胡　露，楊　柱**，張小平，鄧康清（.湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽 44003；2.湖北省低維光電材料與器件重點實驗室，湖北 襄陽 44003）

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單一窄波段光吸收涂層的制備及性能研究*

胡露1,2，楊柱1,2**，張小平1，鄧康清1
（1.湖北航天化學技術研究所，湖北 襄陽 441003；2.湖北省低維光電材料與器件重點實驗室，湖北 襄陽 441003）

摘要：以納米吸光染料為光吸收劑，羥基丙烯酸酯為預聚物樹脂，光學級聚酯（PET）薄膜為基材，采用濕法涂布的方式制備了660nm單一窄波段光吸收涂層。分別研究了光吸收劑添加量和涂層厚度對其光學性能的影響，并探索了吸收劑用量與涂層吸光度之間的關系。研究結果發(fā)現(xiàn)，隨著光吸收劑添加量和涂層厚度的增加，涂層的全光線透過率急劇下降，霧度增大，光澤度降低；此外，吸收劑用量與涂層吸光度之間存在良好的線性關系，可為吸收劑用量的確定提供一定的理論依據(jù)。

關鍵詞：光吸收；功能涂層；光學功能薄膜；透光率

前言

隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，光學功能涂層材料的研究與應用日趨廣泛，在軍民技術領域中的實際應用也越來越成熟。光學功能涂層是指具有特定光學等物理性能（如吸收、反射、干涉、散射和透射等），作用于基材表面，有著專門用途的一類材料[1,2]。如將光學功能涂層作用在透明高分子聚合物基體薄膜表面制備光學功能薄膜，可大幅提高產品附加值，拓展應用領域。例如在液晶顯示器、等離子顯示器及其背光源領域，平板電腦、智能手機觸摸屏領域以及建材家居和汽車等相關領域都具有廣闊的應用前景[3～5]。

目前光學功能涂層的制備方法主要集中在磁控濺射、真空蒸發(fā)、化學沉積等途徑[6～8]，這些方法所需設備成本較高，生產條件比較苛刻；同時隨著移動顯示終端產品進一步薄型化、輕便化和柔性化，柔性基材逐漸取代玻璃基材是未來發(fā)展的必經之路；此外，光吸收型涂層由于對特定波長光具有強吸收作用，能實現(xiàn)對特定波長光線的有效防護，且不受入射光角度的影響，因而應用前景十分廣闊[9]。為此，本文采用濕法涂布的簡便途徑在光學級透明聚酯薄膜表面制備了660nm單一窄波段光吸收涂層，同時研究了光吸收劑添加量和涂層厚度對其光學性能的影響，并探索了吸收劑用量與涂層吸光度之間的關系，得出了吸收劑用量和涂層吸光度之間的關系曲線，為確定吸收劑用量提供了一定的理論依據(jù)。

1　實驗部分

1.1實驗原材料和儀器

1.1.1原材料

納米吸光染料（牌號IRA6MK，德國紅外吸收產品），羥基丙烯酸酯樹脂（牌號SEN-1250，韓國巨明化學公司），聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜（牌號A4300，光學級，厚度100μm，日本東洋紡公司），固化劑（牌號N75,德國拜耳公司），二氯甲烷和丁酮等溶劑均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2儀器

透光率霧度儀：NDH-5000，日本電色公司；連續(xù)變倍體視光學顯微鏡：XYL-3400，上海精密儀器儀表有限公司；光澤度儀：JFL-BZ20°、60°、85°智能型光澤度計，天津市金孚倫科技有限公司；紫外-可見-近紅外分光光度計：LAMBDA900，美國PE公司；太陽膜透過率測量儀：LS160，深圳市林上科技有限公司。

1.2單一窄波段光吸收涂層的制備

光吸收涂層涂布液主要由光吸收劑、預聚物樹脂、固化劑和溶劑等組成。首先在室溫下，將一定量的納米吸光染料作為光吸收劑溶于二氯甲烷溶劑中，然后向光吸收劑溶液中按照配方比例依次加入羥基丙烯酸酯樹脂、固化劑和丁酮溶液，并攪拌均勻，即得光吸收涂層涂布液。

將所配制的光吸收涂層涂布液使用網線棒均勻地涂布到光學級透明PET基材一面，將涂層在100℃下干燥2min，待溶劑揮發(fā)，即得具有特定光波段吸收性能的光吸收涂層。

1.3測試方法

（1）全光線透過率和霧度：按照ASTMD1003標準，采用NDH-5000透光率霧度儀進行測定，控制每個樣品不同位置處四個點的全光線透過率和霧度值誤差在5%內即為合格，并取其平均值。

（2）涂膜厚度：采用CH-1-S型薄膜厚度儀進行測定。

（3）表觀形貌：采用XYL-3400連續(xù)變倍體視光學顯微鏡觀察涂層表觀形貌。

（4）光澤度：按照ISO2813-2014標準，采用光澤度儀對涂層的60°鏡面光澤進行測定，每組涂層至少測5個數(shù)據(jù)，并取其平均值。

（5）光學透過率：采用太陽膜透過率測量儀測試涂層的紫外線、可見光和紅外線的光學透過率。

（6）光譜透過率：采用紫外-可見-近紅外分光光度計測試涂層的光譜透過率，其中掃描速度：紫外-可見750nm/min，近紅外1500nm/min；狹峰寬度：紫外-可見2nm，近紅外1nm。

2　結果與討論

2.1吸收劑添加量對涂層光學性能的影響

選擇納米吸光染料作為光吸收劑，制備了一系列不同吸收劑含量的光吸收涂層，并測試其光學性能。表1描繪了吸收劑添加比例對涂層光學性能的影響情況。

表1　吸收劑比例對光學性能的影響Table 1　The effect of absorber proportion on the optical properties

從表1可以看出，在涂層厚度相同的情況下，隨著光吸收劑添加比例的增加，涂層全光線透過率下降，其中可見光波段透過率急劇下降，而紅外波段透過率不變；此外霧度略微增大，光澤度降低。這表明所添加的光吸收劑對可見光區(qū)光線具有很強的吸收能力，且隨著光吸收劑比例的增加，一方面單位涂層面積吸收劑數(shù)量的增多，導致吸光能力增強；另一方面，涂層表面粗糙度有所增加，導致光線在涂層表面的折射作用增強，從而使得涂層的霧度增大而光澤度降低。

圖1　不同吸收劑含量的光譜透過率曲線Fig.1　The spectrum transmittance of coatings with different absorber proportions

圖1為含有不同吸收劑比例（涂層厚度3～4μm）的涂層在300～1000nm光譜范圍內的透過率曲線。由圖可知，該涂層在660nm附近有一個明顯增強的吸收峰，而在450～500nm以及750nm以上區(qū)域吸收幾乎沒有變化，說明該光吸收劑對660nm波段的光具有很好的特定吸收作用；并且隨著吸收劑添加量的增加，在660nm附近的吸收逐漸增強；當光吸收劑含量達到0.6wt%（質量分數(shù)）時，其最大吸收不再增加，說明其吸收已經達到飽和，再增加吸收劑含量，對其光吸收性能的提高影響不大。

圖2　不同吸收劑添加量涂層光學顯微鏡圖Fig.2　The optical microscope photographs of coatings with different absorber proportions

圖2是不同吸收劑添加量涂層的光學顯微鏡照片。由圖2可見，隨著光吸收劑含量的增加，單位面積吸光物質數(shù)量逐漸增加，同時表面粗糙度增大，從而使得光在涂層表面的折射作用增強，導致霧度變大，光澤度降低。此外，涂層在光照下的表觀顏色逐漸由紅棕色變?yōu)樗{綠色，這是由于涂層含有的吸光物質對650～700nm波段范圍內的紅色可見光具有很強的吸收能力，從而使涂層呈現(xiàn)其補色，即藍綠色。

2.2涂層厚度對涂層光學性能的影響

選用不同目數(shù)的網線輥，固定光吸收劑含量為0.2wt%（質量分數(shù)），制備相同配比涂布液條件下不同的涂層厚度（固化后），測試不同涂層厚度對其光學性能的影響，結果如表2所示。

表2　涂層厚度對光學性能影響Table 2　The effect of thickness of coatings on the optical properties

除了光吸收劑添加量不同會影響涂層的光學性能外，涂層厚度對其光學性能也具有十分重要的作用。從表2可以看出，在涂布液配方比例相同的情況下，隨著涂層厚度的增加，全光線透過率明顯下降，其中可見光波段透過率急劇下降，而紅外區(qū)透過率不變；此外涂層霧度增大，光澤度降低。這是由于隨著涂層厚度的增加，單位面積吸光物質數(shù)量逐漸增加，同時表面粗糙度增大，從而使得光在涂層表面及內部的折射和散射作用增強，導致霧度變大，光澤度降低。

圖3為通過紫外-可見-近紅外分光光度計測得的不同厚度涂層在300～1000nm光譜范圍內的透光率曲線。由圖3可見，該涂層在660nm波長處有很強的吸收，且隨著涂層厚度的增加，在該波段處的吸收逐漸增強；當涂層厚度達到5～6μm后，其在該處的透光率趨于0，再增加涂層厚度，涂層在該處的吸收增加不明顯，反而會導致其他波段處的透光率降低。

圖3　不同厚度涂層的光譜透過率曲線Fig.3　The spectrum transmittance of coatings with different thickness

2.3光吸收劑用量與涂層吸光度之間關系

為了進一步探索光吸收劑用量與涂層吸光度之間的關系，在涂層厚度（3～4μm）相同的情況下，選擇其最大波長吸收處進行了分析，根據(jù)不同光吸收劑用量涂層的透光率得到其對應的吸光度值（如表3所示），從而獲得涂層吸光度與相應吸收劑用量之間的關系如圖4所示。

表3　涂層660nm處透過率與吸光度關系表Table 3　The relationship between light transmittance and absorbance of coatings at 660nm wavelength

從圖4可以看到，在涂層厚度相同的情況下，隨著光吸收劑用量的增加，涂層對應的吸光度也隨之增大；當吸收劑用量在≤1.0wt%（質量分數(shù)）水平時，涂層的吸光度與吸收劑用量呈現(xiàn)出良好的線性關系，其相關性R2達0.9763，符合Lambert-Beer定律的描述，在理想的條件下（無反射）物質的吸光度與吸光物質的濃度和吸收層的厚度成正比，即

其中，A為吸光度；T為透光率；k為吸收系數(shù)，單位為L·g-1·cm-1；l為吸收介質的厚度，單位為cm；c為吸光物質的濃度，單位為g·L-1。因此，可以把此關系曲線作為確定該吸收劑用量的基礎，為以后光學吸收涂層的研究和應用提供一定的理論依據(jù)。

圖4　涂層吸光度與吸收劑用量關系曲線Fig.4　The relationship between absorbance of coatings and absorber proportion

3　結論

（1）通過濕法涂布的簡便方法制備了660nm單一窄波段光吸收涂層，涂層在660nm附近具有很好的吸收效果；當光吸收劑添加量為0.6wt%時（涂層厚度3～4μm），其在660nm波段處的透光率趨于0。

（2）隨著光吸收劑添加量和涂層厚度的增加，涂層全光線透過率下降，其中可見光波段透過率急劇下降，而紅外區(qū)透過率不變，此外涂層霧度增大，光澤度降低。

（3）當光吸收劑添加量在≤1.0wt%水平時，涂層的吸光度與吸收劑添加量呈現(xiàn)出良好的線性關系，相關性R2達0.9763，符合Lambert-Beer定律的描述，可以把此關系作為確定吸收劑用量的基礎。

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Study on the Preparation and Property of Single Narrowband Light Absorption Coatings

HU Lu1,2,YANG Zhu1,2,ZHANG Xiao-ping1and DENG Kang-qing1
（1.Hubei Institute of Aerospace Chemotechnology,Xiangyang,441003,China;2.The Key Laboratory of Low Dimension Photoelectric Material and Devices of Hubei Province,Xiangyang,441003,China）

Abstract:The single narrowband light absorption coatings at 660nm wavelength were prepared by wet coating method with nano-dyes as light absorber,hydroxyl acrylate as prepolymer resin and optical grade polyester（PET）film as substrate.The effect of absorber proportion and thickness of coatings on the optical properties was studied,and the relationship between absorbance of coatings and absorber proportion was investigated.The results showed that the total transmittance of coatings significantly reduced,the haze gradually increased and the glossiness decreased with increasing the proportion of absorber and the thickness of coatings;in addition,the absorbance of coatings and the proportion of absorber showed a good linear relationship,which could provide a theoretical basis for determining the amount of absorber.

Key words:Light absorption;functional coatings;optical functional film;transmittance

中圖分類號：TQ637.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-0017（2016）03-0161-04

收稿日期：2015-12-10

*基金項目：湖北省自然科學基金資助項目（編號：2014CFA095）

作者簡介：胡露（1989－），男，湖北武漢人，碩士，主要從事功能性涂層與薄膜材料等的研究及開發(fā)。

**通訊聯(lián)系人：楊柱，博士，高級工程師。