PET薄膜表面性能及其與紫外光固化涂層粘接性能相關(guān)性研究

袁東芝， 鄧康清， 楊 柱， 夏 萍

（湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003）

PET薄膜表面性能及其與紫外光固化涂層粘接性能相關(guān)性研究

袁東芝， 鄧康清*， 楊 柱， 夏 萍

（湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003）

通過粘結(jié)性能實(shí)驗(yàn)研究了表面處理方法對(duì)PET薄膜/紫外光固化涂層體系粘接性能的影響，結(jié)果表明：表面處理提高了PET薄膜/涂層體系粘接強(qiáng)度。研究了PET表面處理對(duì)PET表面性能如表面形貌、光澤度（粗糙度）、表面張力、表面官能團(tuán)含量的影響，結(jié)果表明：PET薄膜經(jīng)電暈處理后，其表面粗糙度有增大的傾向，而涂層處理對(duì)PET薄膜表面粗糙度無影響；經(jīng)電暈處理和底涂處理后，PET薄膜表面張力均有增加，底涂處理提高PET薄膜表面張力的幅度更大。研究了PET薄膜表面性能與剪切強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)PET薄膜/涂層粘接體系剪切強(qiáng)度τ與PET薄膜表面張力γ具有線性關(guān)系。

PET薄膜；紫外光固化涂層；粘接性能；表面處理；表面性能

前 言

近年來，以液晶顯示器（LCD）為主要代表的各種新型平板顯示（FPD）技術(shù)和產(chǎn)品迅速發(fā)展，平板顯示產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜由于具有優(yōu)良的機(jī)械性能、電氣性能和耐化學(xué)腐蝕性能，因而被廣泛用于LCD用光學(xué)薄膜（例如擴(kuò)散膜、增亮膜等）生產(chǎn)領(lǐng)域[1]。LCD用光學(xué)薄膜要求PET薄膜具有表觀平整無缺陷、光澤度和透光率高、霧度低、涂布性能好等特點(diǎn)，普通的PET薄膜由于結(jié)晶度高、表面能低、涂布性能差、存在晶點(diǎn)缺陷等特點(diǎn)，不能用于LCD用光學(xué)薄膜。無論普通PET薄膜還是光學(xué)級(jí)PET薄膜，若其表面能低，粘接性能差，是不能賦予其某些特定功能的，因此，在制備光學(xué)膜前都需對(duì)PET薄膜表面進(jìn)行改性處理，如電暈法、光化學(xué)法、低溫等離子體法及底涂處理法[2～3]等，來提高PET薄膜/涂層粘接性能，擴(kuò)大PET薄膜的應(yīng)用范圍。

本文通過研究PET薄膜電暈處理及底涂處理對(duì)PET薄膜表面性能和PET薄膜/涂層體系粘接性能等的影響，以期找出影響PET薄膜/涂層粘接體系粘接性能的主要因素，從而為篩選LCD光學(xué)薄膜用PET薄膜和提高PET薄膜/涂層粘接性能奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料及儀器設(shè)備

聚酯丙烯酸酯紫外光固化涂層，自制，由聚酯丙烯酸酯、單體、引發(fā)劑和助劑等組成；PET薄膜，韓國SKC公司。

QXG型線棒涂膜器，天津永利達(dá)材料試驗(yàn)機(jī)有限公司；GYUV500型紫外光固化機(jī)，保定特種光源電器廠；SL200系列光學(xué)法接觸角和界面張力儀，美國科諾工業(yè)有限公司；TENSOR27型傅立葉變換紅外光譜儀，德國Bruker公司；JSM-6360LV掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社；XYL-3400連續(xù)變倍體視顯微鏡，上海精密儀器儀表有限公司；JFL-BZ 20°、60°、85°智能型光澤度計(jì)，天津市金孚倫科技有限公司；XLW2100N型智能電子拉力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南蘭光。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品制備

紫外光涂布液制備：按比例向聚酯丙烯酸酯中加入適量單體、引發(fā)劑及助劑等，用玻璃棒攪拌均勻，混合、充分溶解，配制成液。

剝離強(qiáng)度試樣制備：使用25#涂布線棒將自制的紫外光固化涂布液涂覆于PET薄膜上，放置于110℃干燥鼓風(fēng)烘箱內(nèi)1min，再將其與另一作過同樣處理的PET薄膜壓力復(fù)合。復(fù)合后，將所得樣品放入紫外光固化機(jī)固化（固化能量為186～190 mJ/cm2），然后按標(biāo)準(zhǔn)GB/T2791-1995制樣，試樣尺寸為25mm×200mm，粘接部分尺寸為：25mm×150mm。

拉伸剪切試樣制備：試樣為單搭接結(jié)構(gòu)。將自制的紫外光固化涂布液涂覆于PET薄膜上，放置于110℃干燥鼓風(fēng)烘箱內(nèi)1min，再將其與另一作過同樣處理的PET薄膜壓力復(fù)合。復(fù)合后，將所得樣品放入紫外光固化機(jī)固化（固化能量為186～190 mJ/cm2）。將試樣裁剪為60mm×10mm，粘接部分的尺寸為：10mm×12mm。

1.3 性能測(cè)試

（1）剝離強(qiáng)度測(cè)試：參照GB/T2791-1995標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，但拉伸速度為300mm/min，與GB/T2791-1995不同。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)所用試樣至少5個(gè)，所有測(cè)量均在室溫（25℃）下進(jìn)行。

（2）拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試：參照GB/T7124-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，但拉伸速度為25mm/min(試驗(yàn)機(jī)的最小速度)，與GB/T7124-2008不同。夾持處至距離最近的粘接端的距離為24mm拉伸速度為25mm/min(試驗(yàn)機(jī)的最小速度)，所有測(cè)量均在室溫（25℃）下進(jìn)行。

（3）表面張力測(cè)試：將PET薄膜裁剪為50mm×50mm大小，以蒸餾水為測(cè)試液體，測(cè)試液體性能參數(shù)為：密度為1.00kg/m3，表面張力為72.80mN/m，色散力為21.80mN/m，極性力為51.00mN/m。測(cè)定時(shí)，用微量進(jìn)樣器（100mL）將檢測(cè)液體在距固體表面約3mm處垂直、小心地滴加在固體表面，形成座滴，液滴體積為3～5mL，直徑為1～2mm，測(cè)量時(shí)間不超過1min。所有測(cè)量均在室溫（25℃）下進(jìn)行。測(cè)試所得接觸角及PET薄膜表面張力均可由儀器系統(tǒng)自動(dòng)分析得出。每種薄膜測(cè)3～4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，取其平均值。

（4）光澤度測(cè)試：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB9754-88對(duì)PET薄膜的60°鏡面光澤進(jìn)行測(cè)定。

（5）紅外光譜測(cè)試：對(duì)不同PET薄膜進(jìn)行ATR-FTIR 測(cè)試，掃描范圍 650～4000cm-1，光譜分辨率4cm-1，掃描信號(hào)累加32次。

（6）掃描電子顯微鏡分析：在試樣表面噴金處理后，在室溫條件下進(jìn)行觀察。

（7）連續(xù)變倍體視顯微鏡分析：觀察PET薄膜表面及PET薄膜與涂層的剝離斷面，物鏡放大倍數(shù)為×2，圖像采集軟件為Scope photoVer.3.0。

2 結(jié)果及分析

2.1 PET薄膜處理方法對(duì)PET薄膜/涂層體系粘接性能的影響

拉伸剪切強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度是定量表征粘接體系界面粘接強(qiáng)度大小的兩種重要參數(shù)。本文通過測(cè)定三種不同類型的PET薄膜與紫外光固化涂層的拉伸剪切強(qiáng)度和T型剝離強(qiáng)度，研究了PET薄膜處理方法對(duì)體系粘結(jié)性能的影響，其中，底涂處理的PET薄膜所使用的底涂為聚氨酯類底涂劑，結(jié)果如表1所示。

表1 PET薄膜處理方法對(duì)體系粘接性能的影響Table 1 The effect of surface treatment methods on adhesive properties of the system

從表1可知，PET薄膜經(jīng)過處理后，其粘接強(qiáng)度增大，特別是剝離強(qiáng)度增加的幅度更大。PET薄膜經(jīng)過底涂處理的比經(jīng)過電暈處理增加的幅度大，說明PET薄膜表面經(jīng)底涂處理后，可明顯改善涂層與薄膜的粘接性能。

通常情況下，粘接試件的破壞方式有三種：界面粘附破壞、膠層內(nèi)聚破壞和混合破壞。SEM是目前材料結(jié)構(gòu)研究的最直接的手段之一。這種方法像光學(xué)金相顯微鏡那樣可以提供清晰直觀的形貌圖像，具有分辨率高、觀察景深長等優(yōu)點(diǎn)[4]。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和連續(xù)變倍體視顯微鏡（ZSM）分別對(duì)PET薄膜/涂層體系剝離后的表面進(jìn)行了研究，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 PET薄膜/涂層體系剝離后SEM圖及ZSM圖Fig.1 SEM and ZSM images of the system of PET films and UV curing coatings after being peeled off

從中可知，未經(jīng)處理的PET薄膜/涂層體系幾乎不殘留或完全殘留膠層，其表面無膠層斷裂的痕跡，為界面黏附破壞；經(jīng)底涂處理的PET薄膜/涂層體系經(jīng)剝離后，其表面殘留的膠層較多，為膠層內(nèi)聚破壞；電暈處理的PET薄膜/涂層體系經(jīng)剝離后，其表面殘留的膠層較少，為界面黏附破壞或混合破壞。圖1也說明經(jīng)底涂處理的PET薄膜/涂層體系的粘接性能最好。

2.2 PET薄膜處理方法對(duì)PET薄膜表面性能的影響

影響PET薄膜/涂層體系粘接性能的因素可能有：PET薄膜表面形貌、PET薄膜表面的可反應(yīng)的官能團(tuán)，故本文對(duì)這些因素進(jìn)行了研究。

2.2.1 表面處理對(duì)PET薄膜表面形貌的影響

PET薄膜表面形貌是PET薄膜最為宏觀的表面性能。本文分別采用掃描電子顯微鏡（SEM）和連續(xù)變倍體視顯微鏡（ZSM）對(duì)PET薄膜表面形貌進(jìn)行了觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 PET薄膜表面SEM圖及ZSM圖Fig.2 SEM and ZSM images of surfaces of PET film

由圖2可知，PET薄膜表面處理（包括電暈和底涂處理）前后，其平整性都很好，未見表面有變粗糙的情況。

薄膜表面的光澤度表明了PET薄膜表面反射光的能力，薄膜在微米級(jí)水平上越平滑，其光澤度越高[5]。理論上，光澤度的大小可間接反映薄膜表面粗糙度的大小。為進(jìn)一步研究表面處理對(duì)PET薄膜表面粗糙度的影響，對(duì)PET薄膜表面的光澤度進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果如表2所示。

表2 表面處理方法對(duì)PET薄膜光澤度大小的影響Table 2 The effect of surface treatment methods on gloss of PET films

由表中數(shù)據(jù)可知，PET薄膜經(jīng)電暈處理后，其光澤度減?。唤?jīng)底涂處理后，其光澤度基本不變，說明PET薄膜經(jīng)電暈處理后，其表面粗糙度有增大的傾向；經(jīng)底涂處理后，其表面粗糙度基本不變。與圖2的觀察結(jié)果對(duì)比可知，雖然從圖2未觀察到電暈處理對(duì)粗糙度的影響，但采用更為靈敏的測(cè)光澤度的方法顯示了電暈處理提高了PET薄膜的粗糙度。適當(dāng)?shù)拇植诙扔欣谔岣逷ET薄膜與涂液的粘接強(qiáng)度。

2.2.2 PET薄膜表面處理方法對(duì)表面張力大小的影響

固體表面張力的大小，是衡量固體表面性能的一個(gè)重要指標(biāo)。為此，研究了PET薄膜表面處理方法對(duì)表面張力大小的影響。采用停滴法分析液滴形態(tài)，采用θ/2法分析靜態(tài)接觸角，固體表面能由分析系統(tǒng)自行計(jì)算得出，其計(jì)算方法為Kwok法[6]。其結(jié)果如表3及圖3所示。

表3 表面處理方法對(duì)PET薄膜表面張力大小的影響Table 3 The effect of surface treatment methods on surface tension of PET films

圖3 PET薄膜表面張力測(cè)試（以水為測(cè)試液）Fig.3 The test of surface tension of PET films(Water is used for the test fluid)

由表3可以看出，經(jīng)電暈處理和底涂處理后，PET薄膜表面張力均有增加。底涂處理提高PET薄膜表面張力的幅度更大。

由楊氏方程可知，PET薄膜表面張力越大，則涂液在PET薄膜表面越易鋪展開；由界面潤濕理論可知，接觸角越小，潤濕性越好，則PET薄膜/涂層體系的界面粘接性能也更好。圖3中，圖3（c）接觸角最小，潤濕性最好，因此，涂液在PET薄膜上的鋪展性最好；圖3（b）的涂液在PET薄膜上的鋪展性次之。這進(jìn)一步驗(yàn)證了界面粘接性能的測(cè)試結(jié)果。

2.2.3 表面處理對(duì)表面官能團(tuán)的影響

紅外光譜（IR）法在研究材料表面的分子結(jié)構(gòu)、分子排列方式以及官能團(tuán)取向等方面是很有效的手段。紅外光譜分析中的衰減傅里葉變換全反射光譜（ATR-FTIR）系統(tǒng)不僅能提供物質(zhì)表面化學(xué)結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)、分子取向和氫鍵等方面的信息，還能定量地分析極薄的表面層組成[7]。為此，采用ATRFTIR研究了PET薄膜表面處理對(duì)PET薄膜表面官能團(tuán)的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 PET薄膜表面ATR-FTIR圖Fig.4 ATR-FTIR spectrum of the surface of PET films

由圖4可知，PET在1725cm-1附近有一個(gè)強(qiáng)吸收峰，及1250cm-1、1096cm-1附近強(qiáng)吸收峰為ν（C=O）的特征譜帶，1020cm-1附近的吸收峰為ν（C-O）的特征譜帶，存在3068cm-1附近的吸收峰及1583cm-1的吸收峰，表明存在苯環(huán)，而1450cm-1出現(xiàn)的吸收峰，表明存在σ（-CH2-），734cm-1的吸收峰則表明存在ν（CH），這些吸收峰均為PET分子的特征吸收峰[8]。PET薄膜經(jīng)電暈表面處理后，官能團(tuán)的吸收峰數(shù)量沒有增加，吸收峰值有增加，表明PET薄膜經(jīng)表面處理后，其表面游離官能團(tuán)數(shù)目增加了。但PET薄膜經(jīng)底涂處理的紅外譜圖反映出的是PET的特征吸收峰，未反映出所用底涂的官能團(tuán)，這可能是底涂層厚度太薄，底涂層的特征吸收峰被PET的特征吸收峰所覆蓋所致。

2.3 PET薄膜/涂層的界面粘接性能與PET薄膜表面性能的相關(guān)性

前面的研究表明，經(jīng)電暈處理或底涂處理后，PET薄膜表面張力均有增加，底涂處理的情況下，表面張力增加的幅度更大，而底涂處理的PET薄膜/涂層的粘接強(qiáng)度也高于電暈處理的PET薄膜，顯示了表面張力與粘接強(qiáng)度的存在著一定關(guān)系。為此，本文研究了PET薄膜/涂層的界面粘接性能與PET薄膜表面性能的關(guān)系，即PET薄膜/涂層體系的剪切強(qiáng)度與PET薄膜表面張力γ的關(guān)系。本研究選用了6種表面張力大小不同的PET薄膜，結(jié)果如圖5所示。

圖5 粘接體系的剪切強(qiáng)度τ與PET薄膜表面張力γ的關(guān)系圖Fig.5 The relation between the shear strength τ of the adhesive system and the surface tension γ of PET

圖5中，點(diǎn)1所用PET薄膜為未經(jīng)處理的PET薄膜，點(diǎn)2為經(jīng)電暈處理的PET薄膜，點(diǎn)3、4、5和6均是經(jīng)過底涂處理后的PET薄膜（所用底涂劑不同，表面張力不同）。實(shí)線是點(diǎn)1、3、4、5和6五個(gè)點(diǎn)的線性回歸結(jié)果，虛線是點(diǎn) 1、2、3、4、5 和 6 六個(gè)點(diǎn)的線性回歸結(jié)果。實(shí)線的相關(guān)系數(shù)R為0.9926，虛線的相關(guān)系數(shù)R為0.9729。從中可知，實(shí)線的線性相關(guān)性好于虛線，這主要是由于實(shí)線剔除了第2點(diǎn)的緣故。

取實(shí)線，剪切強(qiáng)度τ與PET薄膜表面張力γ的關(guān)系為：

對(duì)于同一種涂層液體，PET薄膜表面張力γ越大，其在PET表面浸潤性越好，因而產(chǎn)生較強(qiáng)的粘接性。實(shí)線中，第2點(diǎn)偏高是由于電暈增加了PET表面粗糙度導(dǎo)致粘接性增加，剪切強(qiáng)度有少量增加的緣故，這也是研究中剔除第2點(diǎn)的原因。因此，PET薄膜表面性能對(duì)PET薄膜/涂層粘接性能的影響主要反應(yīng)在PET薄膜表面張力大小對(duì)PET薄膜/涂層粘接性能的影響。對(duì)非反應(yīng)型涂層，PET薄膜表面張力是影響粘接體系粘接性能的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

通過拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試、T型剝離強(qiáng)度測(cè)試研究了PET薄膜表面處理對(duì)PET薄膜/紫外光固化涂層粘接性能的影響，結(jié)果表明，PET薄膜表面處理明顯提高了粘接強(qiáng)度。同時(shí)，通過研究PET薄膜表面處理對(duì)PET薄膜表面性能如表面形貌、光澤度、表面張力、表面官能團(tuán)含量的影響，結(jié)果表明，PET薄膜經(jīng)電暈處理后，其表面粗糙度有增大的傾向，而涂層處理對(duì)PET薄膜表面粗糙度無影響；經(jīng)電暈處理和底涂處理后，PET薄膜表面張力均有增加，底涂處理提高PET薄膜表面張力的幅度更大，這與底涂處理的PET薄膜/涂層的粘接強(qiáng)度高于電暈處理的PET薄膜/涂層的粘接強(qiáng)度是一致的。在此基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)粘接體系剪切強(qiáng)度隨PET薄膜表面張力增大而增大，粘接體系剪切強(qiáng)度τ與PET薄膜表面張力γ具有線性關(guān)系。因此，對(duì)非反應(yīng)型涂層，PET薄膜表面張力是影響粘接體系粘接性能的關(guān)鍵因素。

［1］佚名.光學(xué)聚酯薄膜市場(chǎng)前景廣闊［J］.塑料科技，2010,3：96.

［2］密特KL,A皮茲.粘接表面處理技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］馮樹銘.PET薄膜的性能及其改性［J］.聚酯工業(yè)，2009,22(1)：16～18.

［4］CHALKER R,BULL S J,RICKERBY D S .Review of methods for the evaluation of coating-substrate adhesion ［J］.Materials Science and Engineering A,1991,140(1)：583～592.

［5］高宏保.聚酯膜用SiO2開口劑的特征及評(píng)價(jià)［J］.合成技術(shù)及應(yīng)用，2007,22（1）：20～23.

［6］KWOK D Y,NEUNANN A W .Contact angle measurement and contact angle interpretation［M］.Colloid Interface Sci,1999(81)：167～249.

［7］筏羲人.高分子表面的基礎(chǔ)和應(yīng)用［M］.徐德恒，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990.

［8］吳瑾光.近代傅里葉變換紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用（下卷）［M］.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994.

Research on the Surface Properties of PET Films and Their Correlation to the Adhesive Properties of PET films/UV Curing Coatings

YUAN Dong-zhi,DENG Kang-qing,YANG Zhu and XIA Ping
（Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology,Xiangyang 441003,China）

The effects of different surface treatments of PET films on the adhesive properties of PET films/UV curing coatings system are studied,the results show that surface treatment of PET films increases the adhesive strength of the PET films/UV curing coatings system.The effects of different surfaces treatments to PET films on surface properties of PET films,such as the surface topography,gloss(or roughness),surface tension,and the number of surface functional groups are studied,too.The results indicate that the roughness tends to increase by corona treatment,however the coating treatment has no effect,and the surface tension increases by both the corona treatment and the coating treatment,especially by the coating treatment.It is found that a linear relation exists between the shear strength τ of the PET films/UV curing coatings and the surface tension γ of PET films.

PET film;UV curing coatings;adhesive property;surfaces treatment;surface property

TQ323.41

A

1001-0017（2012）04-0019-05

2012-01-10

袁東芝（1986-）女，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向：高分子材料。