復(fù)合材料在涂布中的翹曲因素分析

邱尚煌

（寧波激智創(chuàng)新材料研究院有限公司，浙江寧波315040）

新材料為近些年發(fā)展較快的領(lǐng)域，但研究和實(shí)踐表明，在很多情況下單層材料并不能提供充分的表面功能，或者達(dá)不到綜合的性能要求，因此復(fù)合材料便應(yīng)運(yùn)而生且應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如近幾年以薄膜基材而興起的光學(xué)薄膜［1］、鋰電池隔膜［2］、太陽(yáng)能背板［3］、汽車裝飾膜［4］等新功能薄膜，以及隔熱降溫材料、納米材料［5，6］等復(fù)合材料領(lǐng)域。

隨著薄膜復(fù)合材料越來(lái)越多的應(yīng)用到生產(chǎn)生活的方方面面，由此衍生出的涂布技術(shù)也成為日益關(guān)注的焦點(diǎn)［7］。涂布技術(shù)分為干法涂布和濕法涂布，本文就復(fù)合材料在濕法涂布中產(chǎn)生的翹曲問(wèn)題進(jìn)行分析。

圖1 為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剖面圖，本文設(shè)定第一基材為主放卷基材，膠黏劑涂布在第一基材上，第二基材為副放卷基材，與上過(guò)涂層的第一基材進(jìn)行復(fù)合。以下就幾個(gè)影響翹曲的因素進(jìn)行分析。

1 影響因素分析

1.1 工藝因素

1.1.1 張力拉伸

對(duì)于復(fù)合材料，經(jīng)過(guò)復(fù)合輥的第一基材和第二基材，在復(fù)合前分別有張力拉伸作用其上，因此要得到一個(gè)不產(chǎn)生翹曲的產(chǎn)品，需要保證二者的應(yīng)變相等，即ε第一基材=ε第二基材。若拉伸應(yīng)變過(guò)大，在拉伸過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致幅寬變窄，如圖2所示，MD方向的張力，會(huì)使CD 方向產(chǎn)生幅寬變小的趨勢(shì)，為了抵抗這種趨勢(shì)，會(huì)產(chǎn)生兩側(cè)向外的應(yīng)力，該應(yīng)力處于一個(gè)不平衡的狀態(tài)，與另一基材復(fù)合后，由于力處于不平衡狀態(tài)，會(huì)慢慢釋放，最終達(dá)到一種力的平衡，而應(yīng)力釋放會(huì)使該基材慢慢發(fā)生翹曲。

圖1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖及復(fù)合過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic illustration of compound material and composite process

圖2 張力拉伸作用下基材受力情況Fig.2 Force situation of base material under the effect of tension

1.1.2 穿膜方式影響

在相同導(dǎo)輥分布的情況下，采用不同的穿膜方式會(huì)有不同的包角摩擦，產(chǎn)生不同的摩擦接觸面積，摩擦力越大其產(chǎn)生翹曲趨勢(shì)越大。實(shí)際工程應(yīng)用會(huì)以總包角來(lái)表征這一概念，具體是將工程布置圖例按照1∶1 將基材走過(guò)導(dǎo)輥繪制成公切線，穿過(guò)某一段特定區(qū)域的導(dǎo)輥的所有包角相加得出總包角［8］。圖3為采用相同一段導(dǎo)輥，兩種穿膜方式的示意圖。從圖中可以得出穿膜方式1的總包角為1075°，穿膜方式2的總包角為813°，可以得出方式2比方式1少了262°的包角摩擦。因此在其他條件一致的前提下，穿膜方式1會(huì)產(chǎn)生更大的翹曲趨勢(shì)。

圖3 穿膜方式示意圖Fig.3 Schematic illustration of two film piercing methods

1.2 設(shè)備因素

1.2.1 復(fù)合壓力及輥徑曲率影響

目前的復(fù)合機(jī)復(fù)合裝置普遍采用三輥式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。復(fù)合壓力指復(fù)合橡膠輥與熱輥（不一定加熱）之間的壓力，它是復(fù)合橡膠輥與熱輥間的或是施加在正在復(fù)合的材料單位長(zhǎng)度上的壓力值，即線壓力。生產(chǎn)時(shí)復(fù)合壓力要適中，太小時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)貼合不夠緊密，甚至出現(xiàn)小氣泡等產(chǎn)品問(wèn)題；太大時(shí)基材有被壓延變形的可能，形成一個(gè)往橡膠輥方向翹曲的變形。

圖5 為輥曲率的應(yīng)變圖。假設(shè)復(fù)合前第一基材厚度為a（含干膠厚度），第二基材厚度為b，橡膠輥半徑為R，則可以得出第一、第二基材形變分別為：

圖4 三輥復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic illustration of three roll composite structure

因此，基材形變與橡膠輥半徑成反比關(guān)系，越大的輥徑其對(duì)復(fù)合基材的形變?cè)叫?，反之越大，這也可以解釋為什么卷芯內(nèi)部比卷芯外部翹曲嚴(yán)重。

圖5 輥曲率的應(yīng)變示意圖Fig.5 Schematic illustration of effect of roll curvature on deformation

1.2.2 導(dǎo)輥導(dǎo)入位置影響

圖6 為導(dǎo)輥導(dǎo)入位置對(duì)材料翹曲的影響，其中假設(shè)圖示基材為第二基材。圖6（a）為合格的基材導(dǎo)入位置，若導(dǎo)入導(dǎo)輥存在平行度問(wèn)題，如圖6（b）所示的不平行的情況（為表示清楚采取夸張畫(huà)法，實(shí)際生產(chǎn)中不平行問(wèn)題肉眼較難觀察），則會(huì)存在左邊松、右邊緊，于是基材右邊便存在拉伸過(guò)渡，基材左邊造成松弛，因此按照這種導(dǎo)入位置生產(chǎn)的產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生右邊單邊往第二基材方向翹曲，左邊往第一基材方向翹曲。實(shí)際發(fā)生的不平行問(wèn)題一般生產(chǎn)人員肉眼較難發(fā)現(xiàn)，需定期由專業(yè)的工程技術(shù)人員對(duì)導(dǎo)輥?zhàn)銎叫卸鹊臏y(cè)量［9］。

圖6 導(dǎo)輥導(dǎo)入位置示意圖Fig.6 Schematic illustration of guide roll position

1.3 原材料因素

1.3.1 基材熱收縮

薄膜加工時(shí)，一般會(huì)將其加熱至高聚物的高彈態(tài)溫度以上，采用拉延或淋膜等方式對(duì)其進(jìn)行拉伸，大分子鏈就會(huì)沿外力作用方向，進(jìn)行有規(guī)則的定向排列，之后對(duì)薄膜進(jìn)行冷卻收卷，分子鏈段的定向被凍結(jié)起來(lái)。當(dāng)進(jìn)入下游復(fù)合材料生產(chǎn)時(shí)，處于第一放卷的基材，涂膠進(jìn)入烘箱后重新對(duì)薄膜進(jìn)行加熱，由于分子鏈段的活動(dòng)，高聚物有一種恢復(fù)其拉伸前尺寸的趨勢(shì)（記憶功能），被拉伸定向的薄膜產(chǎn)生應(yīng)力釋放，已定向的薄膜發(fā)生解取向，薄膜就沿原來(lái)拉伸方向收縮恢復(fù)到初始尺寸，產(chǎn)生熱收縮性［10］。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程往往在工藝上對(duì)烘箱溫度進(jìn)行調(diào)整來(lái)控制基材熱收縮，但本質(zhì)影響因素是在基材上。因此對(duì)應(yīng)涂布工藝參數(shù)，則體現(xiàn)為溫度越高熱收縮越大，基材翹曲趨勢(shì)表現(xiàn)越嚴(yán)重；車速越慢熱收縮越大，基材翹曲趨勢(shì)表現(xiàn)越嚴(yán)重。當(dāng)與第二基材進(jìn)行復(fù)合時(shí)，二者因?yàn)椴煌氖湛s量從而產(chǎn)生復(fù)合成品的翹曲（往第一基材方向翹）。

實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合膠黏劑溶劑揮發(fā)及固化的設(shè)計(jì)，需要尋找到烘箱溫度的平衡點(diǎn)。

1.3.2 膠黏劑影響

圖7 為三種基材在涂布過(guò)程中的干燥曲線，實(shí)線表示溶劑含有率曲線，虛線表示基材升溫曲線［11］?？梢钥闯鋈軇┖新食尸F(xiàn)極速下降后趨于穩(wěn)定，而基材溫度先平穩(wěn)后迅速上升，對(duì)于任意基材此趨勢(shì)是一樣的。假設(shè)生產(chǎn)過(guò)程中膠黏劑體系中溶劑沸點(diǎn)偏低，如使用乙酸甲酯之類的單一溶劑，會(huì)使得整體的曲線往左移，基材在高溫段的熱量沒(méi)有被溶劑揮發(fā)吸熱帶走，會(huì)使基材溫度迅速上升，造成基材熱收縮。最合理的溶劑設(shè)計(jì)應(yīng)該是有低沸點(diǎn)、中沸點(diǎn)、高沸點(diǎn)的梯度設(shè)計(jì)，保證在中、中高、高溫段均有溶劑參與揮發(fā)，可以及時(shí)帶走基材上的熱量，同時(shí)對(duì)于膠層內(nèi)部的溶劑擴(kuò)散有一個(gè)緩慢均勻的過(guò)程。

圖7 三種基材的干燥曲線Fig.7 Drying curves for three base materials

復(fù)合膜的膠黏劑涉及熱固化、光固化或二者的混合體系，一般熱固化的工藝收卷下線后，如果此時(shí)工藝調(diào)整為翹曲合格，那么進(jìn)入熟化后，膠黏劑反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致膠黏劑最終往第一基材方向翹曲，因此最佳的下線品質(zhì)應(yīng)該做成第二基材方向微翹曲［12］。

至于光固化體系直接在線固化，同樣也會(huì)在固化后產(chǎn)生一定的收縮，但后續(xù)不進(jìn)一步反應(yīng)，因此對(duì)于該體系膠黏劑，應(yīng)該將工藝調(diào)整為不翹曲下線。

由于溶劑體系和膠黏劑熟化反應(yīng)的影響，因此涂層厚度越厚，往第一基材方向翹曲的趨勢(shì)越嚴(yán)重，根據(jù)溶劑體系設(shè)計(jì)和膠黏劑熟化反應(yīng)的描述，可以推斷涂層越厚則收縮趨勢(shì)加強(qiáng)，其翹曲越嚴(yán)重。

1.4 其他

雖然以上陳述為引起翹曲的主要因素，甚至是源因素，但是產(chǎn)品從原材料到最終的成品，引起翹曲的因素還包含很多因素，如烘箱溫度、烘箱排風(fēng)、收卷方向、管芯尺寸、冷卻系統(tǒng)、熟化溫度、環(huán)境溫濕度等，均會(huì)影響到產(chǎn)品的最終翹曲。

2 結(jié)語(yǔ)

在新材料領(lǐng)域，對(duì)于模切后加工工段，對(duì)材料翹曲均有一定的要求，否則產(chǎn)生的生產(chǎn)效率低下、尺寸不對(duì)、位置偏移等一系列問(wèn)題均會(huì)影響生產(chǎn)。另外一方面，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，翹曲因素的產(chǎn)生和解決往往更加復(fù)雜，工藝技術(shù)人員和生產(chǎn)人員需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)，多做總結(jié)，排除各項(xiàng)原因，做出最優(yōu)的方案。