单一窄波段光吸收涂层的制备及性能研究*

胡　露，杨　柱**，张小平，邓康清（.湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 44003；2.湖北省低维光电材料与器件重点实验室，湖北 襄阳 44003）



单一窄波段光吸收涂层的制备及性能研究*

胡露1,2，杨柱1,2**，张小平1，邓康清1
（1.湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 441003；2.湖北省低维光电材料与器件重点实验室，湖北 襄阳 441003）

摘要：以纳米吸光染料为光吸收剂，羟基丙烯酸酯为预聚物树脂，光学级聚酯（PET）薄膜为基材，采用湿法涂布的方式制备了660nm单一窄波段光吸收涂层。分别研究了光吸收剂添加量和涂层厚度对其光学性能的影响，并探索了吸收剂用量与涂层吸光度之间的关系。研究结果发现，随着光吸收剂添加量和涂层厚度的增加，涂层的全光线透过率急剧下降，雾度增大，光泽度降低；此外，吸收剂用量与涂层吸光度之间存在良好的线性关系，可为吸收剂用量的确定提供一定的理论依据。

关键词：光吸收；功能涂层；光学功能薄膜；透光率

前言

随着现代科学技术的快速发展，光学功能涂层材料的研究与应用日趋广泛，在军民技术领域中的实际应用也越来越成熟。光学功能涂层是指具有特定光学等物理性能（如吸收、反射、干涉、散射和透射等），作用于基材表面，有着专门用途的一类材料[1,2]。如将光学功能涂层作用在透明高分子聚合物基体薄膜表面制备光学功能薄膜，可大幅提高产品附加值，拓展应用领域。例如在液晶显示器、等离子显示器及其背光源领域，平板电脑、智能手机触摸屏领域以及建材家居和汽车等相关领域都具有广阔的应用前景[3～5]。

目前光学功能涂层的制备方法主要集中在磁控溅射、真空蒸发、化学沉积等途径[6～8]，这些方法所需设备成本较高，生产条件比较苛刻；同时随着移动显示终端产品进一步薄型化、轻便化和柔性化，柔性基材逐渐取代玻璃基材是未来发展的必经之路；此外，光吸收型涂层由于对特定波长光具有强吸收作用，能实现对特定波长光线的有效防护，且不受入射光角度的影响，因而应用前景十分广阔[9]。为此，本文采用湿法涂布的简便途径在光学级透明聚酯薄膜表面制备了660nm单一窄波段光吸收涂层，同时研究了光吸收剂添加量和涂层厚度对其光学性能的影响，并探索了吸收剂用量与涂层吸光度之间的关系，得出了吸收剂用量和涂层吸光度之间的关系曲线，为确定吸收剂用量提供了一定的理论依据。

1　实验部分

1.1实验原材料和仪器

1.1.1原材料

纳米吸光染料（牌号IRA6MK，德国红外吸收产品），羟基丙烯酸酯树脂（牌号SEN-1250，韩国巨明化学公司），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜（牌号A4300，光学级，厚度100μm，日本东洋纺公司），固化剂（牌号N75,德国拜耳公司），二氯甲烷和丁酮等溶剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2仪器

透光率雾度仪：NDH-5000，日本电色公司；连续变倍体视光学显微镜：XYL-3400，上海精密仪器仪表有限公司；光泽度仪：JFL-BZ20°、60°、85°智能型光泽度计，天津市金孚伦科技有限公司；紫外-可见-近红外分光光度计：LAMBDA900，美国PE公司；太阳膜透过率测量仪：LS160，深圳市林上科技有限公司。

1.2单一窄波段光吸收涂层的制备

光吸收涂层涂布液主要由光吸收剂、预聚物树脂、固化剂和溶剂等组成。首先在室温下，将一定量的纳米吸光染料作为光吸收剂溶于二氯甲烷溶剂中，然后向光吸收剂溶液中按照配方比例依次加入羟基丙烯酸酯树脂、固化剂和丁酮溶液，并搅拌均匀，即得光吸收涂层涂布液。

将所配制的光吸收涂层涂布液使用网线棒均匀地涂布到光学级透明PET基材一面，将涂层在100℃下干燥2min，待溶剂挥发，即得具有特定光波段吸收性能的光吸收涂层。

1.3测试方法

（1）全光线透过率和雾度：按照ASTMD1003标准，采用NDH-5000透光率雾度仪进行测定，控制每个样品不同位置处四个点的全光线透过率和雾度值误差在5%内即为合格，并取其平均值。

（2）涂膜厚度：采用CH-1-S型薄膜厚度仪进行测定。

（3）表观形貌：采用XYL-3400连续变倍体视光学显微镜观察涂层表观形貌。

（4）光泽度：按照ISO2813-2014标准，采用光泽度仪对涂层的60°镜面光泽进行测定，每组涂层至少测5个数据，并取其平均值。

（5）光学透过率：采用太阳膜透过率测量仪测试涂层的紫外线、可见光和红外线的光学透过率。

（6）光谱透过率：采用紫外-可见-近红外分光光度计测试涂层的光谱透过率，其中扫描速度：紫外-可见750nm/min，近红外1500nm/min；狭峰宽度：紫外-可见2nm，近红外1nm。

2　结果与讨论

2.1吸收剂添加量对涂层光学性能的影响

选择纳米吸光染料作为光吸收剂，制备了一系列不同吸收剂含量的光吸收涂层，并测试其光学性能。表1描绘了吸收剂添加比例对涂层光学性能的影响情况。

表1　吸收剂比例对光学性能的影响Table 1　The effect of absorber proportion on the optical properties

从表1可以看出，在涂层厚度相同的情况下，随着光吸收剂添加比例的增加，涂层全光线透过率下降，其中可见光波段透过率急剧下降，而红外波段透过率不变；此外雾度略微增大，光泽度降低。这表明所添加的光吸收剂对可见光区光线具有很强的吸收能力，且随着光吸收剂比例的增加，一方面单位涂层面积吸收剂数量的增多，导致吸光能力增强；另一方面，涂层表面粗糙度有所增加，导致光线在涂层表面的折射作用增强，从而使得涂层的雾度增大而光泽度降低。

图1　不同吸收剂含量的光谱透过率曲线Fig.1　The spectrum transmittance of coatings with different absorber proportions

图1为含有不同吸收剂比例（涂层厚度3～4μm）的涂层在300～1000nm光谱范围内的透过率曲线。由图可知，该涂层在660nm附近有一个明显增强的吸收峰，而在450～500nm以及750nm以上区域吸收几乎没有变化，说明该光吸收剂对660nm波段的光具有很好的特定吸收作用；并且随着吸收剂添加量的增加，在660nm附近的吸收逐渐增强；当光吸收剂含量达到0.6wt%（质量分数）时，其最大吸收不再增加，说明其吸收已经达到饱和，再增加吸收剂含量，对其光吸收性能的提高影响不大。

图2　不同吸收剂添加量涂层光学显微镜图Fig.2　The optical microscope photographs of coatings with different absorber proportions

图2是不同吸收剂添加量涂层的光学显微镜照片。由图2可见，随着光吸收剂含量的增加，单位面积吸光物质数量逐渐增加，同时表面粗糙度增大，从而使得光在涂层表面的折射作用增强，导致雾度变大，光泽度降低。此外，涂层在光照下的表观颜色逐渐由红棕色变为蓝绿色，这是由于涂层含有的吸光物质对650～700nm波段范围内的红色可见光具有很强的吸收能力，从而使涂层呈现其补色，即蓝绿色。

2.2涂层厚度对涂层光学性能的影响

选用不同目数的网线辊，固定光吸收剂含量为0.2wt%（质量分数），制备相同配比涂布液条件下不同的涂层厚度（固化后），测试不同涂层厚度对其光学性能的影响，结果如表2所示。

表2　涂层厚度对光学性能影响Table 2　The effect of thickness of coatings on the optical properties

除了光吸收剂添加量不同会影响涂层的光学性能外，涂层厚度对其光学性能也具有十分重要的作用。从表2可以看出，在涂布液配方比例相同的情况下，随着涂层厚度的增加，全光线透过率明显下降，其中可见光波段透过率急剧下降，而红外区透过率不变；此外涂层雾度增大，光泽度降低。这是由于随着涂层厚度的增加，单位面积吸光物质数量逐渐增加，同时表面粗糙度增大，从而使得光在涂层表面及内部的折射和散射作用增强，导致雾度变大，光泽度降低。

图3为通过紫外-可见-近红外分光光度计测得的不同厚度涂层在300～1000nm光谱范围内的透光率曲线。由图3可见，该涂层在660nm波长处有很强的吸收，且随着涂层厚度的增加，在该波段处的吸收逐渐增强；当涂层厚度达到5～6μm后，其在该处的透光率趋于0，再增加涂层厚度，涂层在该处的吸收增加不明显，反而会导致其他波段处的透光率降低。

图3　不同厚度涂层的光谱透过率曲线Fig.3　The spectrum transmittance of coatings with different thickness

2.3光吸收剂用量与涂层吸光度之间关系

为了进一步探索光吸收剂用量与涂层吸光度之间的关系，在涂层厚度（3～4μm）相同的情况下，选择其最大波长吸收处进行了分析，根据不同光吸收剂用量涂层的透光率得到其对应的吸光度值（如表3所示），从而获得涂层吸光度与相应吸收剂用量之间的关系如图4所示。

表3　涂层660nm处透过率与吸光度关系表Table 3　The relationship between light transmittance and absorbance of coatings at 660nm wavelength

从图4可以看到，在涂层厚度相同的情况下，随着光吸收剂用量的增加，涂层对应的吸光度也随之增大；当吸收剂用量在≤1.0wt%（质量分数）水平时，涂层的吸光度与吸收剂用量呈现出良好的线性关系，其相关性R2达0.9763，符合Lambert-Beer定律的描述，在理想的条件下（无反射）物质的吸光度与吸光物质的浓度和吸收层的厚度成正比，即

其中，A为吸光度；T为透光率；k为吸收系数，单位为L·g-1·cm-1；l为吸收介质的厚度，单位为cm；c为吸光物质的浓度，单位为g·L-1。因此，可以把此关系曲线作为确定该吸收剂用量的基础，为以后光学吸收涂层的研究和应用提供一定的理论依据。

图4　涂层吸光度与吸收剂用量关系曲线Fig.4　The relationship between absorbance of coatings and absorber proportion

3　结论

（1）通过湿法涂布的简便方法制备了660nm单一窄波段光吸收涂层，涂层在660nm附近具有很好的吸收效果；当光吸收剂添加量为0.6wt%时（涂层厚度3～4μm），其在660nm波段处的透光率趋于0。

（2）随着光吸收剂添加量和涂层厚度的增加，涂层全光线透过率下降，其中可见光波段透过率急剧下降，而红外区透过率不变，此外涂层雾度增大，光泽度降低。

（3）当光吸收剂添加量在≤1.0wt%水平时，涂层的吸光度与吸收剂添加量呈现出良好的线性关系，相关性R2达0.9763，符合Lambert-Beer定律的描述，可以把此关系作为确定吸收剂用量的基础。

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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

中图分类号：TQ637.4

文献标识码：A

文章编号：1001-0017（2016）03-0161-04

收稿日期：2015-12-10

*基金项目：湖北省自然科学基金资助项目（编号：2014CFA095）

作者简介：胡露（1989－），男，湖北武汉人，硕士，主要从事功能性涂层与薄膜材料等的研究及开发。

**通讯联系人：杨柱，博士，高级工程师。