垂直于纖維的二維表面輪廓測得纖維的平均寬度和平均高度分別為330 µm和480 µm。
結(jié)合兩種表征技術(shù)，闡明了為什么聚四氟乙烯具有良好的密封性能。低比表面積（低孔隙率）阻礙了氣體或液體的侵入。這種特性與膠帶具有的纖維特性結(jié)合，使膠帶能夠拉伸緊密的包裹縫隙。PTFE的高熔點(diǎn)和低導(dǎo)熱系數(shù)也使它適用于高溫密封。
4結(jié)論
本文展示了如何結(jié)合兩種不同的材料表征技術(shù)（物理吸附和AFM），以得到完整的PTFE膠帶的結(jié)構(gòu)信息。這種組合的表征方法可以擴(kuò)展到其他相似的材料，使材料的物理屬性與應(yīng)用結(jié)合起來。
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