PTFE 薄膜的密度主要受原料特性、結晶度、制備工藝參數、雜質 / 孔隙含量及后處理工藝等因素影響,其中結晶度是決定密度的核心內在因素,制備工藝則是調控密度的關鍵外在手段(PTFE 理論結晶密度約 2.30 g/cm3,非晶密度約 1.90 g/cm3,實際薄膜密度介于兩者之間)。
1. 原料特性的影響
樹脂類型:
懸浮聚合 PTFE 樹脂(分子量高、粒徑大)分子鏈規整性強,制得的薄膜結晶度更高,密度更大(接近 2.20 g/cm3);分散聚合 PTFE 樹脂(分子量低、粒徑小)分子鏈堆砌松散,結晶不完全,薄膜密度略低(2.00-2.15 g/cm3)。
分子量分布:
分子量分布窄的樹脂,分子鏈排列更均勻,結晶度高,密度大;分布寬的樹脂含低分子量組分,會破壞結晶規整性,導致密度偏低。
2. 結晶度的核心作用
PTFE 是半結晶聚合物,薄膜整體密度隨結晶度升高而增大:
冷卻速率:緩慢冷卻時,分子鏈有充足時間排列成晶,結晶度可達 70-80%,密度接近 2.20 g/cm3;淬火(快速冷卻)會抑制結晶,結晶度降至 40-50%,密度僅 2.00-2.05 g/cm3。
拉伸取向:單向 / 雙向拉伸會破壞部分結晶結構,形成微孔(孔隙率提升),結晶度顯著下降,密度大幅降低。例如:未拉伸的致密 PTFE 薄膜密度~2.2 g/cm3,而膨體 PTFE(ePTFE)經拉伸后孔隙率達 80-95%,密度僅 0.2-0.5 g/cm3。
3. 制備工藝參數的調控
(1)成型工藝
壓延成型:壓延壓力越大,分子鏈堆砌越緊密,結晶度提升,密度增大;壓力不足時內部易產生微孔,密度偏低。
擠出成型:擠出溫度過高(超過 380℃)會導致分子鏈熱運動劇烈,結晶度下降;螺桿轉速過快產生的剪切應力會打亂結晶排列,密度波動。
流延成型:漿料濃度越高,薄膜越致密,密度越大;基材速度過快易造成薄膜厚度不均、微孔增多,密度降低。
(2)燒結工藝
燒結是 PTFE 薄膜成型的關鍵步驟,直接影響結晶度和密度:
燒結溫度:適宜溫度為 370-380℃(PTFE 熔點~327℃),溫度過低樹脂未完全熔融,分子鏈無法充分排列,結晶度低;溫度過高會引發熱降解,產生小分子揮發并形成微孔,密度下降。
保溫時間:保溫時間充足(一般 2-4 小時),分子鏈排列規整,結晶度高,密度大;時間不足則結晶不完全,密度偏低。
4. 雜質與孔隙的影響
雜質含量:原料中的低密度雜質(如助劑殘留、低分子量聚合物,密度 1.0-1.5 g/cm3)會降低整體密度;高密度雜質(如金屬微粒)雖會使密度偏高,但會破壞薄膜性能。
孔隙 / 氣泡:制備過程中引入的氣泡或微孔是密度下降的主要原因,孔隙率與密度呈負相關 —— 孔隙率每提升 10%,密度約下降 0.2-0.3 g/cm3(如 ePTFE 的高孔隙率直接導致其低密度特性)。
5. 后處理工藝的修正
熱定型:對拉伸后的薄膜進行低溫熱定型(200-300℃),可修復部分結晶結構,結晶度回升,密度小幅提高;定型溫度過高則會融化結晶,密度再次下降。
輻照處理:高能輻照會斷裂 PTFE 分子鏈,結晶度降低,密度略有下降(約 0.05-0.10 g/cm3),同時引入交聯結構影響分子堆砌。
延伸:不同類型 PTFE 薄膜的密度范圍
薄膜類型 密度范圍(g/cm3)
致密 PTFE 薄膜 2.10-2.20
ePTFE 薄膜 0.20-0.50
玻璃纖維填充 PTFE 薄膜 2.30-2.50
碳纖維填充 PTFE 薄膜 2.20-2.40