PTFE 薄膜的密度主要受原料特性、结晶度、制备工艺参数、杂质 / 孔隙含量及后处理工艺等因素影响,其中结晶度是决定密度的核心内在因素,制备工艺则是调控密度的关键外在手段(PTFE 理论结晶密度约 2.30 g/cm³,非晶密度约 1.90 g/cm³,实际薄膜密度介于两者之间)。
1. 原料特性的影响
树脂类型:
悬浮聚合 PTFE 树脂(分子量高、粒径大)分子链规整性强,制得的薄膜结晶度更高,密度更大(接近 2.20 g/cm³);分散聚合 PTFE 树脂(分子量低、粒径小)分子链堆砌松散,结晶不完全,薄膜密度略低(2.00-2.15 g/cm³)。
分子量分布:
分子量分布窄的树脂,分子链排列更均匀,结晶度高,密度大;分布宽的树脂含低分子量组分,会破坏结晶规整性,导致密度偏低。
2. 结晶度的核心作用
PTFE 是半结晶聚合物,薄膜整体密度随结晶度升高而增大:
冷却速率:缓慢冷却时,分子链有充足时间排列成晶,结晶度可达 70-80%,密度接近 2.20 g/cm³;淬火(快速冷却)会抑制结晶,结晶度降至 40-50%,密度仅 2.00-2.05 g/cm³。
拉伸取向:单向 / 双向拉伸会破坏部分结晶结构,形成微孔(孔隙率提升),结晶度显著下降,密度大幅降低。例如:未拉伸的致密 PTFE 薄膜密度~2.2 g/cm³,而膨体 PTFE(ePTFE)经拉伸后孔隙率达 80-95%,密度仅 0.2-0.5 g/cm³。
3. 制备工艺参数的调控
(1)成型工艺
压延成型:压延压力越大,分子链堆砌越紧密,结晶度提升,密度增大;压力不足时内部易产生微孔,密度偏低。
挤出成型:挤出温度过高(超过 380℃)会导致分子链热运动剧烈,结晶度下降;螺杆转速过快产生的剪切应力会打乱结晶排列,密度波动。
流延成型:浆料浓度越高,薄膜越致密,密度越大;基材速度过快易造成薄膜厚度不均、微孔增多,密度降低。
(2)烧结工艺
烧结是 PTFE 薄膜成型的关键步骤,直接影响结晶度和密度:
烧结温度:适宜温度为 370-380℃(PTFE 熔点~327℃),温度过低树脂未完全熔融,分子链无法充分排列,结晶度低;温度过高会引发热降解,产生小分子挥发并形成微孔,密度下降。
保温时间:保温时间充足(一般 2-4 小时),分子链排列规整,结晶度高,密度大;时间不足则结晶不完全,密度偏低。
4. 杂质与孔隙的影响
杂质含量:原料中的低密度杂质(如助剂残留、低分子量聚合物,密度 1.0-1.5 g/cm³)会降低整体密度;高密度杂质(如金属微粒)虽会使密度偏高,但会破坏薄膜性能。
孔隙 / 气泡:制备过程中引入的气泡或微孔是密度下降的主要原因,孔隙率与密度呈负相关 —— 孔隙率每提升 10%,密度约下降 0.2-0.3 g/cm³(如 ePTFE 的高孔隙率直接导致其低密度特性)。
5. 后处理工艺的修正
热定型:对拉伸后的薄膜进行低温热定型(200-300℃),可修复部分结晶结构,结晶度回升,密度小幅提高;定型温度过高则会融化结晶,密度再次下降。
辐照处理:高能辐照会断裂 PTFE 分子链,结晶度降低,密度略有下降(约 0.05-0.10 g/cm³),同时引入交联结构影响分子堆砌。
延伸:不同类型 PTFE 薄膜的密度范围
薄膜类型 密度范围(g/cm³)
致密 PTFE 薄膜 2.10-2.20
ePTFE 薄膜 0.20-0.50
玻璃纤维填充 PTFE 薄膜 2.30-2.50
碳纤维填充 PTFE 薄膜 2.20-2.40