疏水的有机材料—聚四氟乙烯

徐长发，华中科技大学，2018.2.20    

一．聚氟乙烯材料有许多优良特性

荷叶不粘水，这是大家熟知的。为什么荷叶疏水呢？在扫描电镜下发现，荷叶表面并不光滑，而是有许多细小的突起，直径5-9微米，突起上还有密密麻麻的纳米级的“短毛”，直径约为120纳米，这两种结构组合在一起，构成微米-纳米结构。荷叶表面分泌的生物蜡和这种微米-纳米结构使荷叶具有很强的拒水性和自清洁性，水在荷叶上成珠状，极易从荷叶上滚落并带走灰尘。

现在，科学家能够简单地仿生制作出类似荷叶那样的不沾水的材料，先用蒸发法或沉积法在基质材料上铺上一层金属纳米颗粒，再用长链烃分子加以修饰，便做出了拒水自清洁的膜。长链烃本身就疏水，它模仿荷叶面上蜡质；金属纳米颗粒就模仿荷叶上的纳米突起；这里的基质材料可以是金属，可以是含硅的材料，也可以是高分子有机材料。之所以研究疏水自清洁材料，是因为它有很多很多的应用需要。

现在，有一种疏水材料—聚四氟乙烯，这种材料的分子构造产生了疏水性。聚四氟乙烯不是由乙烯生成的，仅是它的分子结构与乙烯的分子结构相同，乙烯分子的外层有四个氢原子，聚四氟乙烯分子的外层是四个氟原子；把若干个四氟乙烯分子聚合在一起就成为大分子结构的“聚四氟乙烯”；若干个四氟乙烯大分子又会嵌合在一起，分子的外层密布着氟原子。

聚四氟乙烯，中文又称“特氟隆”、“塑料王”，它有很多良好的特性。

1）耐温性能——正常工作温度为-196℃-250℃；高温熔融可挤压成型。

2)力学性能——在正常工作温度下，具有良好的机械韧性；受力过大会出现蠕变。

3)耐腐蚀——对大多数化学药品和有机溶剂都表现出惰性，能耐强酸强碱。

4)耐老化——老化寿命可达28-35年，是塑料中抗老化最佳的。

5)高润滑——是固体材料中摩擦系数最低的。

6)不粘附——是固体材料中表面张力最小的，一般物质都不能粘附，不沾水，不沾油。

7)无毒害——可以在人体内长期存在，无不良反应。

8)电绝缘——可以抵抗1500伏高压电。

二．聚氟乙烯有着非常广泛的应用

正是这些优良性质，聚四氟乙烯材料的应用非常广泛，可用于各行各业，下面仅按应用类别介绍如下：

1.防腐蚀类，主要利用其不怕腐蚀和不粘附的特点。

1）管道及配件。2）化工容器内衬。3）阀门及泵的主要部件。4）食品级或有毒物质的过滤件材料。5）水下工作部件防腐蚀并延长使用寿命。

2.密封类，主要利用其不怕恶劣的工作环境，工作温度范围广，贴合性能好的优点。

像盘根、环形的、V型的密封件，还可用于对轴、活塞杆、阀门、泵体等的高要求密封件。

3.防粘类，主要利用其不粘附，拒腐蚀，无毒，工作适应性强的优点。

1）纺织工业，用于浆纱机热辊外包裹层，可免除化学浆料的粘辊现象，大大提高生产速度和质量。

2）食品工业，用于输送带材料，因为它不粘物，无毒性，所以有节能和清洁的优点。

3）食品用具的防粘涂层，像烧炒锅、烤箱、冷冻食品储存托盘、电熨斗托底、复印机夹辊等的涂层，使用聚四氟乙烯涂层，不沾的效果显著。

4）用于管道内壁不沾涂层。厨房、厕所的排水管很容易被堵塞，疏通排水管也是一件很头痛的事情，不沾污的水管非常实用。输水管内壁不沾污，既卫生又可延长使用寿命。输油管道内壁不粘附，可提高输运效率。

5）物件表面的不沾涂层。冰箱内壁不沾水就不会结冰。输电设备、雷达等在寒冷工作状态下不粘水不结冰，防冰冻雪灾。船体水下表面使用不沾涂层，既可以防锈还可以减少阻力。

4.绝缘类，主要利用其绝缘性能、工作温度范围广、易加工的特点。

1）电线电缆的高级绝缘材料。

2）双水内冷汽轮发电机定子和转子引水管和热电偶的护套。

3）高频、超高频通讯设备和雷达的微波绝缘材料。

4）印刷线路基板及马达、变压器的绝缘材料。

5）空调、电子炉、各种加热器及断路器的绝缘材料。

5.耐温类，主要利用其工作温度范围广的优点。

1）微波炉的驱动传动装置，如连轴器、滚轮等。

2）各种制冷机、空调、制氧机、压缩机的耐温配件。

3）工业生产中，对各种产品的烘烤托盘。

6.生物类，主要利用其无毒性，生物相容性好的特性。

1）人体代用动脉、静脉血管、心脏膜。

2）内窥镜、钳导管，气管，注射用具。

3）其它管、瓶、滤布等医疗器材。

7.过滤类，做成薄膜限制孔径，也可抽丝纺织限制孔径，用于多种需要的过滤。

1）聚四氟乙烯空气过滤膜，孔径在0.1微米以下，具有表面光滑、透气不透水、阻燃、耐高温、抗强酸碱、无毒等特性，广泛用于化工、钢铁、冶金、炭黑、发电、水泥、垃圾焚烧等各种工业熔炉的烟气除尘过滤。

2）聚四氟乙烯精细净化过滤膜，孔径0.08-0.05微米以下，广泛应用于制药、生化、微电子和实验室无尘车间、通风设备、净化设备、医疗电子等行业的空气净化。

8.承载类，纯聚四氟乙烯制品的承载能力不够好，承载力大了，内部会发生蠕变。于是，加入一些填充物，这样就在承载能力、摩擦能力方面改善了。用这种复合材料做成滑块、轴承、活塞环、机床导轨、和其它零件，可在高温、低速、高负荷的条件下正常使用；现在已经在众多行业中被广泛使用了。

三．聚四氟乙烯涂料

聚四氟乙烯的机械零部件是怎么做出来的？聚四氟乙烯是一种树脂，它的原料形式可以是颗粒状的，把原料加热，利用挤压等方式就可以成型了。

聚四氟乙烯还可以抽丝，用于纺织。

通常情况下，聚四氟乙烯是不能够紧密地附着在物件表面上的，如何让它做成实用有效的涂料呢？事实上，利用特殊的可挥发的溶剂，可制成像“树脂漆”一样的聚四氟乙烯涂料，现在市面上普遍可以买到，不过还要采用比较特殊的施工方法。

例如，要在金属表面上涂上聚四氟乙烯防护层，有几个关键点：1）被涂的物件的表面要进行除油、除锈和粗化处理。2)要涂底漆并烘干，底漆既能和物件也能和聚四氟乙烯精密结合。3）喷涂聚四氟乙烯涂料多次，每次都要烘干后再喷涂。不沾锅的涂层就是这样做出来的。

 还有一种让附着力增强的方法，在干净的物件表面先喷涂化学助剂（钠-奈处理液），再喷涂一层聚四氟乙烯涂料，这种化学助剂可以夺走部分氟原子，让碳-碳键和物件紧密结合。

现在，市面上还有一种经过改性的聚四氟乙烯涂料，不用底漆，可以在较低的温度下固化，使用起来方便多了。

总之，聚四氟乙烯涂料的应用前景非常广阔。它可做成有颜色的涂料；可做成各种用于防污的家装涂料；可做成汽车外层的涂料；它广泛应用于石油、化工、机械、航空、航天、有色金属、电子等国民经济建设的各个领域。

四．聚四氟乙烯薄膜的表面改性技术

聚四氟乙烯材料确实有很多优点，受到人们的喜爱和重视，可是它也有一些不足，人们设法改进这些不足，试图把聚四氟乙烯用得更好。例如，聚四氟乙烯做密封圈有一点不理想，就是不能受到太大的压力，于是人们就用填充改性的方法解决了这个问题。

聚四氟乙烯透明、高抗污、雨水冲洗就会清洁、有一定强度，如果做成透光薄膜用于屋顶岂不是很理想吗，可是要考虑一个困难，就是如何把膜牢固地粘接在钢架上。

科学家们用表面改性处理的办法解决了这个问题；一方面，在高温下让整个薄膜表面嵌入一些颗粒，让膜的膨胀系数和钢材接近，膜和钢材可以同步热胀冷缩；另一方面，在膜和钢架的结合部分（例如膜片块的周边）再嵌入一些易粘接的颗粒，让薄膜和钢架的附着力增强。

这种改性的薄膜材料，0.20mm厚，每平方米只有0.15-0.35公斤，重量轻；透明，自然光可透过95%；通过表面印刷，该材料的透明度可按照需要降低；通常雨水就可以清洁表面，不需要日常保养；和支撑架紧密结合。这种膜不易燃，寿命至少为30-35年，废旧材料还可以再循环生产。是做屋顶膜材料的最佳选择。2008年北京奥运会国家体育馆及国家游泳中心等场馆，就是采用了这种膜材料。

聚氟乙烯薄膜表面改性技术越来越多了。为了增加薄膜表面的粘接性，可以在薄膜表面涂上化学液体，破坏薄膜表面的碳-氟键，夺取氟原子，使薄膜表面脱氟并出现碳化层；也可以在高温条件下，把表面活性和粘接性稍好的、粒径很小的填料（例如二氧化硅、铝粉等）嵌入薄膜表面；高能辐射接枝技术也是有效的，例如笨乙烯分子在高能辐射下就容易接枝到聚四氟乙烯的分子上，改善粘接性；激光处理技术也是有效的，在某种气态份围下，用激光短时间照射薄膜表面，促使薄膜表面改性；离子束注入法也非常有效，用高能量的离子束直接注入薄膜，在材料内部产生化学物理反应，促使材料改性；低温等离子体改性方法也容易实施，在真空状态下对某种物质施加电场，使其变成等离子体，含有大量的离子、电子、光子和多类活性粒子，用其轰击材料表面，优化表面性能。

近年来人们通过在分子上接枝其它分子的改性技术，极大地拓宽了聚四氟乙烯的应用范围，降低了使用条件和限制，聚四氟乙烯材料，无论是涂料、薄膜还是构件，将在更广泛的领域中发挥更惊人的作用。

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