袁東芝， 鄧康清， 楊 柱， 夏 萍

（湖北航天化學技術研究所，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性研究

袁東芝， 鄧康清*， 楊 柱， 夏 萍

（湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽 441003）

通過粘結性能實驗研究了表面處理方法對PET薄膜/紫外光固化涂層體系粘接性能的影響，結果表明：表面處理提高了PET薄膜/涂層體系粘接強度。研究了PET表面處理對PET表面性能如表面形貌、光澤度（粗糙度）、表面張力、表面官能團含量的影響，結果表明：PET薄膜經電暈處理后，其表面粗糙度有增大的傾向，而涂層處理對PET薄膜表面粗糙度無影響；經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度的關系，發(fā)現PET薄膜/涂層粘接體系剪切強度τ與PET薄膜表面張力γ具有線性關系。

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）技術和產品迅速發(fā)展，平板顯示產業(yè)已經成為信息產業(yè)的重要組成部分。聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜由于具有優(yōu)良的機械性能、電氣性能和耐化學腐蝕性能，因而被廣泛用于LCD用光學薄膜（例如擴散膜、增亮膜等）生產領域[1]。LCD用光學薄膜要求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，普通的PET薄膜由于結晶度高、表面能低、涂布性能差、存在晶點缺陷等特點，不能用于LCD用光學薄膜。無論普通PET薄膜還是光學級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，在制備光學膜前都需對PET薄膜表面進行改性處理，如電暈法、光化學法、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，擴大PET薄膜的應用范圍。

本文通過研究PET薄膜電暈處理及底涂處理對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光學薄膜用PET薄膜和提高PET薄膜/涂層粘接性能奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料及儀器設備

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，天津永利達材料試驗機有限公司；GYUV500型紫外光固化機，保定特種光源電器廠；SL200系列光學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，天津市金孚倫科技有限公司；XLW2100N型智能電子拉力試驗機，濟南蘭光。

1.2 實驗樣品制備

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℃干燥鼓風烘箱內1min，再將其與另一作過同樣處理的PET薄膜壓力復合。復合后，將所得樣品放入紫外光固化機固化（固化能量為186～190 mJ/cm2），然后按標準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：試樣為單搭接結構。將自制的紫外光固化涂布液涂覆于PET薄膜上，放置于110℃干燥鼓風烘箱內1min，再將其與另一作過同樣處理的PET薄膜壓力復合。復合后，將所得樣品放入紫外光固化機固化（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 性能測試

（1）剝離強度測試：參照GB/T2791-1995標準進行，但拉伸速度為300mm/min，與GB/T2791-1995不同。每個測試點所用試樣至少5個，所有測量均在室溫（25℃）下進行。

（2）拉伸剪切強度測試：參照GB/T7124-2008標準進行，但拉伸速度為25mm/min(試驗機的最小速度)，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(試驗機的最小速度)，所有測量均在室溫（25℃）下進行。

（3）表面張力測試：將PET薄膜裁剪為50mm×50mm大小，以蒸餾水為測試液體，測試液體性能參數為：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。測定時，用微量進樣器（100mL）將檢測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，測量時間不超過1min。所有測量均在室溫（25℃）下進行。測試所得接觸角及PET薄膜表面張力均可由儀器系統(tǒng)自動分析得出。每種薄膜測3～4個測試點，取其平均值。

（4）光澤度測試：根據國家標準GB9754-88對PET薄膜的60°鏡面光澤進行測定。

（5）紅外光譜測試：對不同PET薄膜進行ATR-FTIR 測試，掃描范圍 650～4000cm-1，光譜分辨率4cm-1，掃描信號累加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，物鏡放大倍數為×2，圖像采集軟件為Scope photoVer.3.0。

2 結果及分析

2.1 PET薄膜處理方法對PET薄膜/涂層體系粘接性能的影響

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

表1 PET薄膜處理方法對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薄膜經過處理后，其粘接強度增大，特別是剝離強度增加的幅度更大。PET薄膜經過底涂處理的比經過電暈處理增加的幅度大，說明PET薄膜表面經底涂處理后，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、膠層內聚破壞和混合破壞。SEM是目前材料結構研究的最直接的手段之一。這種方法像光學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[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PET薄膜/涂層體系剝離后的表面進行了研究，其結果如圖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；經底涂處理的PET薄膜/涂層體系經剝離后，其表面殘留的膠層較多，為膠層內聚破壞；電暈處理的PET薄膜/涂層體系經剝離后，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薄膜表面的可反應的官能團，故本文對這些因素進行了研究。

2.2.1 表面處理對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PET薄膜表面形貌進行了觀測。實驗結果如圖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。為進一步研究表面處理對PET薄膜表面粗糙度的影響，對PET薄膜表面的光澤度進行了測定。結果如表2所示。

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

由表中數據可知，PET薄膜經電暈處理后，其光澤度減??；經底涂處理后，其光澤度基本不變，說明PET薄膜經電暈處理后，其表面粗糙度有增大的傾向；經底涂處理后，其表面粗糙度基本不變。與圖2的觀察結果對比可知，雖然從圖2未觀察到電暈處理對粗糙度的影響，但采用更為靈敏的測光澤度的方法顯示了電暈處理提高了PET薄膜的粗糙度。適當的粗糙度有利于提高PET薄膜與涂液的粘接強度。

2.2.2 PET薄膜表面處理方法對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重要指標。為此，研究了PET薄膜表面處理方法對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)自行計算得出，其計算方法為Kwok法[6]。其結果如表3及圖3所示。

表3 表面處理方法對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薄膜表面張力測試（以水為測試液）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。這進一步驗證了界面粘接性能的測試結果。

2.2.3 表面處理對表面官能團的影響

紅外光譜（IR）法在研究材料表面的分子結構、分子排列方式以及官能團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)不僅能提供物質表面化學結構、立體結構、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PET薄膜表面官能團的影響，結果如圖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附近有一個強吸收峰，及1250cm-1、1096cm-1附近強吸收峰為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薄膜經電暈表面處理后，官能團的吸收峰數量沒有增加，吸收峰值有增加，表明PET薄膜經表面處理后，其表面游離官能團數目增加了。但PET薄膜經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，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性

前面的研究表明，經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/涂層的粘接強度也高于電暈處理的PET薄膜，顯示了表面張力與粘接強度的存在著一定關系。為此，本文研究了PET薄膜/涂層的界面粘接性能與PET薄膜表面性能的關系，即PET薄膜/涂層體系的剪切強度與PET薄膜表面張力γ的關系。本研究選用了6種表面張力大小不同的PET薄膜，結果如圖5所示。

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

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

取實線，剪切強度τ與PET薄膜表面張力γ的關系為：

對于同一種涂層液體，PET薄膜表面張力γ越大，其在PET表面浸潤性越好，因而產生較強的粘接性。實線中，第2點偏高是由于電暈增加了PET表面粗糙度導致粘接性增加，剪切強度有少量增加的緣故，這也是研究中剔除第2點的原因。因此，PET薄膜表面性能對PET薄膜/涂層粘接性能的影響主要反應在PET薄膜表面張力大小對PET薄膜/涂層粘接性能的影響。對非反應型涂層，PET薄膜表面張力是影響粘接體系粘接性能的關鍵因素。

3 結論

通過拉伸剪切強度測試、T型剝離強度測試研究了PET薄膜表面處理對PET薄膜/紫外光固化涂層粘接性能的影響，結果表明，PET薄膜表面處理明顯提高了粘接強度。同時，通過研究PET薄膜表面處理對PET薄膜表面性能如表面形貌、光澤度、表面張力、表面官能團含量的影響，結果表明，PET薄膜經電暈處理后，其表面粗糙度有增大的傾向，而涂層處理對PET薄膜表面粗糙度無影響；經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/涂層的粘接強度高于電暈處理的PET薄膜/涂層的粘接強度是一致的。在此基礎上，發(fā)現粘接體系剪切強度隨PET薄膜表面張力增大而增大，粘接體系剪切強度τ與PET薄膜表面張力γ具有線性關系。因此，對非反應型涂層，PET薄膜表面張力是影響粘接體系粘接性能的關鍵因素。

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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。