PET薄膜表面性能及其与紫外光固化涂层粘接性能相关性研究

袁东芝， 邓康清， 杨 柱， 夏 萍

（湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 441003）

PET薄膜表面性能及其与紫外光固化涂层粘接性能相关性研究

袁东芝， 邓康清*， 杨 柱， 夏 萍

（湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 441003）

通过粘结性能实验研究了表面处理方法对PET薄膜/紫外光固化涂层体系粘接性能的影响，结果表明：表面处理提高了PET薄膜/涂层体系粘接强度。研究了PET表面处理对PET表面性能如表面形貌、光泽度（粗糙度）、表面张力、表面官能团含量的影响，结果表明：PET薄膜经电晕处理后，其表面粗糙度有增大的倾向，而涂层处理对PET薄膜表面粗糙度无影响；经电晕处理和底涂处理后，PET薄膜表面张力均有增加，底涂处理提高PET薄膜表面张力的幅度更大。研究了PET薄膜表面性能与剪切强度的关系，发现PET薄膜/涂层粘接体系剪切强度τ与PET薄膜表面张力γ具有线性关系。

PET薄膜；紫外光固化涂层；粘接性能；表面处理；表面性能

前 言

近年来，以液晶显示器（LCD）为主要代表的各种新型平板显示（FPD）技术和产品迅速发展，平板显示产业已经成为信息产业的重要组成部分。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜由于具有优良的机械性能、电气性能和耐化学腐蚀性能，因而被广泛用于LCD用光学薄膜（例如扩散膜、增亮膜等）生产领域[1]。LCD用光学薄膜要求PET薄膜具有表观平整无缺陷、光泽度和透光率高、雾度低、涂布性能好等特点，普通的PET薄膜由于结晶度高、表面能低、涂布性能差、存在晶点缺陷等特点，不能用于LCD用光学薄膜。无论普通PET薄膜还是光学级PET薄膜，若其表面能低，粘接性能差，是不能赋予其某些特定功能的，因此，在制备光学膜前都需对PET薄膜表面进行改性处理，如电晕法、光化学法、低温等离子体法及底涂处理法[2～3]等，来提高PET薄膜/涂层粘接性能，扩大PET薄膜的应用范围。

本文通过研究PET薄膜电晕处理及底涂处理对PET薄膜表面性能和PET薄膜/涂层体系粘接性能等的影响，以期找出影响PET薄膜/涂层粘接体系粘接性能的主要因素，从而为筛选LCD光学薄膜用PET薄膜和提高PET薄膜/涂层粘接性能奠定基础。

1 实验部分

1.1 实验原材料及仪器设备

聚酯丙烯酸酯紫外光固化涂层，自制，由聚酯丙烯酸酯、单体、引发剂和助剂等组成；PET薄膜，韩国SKC公司。

QXG型线棒涂膜器，天津永利达材料试验机有限公司；GYUV500型紫外光固化机，保定特种光源电器厂；SL200系列光学法接触角和界面张力仪，美国科诺工业有限公司；TENSOR27型傅立叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司；JSM-6360LV扫描电子显微镜，日本电子株式会社；XYL-3400连续变倍体视显微镜，上海精密仪器仪表有限公司；JFL-BZ 20°、60°、85°智能型光泽度计，天津市金孚伦科技有限公司；XLW2100N型智能电子拉力试验机，济南兰光。

1.2 实验样品制备

紫外光涂布液制备：按比例向聚酯丙烯酸酯中加入适量单体、引发剂及助剂等，用玻璃棒搅拌均匀，混合、充分溶解，配制成液。

剥离强度试样制备：使用25#涂布线棒将自制的紫外光固化涂布液涂覆于PET薄膜上，放置于110℃干燥鼓风烘箱内1min，再将其与另一作过同样处理的PET薄膜压力复合。复合后，将所得样品放入紫外光固化机固化（固化能量为186～190 mJ/cm2），然后按标准GB/T2791-1995制样，试样尺寸为25mm×200mm，粘接部分尺寸为：25mm×150mm。

拉伸剪切试样制备：试样为单搭接结构。将自制的紫外光固化涂布液涂覆于PET薄膜上，放置于110℃干燥鼓风烘箱内1min，再将其与另一作过同样处理的PET薄膜压力复合。复合后，将所得样品放入紫外光固化机固化（固化能量为186～190 mJ/cm2）。将试样裁剪为60mm×10mm，粘接部分的尺寸为：10mm×12mm。

1.3 性能测试

（1）剥离强度测试：参照GB/T2791-1995标准进行，但拉伸速度为300mm/min，与GB/T2791-1995不同。每个测试点所用试样至少5个，所有测量均在室温（25℃）下进行。

（2）拉伸剪切强度测试：参照GB/T7124-2008标准进行，但拉伸速度为25mm/min(试验机的最小速度)，与GB/T7124-2008不同。夹持处至距离最近的粘接端的距离为24mm拉伸速度为25mm/min(试验机的最小速度)，所有测量均在室温（25℃）下进行。

（3）表面张力测试：将PET薄膜裁剪为50mm×50mm大小，以蒸馏水为测试液体，测试液体性能参数为：密度为1.00kg/m3，表面张力为72.80mN/m，色散力为21.80mN/m，极性力为51.00mN/m。测定时，用微量进样器（100mL）将检测液体在距固体表面约3mm处垂直、小心地滴加在固体表面，形成座滴，液滴体积为3～5mL，直径为1～2mm，测量时间不超过1min。所有测量均在室温（25℃）下进行。测试所得接触角及PET薄膜表面张力均可由仪器系统自动分析得出。每种薄膜测3～4个测试点，取其平均值。

（4）光泽度测试：根据国家标准GB9754-88对PET薄膜的60°镜面光泽进行测定。

（5）红外光谱测试：对不同PET薄膜进行ATR-FTIR 测试，扫描范围 650～4000cm-1，光谱分辨率4cm-1，扫描信号累加32次。

（6）扫描电子显微镜分析：在试样表面喷金处理后，在室温条件下进行观察。

（7）连续变倍体视显微镜分析：观察PET薄膜表面及PET薄膜与涂层的剥离断面，物镜放大倍数为×2，图像采集软件为Scope photoVer.3.0。

2 结果及分析

2.1 PET薄膜处理方法对PET薄膜/涂层体系粘接性能的影响

拉伸剪切强度和剥离强度是定量表征粘接体系界面粘接强度大小的两种重要参数。本文通过测定三种不同类型的PET薄膜与紫外光固化涂层的拉伸剪切强度和T型剥离强度，研究了PET薄膜处理方法对体系粘结性能的影响，其中，底涂处理的PET薄膜所使用的底涂为聚氨酯类底涂剂，结果如表1所示。

表1 PET薄膜处理方法对体系粘接性能的影响Table 1 The effect of surface treatment methods on adhesive properties of the system

从表1可知，PET薄膜经过处理后，其粘接强度增大，特别是剥离强度增加的幅度更大。PET薄膜经过底涂处理的比经过电晕处理增加的幅度大，说明PET薄膜表面经底涂处理后，可明显改善涂层与薄膜的粘接性能。

通常情况下，粘接试件的破坏方式有三种：界面粘附破坏、胶层内聚破坏和混合破坏。SEM是目前材料结构研究的最直接的手段之一。这种方法像光学金相显微镜那样可以提供清晰直观的形貌图像，具有分辨率高、观察景深长等优点[4]。通过扫描电子显微镜（SEM）和连续变倍体视显微镜（ZSM）分别对PET薄膜/涂层体系剥离后的表面进行了研究，其结果如图1所示。

图1 PET薄膜/涂层体系剥离后SEM图及ZSM图Fig.1 SEM and ZSM images of the system of PET films and UV curing coatings after being peeled off

从中可知，未经处理的PET薄膜/涂层体系几乎不残留或完全残留胶层，其表面无胶层断裂的痕迹，为界面黏附破坏；经底涂处理的PET薄膜/涂层体系经剥离后，其表面残留的胶层较多，为胶层内聚破坏；电晕处理的PET薄膜/涂层体系经剥离后，其表面残留的胶层较少，为界面黏附破坏或混合破坏。图1也说明经底涂处理的PET薄膜/涂层体系的粘接性能最好。

2.2 PET薄膜处理方法对PET薄膜表面性能的影响

影响PET薄膜/涂层体系粘接性能的因素可能有：PET薄膜表面形貌、PET薄膜表面的可反应的官能团，故本文对这些因素进行了研究。

2.2.1 表面处理对PET薄膜表面形貌的影响

PET薄膜表面形貌是PET薄膜最为宏观的表面性能。本文分别采用扫描电子显微镜（SEM）和连续变倍体视显微镜（ZSM）对PET薄膜表面形貌进行了观测。实验结果如图2所示。

图2 PET薄膜表面SEM图及ZSM图Fig.2 SEM and ZSM images of surfaces of PET film

由图2可知，PET薄膜表面处理（包括电晕和底涂处理）前后，其平整性都很好，未见表面有变粗糙的情况。

薄膜表面的光泽度表明了PET薄膜表面反射光的能力，薄膜在微米级水平上越平滑，其光泽度越高[5]。理论上，光泽度的大小可间接反映薄膜表面粗糙度的大小。为进一步研究表面处理对PET薄膜表面粗糙度的影响，对PET薄膜表面的光泽度进行了测定。结果如表2所示。

表2 表面处理方法对PET薄膜光泽度大小的影响Table 2 The effect of surface treatment methods on gloss of PET films

由表中数据可知，PET薄膜经电晕处理后，其光泽度减小；经底涂处理后，其光泽度基本不变，说明PET薄膜经电晕处理后，其表面粗糙度有增大的倾向；经底涂处理后，其表面粗糙度基本不变。与图2的观察结果对比可知，虽然从图2未观察到电晕处理对粗糙度的影响，但采用更为灵敏的测光泽度的方法显示了电晕处理提高了PET薄膜的粗糙度。适当的粗糙度有利于提高PET薄膜与涂液的粘接强度。

2.2.2 PET薄膜表面处理方法对表面张力大小的影响

固体表面张力的大小，是衡量固体表面性能的一个重要指标。为此，研究了PET薄膜表面处理方法对表面张力大小的影响。采用停滴法分析液滴形态，采用θ/2法分析静态接触角，固体表面能由分析系统自行计算得出，其计算方法为Kwok法[6]。其结果如表3及图3所示。

表3 表面处理方法对PET薄膜表面张力大小的影响Table 3 The effect of surface treatment methods on surface tension of PET films

图3 PET薄膜表面张力测试（以水为测试液）Fig.3 The test of surface tension of PET films(Water is used for the test fluid)

由表3可以看出，经电晕处理和底涂处理后，PET薄膜表面张力均有增加。底涂处理提高PET薄膜表面张力的幅度更大。

由杨氏方程可知，PET薄膜表面张力越大，则涂液在PET薄膜表面越易铺展开；由界面润湿理论可知，接触角越小，润湿性越好，则PET薄膜/涂层体系的界面粘接性能也更好。图3中，图3（c）接触角最小，润湿性最好，因此，涂液在PET薄膜上的铺展性最好；图3（b）的涂液在PET薄膜上的铺展性次之。这进一步验证了界面粘接性能的测试结果。

2.2.3 表面处理对表面官能团的影响

红外光谱（IR）法在研究材料表面的分子结构、分子排列方式以及官能团取向等方面是很有效的手段。红外光谱分析中的衰减傅里叶变换全反射光谱（ATR-FTIR）系统不仅能提供物质表面化学结构、立体结构、分子取向和氢键等方面的信息，还能定量地分析极薄的表面层组成[7]。为此，采用ATRFTIR研究了PET薄膜表面处理对PET薄膜表面官能团的影响，结果如图4所示。

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

由图4可知，PET在1725cm-1附近有一个强吸收峰，及1250cm-1、1096cm-1附近强吸收峰为ν（C=O）的特征谱带，1020cm-1附近的吸收峰为ν（C-O）的特征谱带，存在3068cm-1附近的吸收峰及1583cm-1的吸收峰，表明存在苯环，而1450cm-1出现的吸收峰，表明存在σ（-CH2-），734cm-1的吸收峰则表明存在ν（CH），这些吸收峰均为PET分子的特征吸收峰[8]。PET薄膜经电晕表面处理后，官能团的吸收峰数量没有增加，吸收峰值有增加，表明PET薄膜经表面处理后，其表面游离官能团数目增加了。但PET薄膜经底涂处理的红外谱图反映出的是PET的特征吸收峰，未反映出所用底涂的官能团，这可能是底涂层厚度太薄，底涂层的特征吸收峰被PET的特征吸收峰所覆盖所致。

2.3 PET薄膜/涂层的界面粘接性能与PET薄膜表面性能的相关性

前面的研究表明，经电晕处理或底涂处理后，PET薄膜表面张力均有增加，底涂处理的情况下，表面张力增加的幅度更大，而底涂处理的PET薄膜/涂层的粘接强度也高于电晕处理的PET薄膜，显示了表面张力与粘接强度的存在着一定关系。为此，本文研究了PET薄膜/涂层的界面粘接性能与PET薄膜表面性能的关系，即PET薄膜/涂层体系的剪切强度与PET薄膜表面张力γ的关系。本研究选用了6种表面张力大小不同的PET薄膜，结果如图5所示。

图5 粘接体系的剪切强度τ与PET薄膜表面张力γ的关系图Fig.5 The relation between the shear strength τ of the adhesive system and the surface tension γ of PET

图5中，点1所用PET薄膜为未经处理的PET薄膜，点2为经电晕处理的PET薄膜，点3、4、5和6均是经过底涂处理后的PET薄膜（所用底涂剂不同，表面张力不同）。实线是点1、3、4、5和6五个点的线性回归结果，虚线是点 1、2、3、4、5 和 6 六个点的线性回归结果。实线的相关系数R为0.9926，虚线的相关系数R为0.9729。从中可知，实线的线性相关性好于虚线，这主要是由于实线剔除了第2点的缘故。

取实线，剪切强度τ与PET薄膜表面张力γ的关系为：

对于同一种涂层液体，PET薄膜表面张力γ越大，其在PET表面浸润性越好，因而产生较强的粘接性。实线中，第2点偏高是由于电晕增加了PET表面粗糙度导致粘接性增加，剪切强度有少量增加的缘故，这也是研究中剔除第2点的原因。因此，PET薄膜表面性能对PET薄膜/涂层粘接性能的影响主要反应在PET薄膜表面张力大小对PET薄膜/涂层粘接性能的影响。对非反应型涂层，PET薄膜表面张力是影响粘接体系粘接性能的关键因素。

3 结论

通过拉伸剪切强度测试、T型剥离强度测试研究了PET薄膜表面处理对PET薄膜/紫外光固化涂层粘接性能的影响，结果表明，PET薄膜表面处理明显提高了粘接强度。同时，通过研究PET薄膜表面处理对PET薄膜表面性能如表面形貌、光泽度、表面张力、表面官能团含量的影响，结果表明，PET薄膜经电晕处理后，其表面粗糙度有增大的倾向，而涂层处理对PET薄膜表面粗糙度无影响；经电晕处理和底涂处理后，PET薄膜表面张力均有增加，底涂处理提高PET薄膜表面张力的幅度更大，这与底涂处理的PET薄膜/涂层的粘接强度高于电晕处理的PET薄膜/涂层的粘接强度是一致的。在此基础上，发现粘接体系剪切强度随PET薄膜表面张力增大而增大，粘接体系剪切强度τ与PET薄膜表面张力γ具有线性关系。因此，对非反应型涂层，PET薄膜表面张力是影响粘接体系粘接性能的关键因素。

［1］佚名.光学聚酯薄膜市场前景广阔［J］.塑料科技，2010,3：96.

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［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.

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［8］吴瑾光.近代傅里叶变换红外光谱技术及应用（下卷）［M］.北京：科学技术文献出版社，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

袁东芝（1986-）女，湖北咸宁人，硕士研究生，研究方向：高分子材料。