Политетрафторэтилен, или ПТФЭ, — очень распространенный материал, широко используемый практически во всех основных отраслях промышленности. Этот сверхскользкий и многоцелевой фторполимер применяется повсюду: от аэрокосмической и автомобильной промышленности (в качестве изоляционного покрытия для кабелей) до обслуживания музыкальных инструментов (он используется в смазочных материалах для клапанов духовых и деревянных духовых инструментов для обработки их движущихся частей). Вероятно, наиболее известное его применение — это антипригарное покрытие для кастрюль и сковородок. ПТФЭ может быть использован для формования деталей; в качестве гибких трубных соединений, корпусов клапанов, электрических изоляторов, подшипников и шестерен; а также экструдирован в виде трубок.
Чрезвычайная химическая стойкость и химическая инертность, а также легкость и прочность ПТФЭ делают его весьма выгодным в производстве и использовании медицинских изделий. Благодаря чрезвычайно низкому коэффициенту трения (что математически означает, что поверхность удивительно скользкая),Трубка из ПТФЭТрубки из ПТФЭ могут использоваться для переноса агрессивных химических веществ или медицинских инструментов, чистоту которых необходимо сохранять и которые должны безопасно вводиться в организм во время операции. Трубки из ПТФЭ настолько скользкие, упругие и тонкие, что идеально подходят для направляющих катетеров (внутренний диаметр), через которые должны свободно скользить такие инструменты, как стенты, баллоны, устройства для атерэктомии или ангиопластики, без риска зацепов или закупорки. Поскольку к этому материалу ничего не прилипает, он также может препятствовать прикреплению бактерий и других инфекционных агентов к трубкам и вызывать внутрибольничные инфекции.
Все эти невероятные свойства ПТФЭ означают, что он почти всегда соединен с чем-то еще. Если он используется в качестве покрытия, уплотнительной прокладки или трубки с оболочками из Pebax и пластиковыми соединительными муфтами, весьма вероятно, что ему необходимо прилипнуть к другому материалу. Возможно, вы заметили то, о чем мы уже говорили: к ПТФЭ ничего не прилипает. Свойства, которые делают этот материал таким привлекательным для компаний, производящих медицинские изделия, также создают производственные проблемы на этапах разработки и производства продукции. Прилипание покрытий, эластомеров и других компонентов устройств к ПТФЭ невероятно сложно и требует строгого контроля технологического процесса.
Итак, как производители делают этот широко используемый, не поддающийся склеиванию материал пригодным для склеивания? И как они узнают, что он был должным образом обработан или подготовлен и действительно готов к склеиванию или нанесению покрытия?
Важность химического травления ПТФЭ
Чтобы объяснить необходимость химического травления, нужно понять, что вызывает неспособность ПТФЭ к склеиванию. ПТФЭ состоит из очень прочных химических связей, из-за которых его трудно соединить с чем-либо еще, даже на короткое время.
Поскольку ПТФЭ химически инертен, то есть его поверхность не вступает в реакцию ни с какими химическими молекулами, с которыми он контактирует, будь то молекулы воздуха или молекулы на поверхности других материалов, его поверхность необходимо химически модифицировать для обеспечения возможности крепления к кабелям, металлам или трубкам, к которым он применяется.
Адгезия — это химический процесс, в котором верхние 1-5 молекулярных слоев поверхности взаимодействуют с химическими веществами, присутствующими в верхних 1-5 молекулярных слоях той поверхности, на которую она наносится. Следовательно, поверхность ПТФЭ должна быть химически реактивной, а не химически инертной, чтобы успешно соединяться. В материаловедении поверхность, которая обладает высокой реакционной способностью и стремится к соединению с другими молекулами, называется «высокоэнергетической поверхностью». Таким образом, ПТФЭ необходимо перевести из «низкоэнергетического» состояния, которое является его базовым состоянием, в «высокоэнергетическое», пригодное для соединения.
Существует несколько способов сделать это, включая обработку вакуумной плазмой, а некоторые утверждают, что могут получить поверхность, пригодную для склеивания ПТФЭ, путем шлифовки, абразивной обработки или использования грунтовок, разработанных для ПВХ или полиолефинов. Однако наиболее распространенным и научно доказанным методом является процесс, называемый химическим травлением.
Травление разрывает некоторые углерод-фторные связи в ПТФЭ (из которых состоят все фторполимеры), фактически изменяя химические характеристики травленой области, превращая ее из инертной поверхности в активную, способную химически взаимодействовать с другими веществами. Полученная поверхность становится менее скользкой, но теперь ее можно склеивать, формовать или соединять с другими материалами, а также наносить на нее печать или гравировку.
Травление осуществляется путем помещения ПТФЭ в раствор натрия, например, с помощью широко используемого раствора Tetra Etch. В результате химической реакции с поверхностью молекулы фтора удаляются из углеродно-фторного остова фторполимера, оставляя атомы углерода с дефицитом электронов. Свежепротравленная поверхность обладает очень высокой энергией, и при контакте с воздухом молекулы кислорода, водяного пара и водорода замещают молекулы фтора, восстанавливая электроны. В результате этого процесса на поверхности образуется реактивная пленка из молекул, обеспечивающая адгезию.
Одно из главных преимуществ химического травления заключается в том, что оно способно изменять лишь несколько верхних молекулярных слоев, оставляя остальную часть ПТФЭ неповрежденной со всеми ее уникальными свойствами.
Как проверить стабильность процесса химического травления.
Основные свойства ПТФЭ остаются неизменными, поскольку химическое травление затрагивает лишь несколько самых верхних молекулярных слоев. Однако трубка может приобрести коричневый или бежевый оттенок. Изменение цвета, по-видимому, не коррелирует с прочностью сцепления поверхности, поэтому не следует использовать это изменение цвета как истинный показатель качества травления ПТФЭ.
Лучший способ убедиться, что травление создало желаемую поверхность, — это использовать метод, применяемый всеми профессиональными травильщиками: измерение угла смачивания водой. Этот метод заключается в нанесении капли высокоочищенной воды на ПТФЭ и измерении её поведения. Крошечная капля либо скатывается в шарик, потому что сильнее притягивается сама к себе, чем к ПТФЭ, либо «смачивает» поверхность и растекается, потому что сильно притягивается к ПТФЭ. В целом, чем успешнее химическое травление, тем ниже угол смачивания (тем более плоской будет капля). Это часто называют проверкой «смачиваемости» поверхности, потому что, по сути, если поверхность правильно протравлена и капля воды растекается, то большая часть поверхности смачивается.
ИзображениевышеНа рисунке показан вид сверху на каплю воды (внутри маленького желто-синего кольца) на трубке из ПТФЭ до травления. Как видите, край капли образует угол 95 градусов с поверхностью трубки.
На изображении выше показана аналогичная капля воды, осевшая на трубке из ПТФЭ после травления. Видно, что капля растеклась по поверхности трубки шире, поскольку желто-синее кольцо стало больше. Это означает, что край капли создает меньший угол контакта с поверхностью трубки. И при измерении этого угла с помощью прибора Surface Analyst, с помощью которого были сделаны оба изображения, мы видим, что угол составляет 38 градусов. Если это соответствует нашим заранее определенным требованиям к значению, необходимому для обеспечения возможности склеивания этой трубки, то мы только что подтвердили, что поверхность была достаточно протравлена.
Для наиболее эффективного использования теста на угол смачивания водой важно сотрудничать со специалистом по поверхностной обработке, чтобы понять, какой диапазон углов смачивания является идеальным после травления. Это позволит вам построить предсказуемый процесс склеивания на основе количественно измеримых параметров. Потому что, если вы знаете, что вам нужно создать поверхность с определенным углом смачивания, то вы знаете, что при достижении этого результата адгезия будет успешной.
Кроме того, для обеспечения эффективного процесса травления важно измерить угол смачивания водой до начала травления. Оценка исходного уровня чистоты позволяет точно определить параметры травления для достижения требуемого угла смачивания.
Уход за вашим гравированным покрытием
Правильное хранение травленого ПТФЭ имеет решающее значение для успешного процесса адгезии. Хранение и учет являются критической контрольной точкой (ККТ). Эти ККТ находятся на любом этапе всего процесса, где поверхность материала может изменяться, как в лучшую, так и в худшую сторону, и, возможно, непреднамеренно. ККТ хранения имеет решающее значение для травленого ПТФЭ, поскольку недавно химически очищенная поверхность настолько реактивна, что любой контакт с ней может изменить и ухудшить качество изделия.
Наилучший способ хранения ПТФЭ после травления — использовать оригинальную упаковку, в которой он поставлялся, если она герметична. Если это невозможно, хорошей альтернативой станут пакеты с УФ-защитой. Старайтесь максимально беречь ПТФЭ от воздуха и влаги, а перед попыткой склеивания обязательно измерьте угол смачивания, чтобы убедиться в сохранении адгезионных свойств материала.
ПТФЭ — это исключительный материал с множеством применений, но для достижения наилучших результатов в большинстве случаев его необходимо подвергнуть химическому травлению, а затем соединить. Для обеспечения надлежащего выполнения этой процедуры необходимо использовать тест, чувствительный к химическим изменениям на поверхности. Сотрудничайте со специалистом по материалам, который понимает ваш производственный процесс, чтобы оптимизировать процесс травления и обеспечить уверенность в рабочем процессе.
Дата публикации: 17 июля 2023 г.