用于隔膜应用的耐腐蚀聚四氟乙烯薄膜的研究

《Progress in Organic Coatings》：Investigation of corrosion-resistant polytetrafluoroethylene thin films for diaphragm applications

　　

丁大文|李宇荣|白昇勋|洪顺旭

韩国光州市 Buk-gu 区 Yongbong-ro 77 号，全南国立大学机械工程系，61186

摘要

不锈钢因其稳定性、耐腐蚀性、经济性和加工性而受到广泛重视，是阀门、轴承和齿轮等部件的首选材料。然而，在强酸性环境中，不锈钢和镍铬基合金的表面常常会发生腐蚀，出现裂纹、凹坑和副产物，从而降低部件的可靠性。这些腐蚀问题引发了用户安全性和工业生产率的担忧。本研究通过溅射技术在不锈钢表面涂覆了聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，并利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、水接触角测量以及X射线光电子能谱（XPS）对薄膜性能进行了表征。在盐酸（HCl）环境中，通过电化学阻抗谱评估了PTFE薄膜的耐腐蚀性。结果表明，与未涂覆的不锈钢相比，PTFE薄膜具有更高的耐腐蚀性，证明了其有效减缓金属基材腐蚀的作用。为了探讨溅射PTFE薄膜在工业阀门中的应用潜力，研究了其机械性能，包括附着力、耐磨性、硬度和弹性模量，结果均表现出优异的性能。此外，将PTFE涂层应用于隔膜阀后，该阀在酸性介质中运行时没有泄漏现象，在真空环境下输送盐酸时表现良好。经过10,000次反复弯曲测试后，PTFE涂层隔膜表面无裂纹，而未涂层隔膜表面出现了大量裂纹（XPS分析显示存在氯离子）。

引言

由于制造方便、成本低廉以及出色的机械性能和耐腐蚀性，不锈钢成为制造阀门、轴承和齿轮的理想材料。然而，高腐蚀性介质会破坏不锈钢的钝化层，导致腐蚀、生锈和开裂，从而缩短机械部件的使用寿命，并在输送腐蚀性化学品的行业中引发安全隐患[1][2]。

Yoon等人报告称，由于腐蚀性介质和隔膜反复弯曲的作用，裂纹由腐蚀坑和疲劳载荷引发[3]。为了解决这些问题，聚四氟乙烯（PTFE）被作为不锈钢的替代材料进行研究。PTFE以其低表面能和高的热稳定性及化学稳定性而闻名，这些特性源于其强碳-氟键，使得其他分子难以破坏其聚合物结构并引发化学反应[4][5][6]。PTFE的低表面能还赋予其疏水性，减少了与有毒溶液的接触，从而限制了腐蚀的发生时间。尽管市售的块状PTFE在机械部件中得到广泛应用，但其有限的材料性能限制了相关系统的运行条件[7][8]。先前的研究表明，通过薄膜工艺制备的纳米至微米级PTFE薄膜比块状PTFE具有更优异的机械性能[9][10]。因此，通常选择PTFE薄膜而非块状PTFE部件来提高耐腐蚀性和机械性能。这些PTFE薄膜常与其他材料结合使用以增强耐腐蚀性，而纯PTFE薄膜的研究相对较少[11][12][13]。

PTFE薄膜可通过粉末基溶液或物理气相沉积法沉积在基底上。在粉末基涂层过程中，PTFE粉末与溶剂、粘合剂和添加剂混合，但由于其化学惰性和高熔点，难以溶解和分散，导致室温下难以处理PTFE溶液，从而影响薄膜的均匀性[14][15][16]。此外，PTFE的低表面能导致其与基材的附着力较差。这些技术通常需要退火步骤来改善界面附着力，从而增加加工时间。隔膜具有三维曲面结构，粉末基技术的涂覆效果不佳。另一种方法是溅射技术，可以直接从源材料制备薄膜。高能PTFE原子撞击基底，促进薄膜与基底之间的强相互作用，形成厚度精确且均匀的薄膜，且适合大规模生产。

基于以上背景，本研究选择304不锈钢（SUS 304）作为PTFE薄膜的基底。SUS 304不含钼，其耐腐蚀性低于316不锈钢[17][18][19]。为了系统研究PTFE的存在和厚度对机械性能和耐腐蚀性的影响，通过调整溅射时间在SUS 304基底上涂覆了不同厚度的纯PTFE薄膜。为了解决工业隔膜失效问题，将市售阀门中的隔膜涂覆了PTFE。该PTFE涂层隔膜在酸性环境中经历了10,000次周期性弯曲测试，测试过程中使用气动力量将隔膜抬起，模拟常闭（NC）阀门的闲置状态。随后通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析评估了PTFE涂层的有效性，并研究了未涂层隔膜的失效机制。以往的研究主要集中在平面基底上的PTFE薄膜，并在实验室条件下进行评估。相比之下，本研究将溅射PTFE薄膜应用于实际隔膜系统，验证了其在反复弯曲和腐蚀环境中的性能。

章节摘录

涂层制备

采用单晶硅片（110）和机械抛光后的SUS 304作为溅射沉积PTFE的基底。这些基底依次用丙酮、异丙醇和超纯水在超声波清洗槽中清洗。溅射前，将腔室抽至低于8×10^-6 Torr的基压，然后进行15分钟的预溅射以清除表面杂质。溅射过程中，参数保持稳定

表面形貌

图1展示了在表1所列条件下，通过溅射在硅片上沉积的PTFE薄膜的形貌。通过调整溅射时间，制备了厚度分别为0.4 μm、1 μm和2.5 μm的薄膜，以评估其机械和化学性能。图中的“PTFE 0.4 μm”、“PTFE 1 μm”和“PTFE 2.5 μm”分别代表相应厚度的薄膜。选择最小厚度0.4 μm是为了确保结果的可靠性

结论

本研究采用溅射技术在SUS 304和镍铬基隔膜上制备了PTFE薄膜，以验证其适用性。研究结论如下：

• (1)
  SEM和AFM图像显示，随着薄膜厚度的增加，PTFE颗粒会聚集。PTFE 0.4 μm对表面粗糙度影响较小；然而，PTFE薄膜的存在显著提高了水接触角（WCA）值。薄膜越厚

作者贡献声明

丁大文：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验设计、数据分析。李宇荣：撰写——审稿与编辑、结果验证、概念构思。白昇勋：撰写——审稿与编辑、结果验证、概念构思。洪顺旭：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、方法设计、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金由韩国政府（MSIT）提供（项目编号：2022R1C1C1006824）。