聚四氟乙烯膠帶通常用做密封縫隙、裂紋和防止氣體洩漏的材料。通過進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、塗層材料和新型彈性體等。

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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象

1938年杜邦公司的羅伊普蘭科特發現，聚四氟乙烯（PTFE）是一種由四氟乙烯鍊聚合形成的聚合物。PTFE是疏水性材料，在所有材料中摩擦系數第三低（0.05-0.1），并且導熱系數低，但是熔點較高（326℃）密度高（2.2 g/cm3）。聚四氟乙烯常見的工業用途包括：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、牙齒修複材料等。

圖2：聚四氟乙烯結構：顯示出交聯的C-F分子

本文中的研究方法使用了多種測量技術，如物理吸附（比表面積）和原子力顯微鏡（AFM，表面形貌），來闡明為什麼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構層面分析材料（如PTFE），以完整地解釋其物理屬性和實際使用的性能屬性。在開發新材料時，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構信息
• 材料被擠壓成柔性薄闆時具有怎樣的性能，例如聚四氟乙烯密封膠帶

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實驗

Autosorb iQ Tosca400 AFM

分别采用物理吸附（Autosorb iQ）和原子力顯微鏡（Tosca 400 AFM）兩種不同的測量技術對聚四氟乙烯進行表征，分别測量其比表面積和表面形貌。用聚四氟乙烯粉末進行比表面積測試，用白色聚四氟乙烯膠帶進行表面形貌測試。測試結果如表1所示。

表1：PTFE測量結果

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行物理吸附測試。樣品脫氣處理條件為343K脫氣3小時。在相對壓力（P/P0）為0.1-0.25範圍内取值進行比表面積計算。

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矽傳感器，标稱共振頻率為285 kHz，力常數為42 N/m。懸臂長度為160 µm，寬度為45 µm。掃描分辨率設置為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境下進行。

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結果讨論

• 物理吸附（Autosorb iQ）

通常在恒定溫度下，使用氮氣分子作為分子探針，吸附在材料的内外表面（即N2 77K）。在吸附等溫線的發生單層吸附的區域進行取值計算比表面積值。BET理論的詳細解釋可以在其他相關文獻中找到[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構。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、是否含有纖維結構或雜質等。

圖4：10 µm×10 µm的AFM三維形貌（正向追蹤），顯示出纖維結構

根據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别為330 µm和480 µm。

結合兩種表征技術，闡明了為什麼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合，使膠帶能夠拉伸緊密的包裹縫隙。PTFE的高熔點和低導熱系數也使它适用于高溫密封。

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