高清碳带打印用BOPET基膜的制备及性能研究

黄 剑

(安徽国风新材料股份有限公司，安徽合肥，230088)

热转印碳带是一种将条码和文字信息打印在标签上的专用碳带，一般由基膜、背涂层、油墨涂层三部分组成，在PET薄膜上一面涂上转印的可熔性油墨，一面涂上称之为背涂层的保护层。标签通过打印机的打印头和压轴时，通过热转印工艺，在热和压力作用下将油墨从碳带介质转印到纸张或薄膜标签上。

普通聚酯薄膜由于自身性能而存在着以下无法克服的弊端：

(1)普通BOPET薄膜耐温一般为120—150℃，碳带长时间高速打印时，打印头温度升高，薄膜强度和热稳定性下降，使用过程中容易发生变形，且薄膜中高聚物降解产生的小分子析出物增多会污染、损坏打印头，减少打印头寿命和影响转印效果，无法满足高效率、高清晰度的打印需求。

(2)现有的碳带产品大多数是采用蜡或石油树脂作为油墨的主要连结料，分子结构中含有饱和烷烃或部分双键，不含极性或功能性基团，因此油墨与薄膜之间附着力粘接性能较差，易使油墨脱落或造成转印不良，出现模糊、毛边的现象。

本文通过配方和工艺优化，提高了薄膜表面粗糙度和薄膜耐温性，增加了油墨涂布效果，减少了高温打印时低分子物析出，同时提升了薄膜纵向拉伸强度等机械性能。聚酯基膜表面洁净、无明显缺陷和异物；涂布层墨色均匀，不产生白点、白条等，打印时墨色完整转移，打印字符清晰完美。

1 实验部分

1.1 主要原料

PET、FG620(特性粘度0.65dL/g，仪征化纤)；PEN(特性粘度0.74dL/g，日本帝人)；PET-PEN共聚酯、抗粘母料(自制)。

1.2 主要仪器及设备

1.3 薄膜的制备

将PET与添加剂母料在160℃干燥4—5h，按照一定的比例混合后，利用三层共挤流延膜设备将原料挤成片材，上、下表层添加PET和抗粘母料，芯层添加PET和PEN；螺杆挤出机温度270—285℃，模头温度275℃，螺杆转速为50r/min，铸片辊温度为25℃。

将片材按以下条件进行双向拉伸：MD方向预热温度为50—100℃，拉伸温度为103—110℃，拉伸倍数为4.1—4.3倍；TD方向预热温度为99—105℃，拉伸温度为110—125℃，拉伸倍数为3.8—4.1倍；热定型温度为225—240℃。

1.4 测试与表征

力学性能按GB/T 1040.3-2006《塑料拉伸性能的测定 第3部分:薄膜和薄片的试验条件》测试，温度(23±2)℃，相对湿度(50±10)%，拉伸速度(100±10)mm/min。热收缩率按GB/T 16958-2008《包装用双向拉伸聚酯薄膜》测试，温度(150±3)℃，时间30min。表面粗糙度和摩擦系数按GB/T 13542.2-2009《电气绝缘用薄膜 第2部分：实验方法》测试。

2 结果与讨论

2.1 高清晰度打印功能的实现

高清碳带打印用BOPET基膜功能层的配方设计是关键，普通PET抗粘母料，以无机物SiO2作抗粘连组分，表面活性高，粒子间易聚集成团，使薄膜表面抗粘分散性差，基膜表面局部凸起，表面粗糙度偏差大，膜材产品的表面平整性不良，造成油墨涂层与PET基膜之间的附着力差或油墨涂层厚度分布不均匀。

本文选择添加多孔球形硅基PET抗粘母料，选择合适粒径大小的粒子，控制粒子的添加量，解决二氧化硅凝聚对薄膜表面粗糙度的影响。相较于普通PET抗粘母料，SiO2经特殊硅烷偶联剂表面改性，降低了表面活性，有效提高了粒子的疏水性并改善了其在复合材料中的界面亲和性，减少了粒子间的聚集成团，薄膜表面硅分散更加均匀，还避免了基膜表面的局部重大凸起问题，改善了膜材产品的表面平整性，使基膜表面形成更多微观上的凹凸感，增加了PET基膜的比表面积，有利于油墨涂层的涂布，增加涂层与PET基膜之间的附着力，避免油墨脱落等问题。转印后油墨色泽鲜艳，着色强度高，边界清晰、完整。

图1 普通基膜(a)和本文基膜(b)表面抗粘分布和转印后效果

SiO2含量对薄膜表面粗糙度和摩擦系数有重大的影响。从图2中可以看出：随SiO2添加量增加，薄膜表面粗糙度显著增加，摩擦系数下降。当添加量由2000ppm增加到2800ppm时，薄膜表面粗糙度由0.085μm增加到0.172μm，摩擦系数由0.68降低至0.32；继续增大SiO2添加量，表面粗糙度增大趋势变缓，同时过量的SiO2易造成团聚，造成过滤器的堵塞，综合考虑选择2800ppm的SiO2添加量。

图2 SiO2添加量和表面粗糙度、摩擦系数的关系

2.2 薄膜力学性能和热稳定性的提高

基膜是碳带的载体，它的强度和热稳定性会直接影响碳带的延展性和使用范围。普通碳带选用的基膜力学性能和热性能较差，在张力的作用下，即使正常打印温度下也会出现碳带熔化断裂的现象，影响打印效率。

PEN是一种新型的PET同系聚酯，其分子链含有共轭的萘环结构，提高大分子芳香度，分子链刚性高，使PEN表现出比PET更为优良的物理机械、耐热、耐候、化学稳定等性能。

行走在石头砌成的盘道之中，两旁高大挺拔的橡树因为冬季的到来只剩光秃秃的枝桠，在雾气的环绕之下，让人有种孤寂之感。“紧十八、慢十八、不紧不慢又十八”，这是用来形容泰山“十八盘”的一句话，行走在徂徕山的这条盘道之中虽然没有“十八盘”这么陡峭，但是也着实费了一些力气，记者一行爬上去大约用了半个小时。

本文在薄膜芯层加入一定比例的PEN材料，提高了薄膜强度和耐热性，降低了薄膜热收缩率，薄膜受热后尺寸稳定性好，不易变形，避免碳带由于张力的扩大而导致断裂。PEN添加量对薄膜力学性能影响的试验结果表1所示，从中可以看出：添加PEN后薄膜的拉伸强度和热稳定性只有小幅度提升，并且随着PEN添加量的增加，薄膜拉伸强度和热稳定性反而降低。经研究发现，少量添加时由于PEN分子链上的萘环的作用，分子链刚性增加，薄膜性能提升；当添加量过大时，不相容的共混物两组分产生微观相分离，拉伸后薄膜性能较差。延长共混时间，两种同系聚酯在熔融状态下发生酯交换反应，形成共聚酯增容剂提高相容性，但随着共混时间增加，加剧了聚酯的降解，使共混物性能下降，影响薄膜的性能。

表1 PEN添加量对薄膜性能的影响

因此我们预先制备PET-PEN共聚酯，加入PET和PEN的共混物中，通过共聚酯增容提高两相相容性和共混物性能。

由表2可以看出：随着PET-PEN共聚酯添加量的增加，共混物的熔点(Tm)降低，说明共混物的结晶度下降，这是由于共聚酯的加入，提高了PET和PEN的相容性，PET分子链引入PEN的萘环，破坏了原有分子链的规整结构，降低了PET链段的结晶能力。并且在共聚酯添加达到一定量时，共混物只存在一个玻璃化转变温度(Tg)，说明整个共混物体系变成PET和PEN的嵌段共聚物结构，这也证明了共聚酯的添加对共混物的增容作用。

表2 PET/PEN/PET-PEN共混物的玻璃化转变温度(Tg)和熔点(Tm)

PET-PEN共聚酯添加量对薄膜力学性能的影响的试验结果如表3所示，从中可以看出：添加PET-PEN共聚酯可以显著提高薄膜的力学性能和热稳定性。

表3 PET-PEN添加量对强度、F5值和热收缩率的影响

PET-PEN共聚酯的增容作用，PET大分子链上引入萘环结构，由于萘环结构的刚性更强，有利于提高聚酯共混物的力学性能。随着萘环含量的增大，进一步降低了PEN分子链的结晶能力，又使PET的力学性能相对下降，因此添加过量PET-PEN共聚酯时，共混物力学性能的增加趋势变缓。

2.3 薄膜厚度均匀性的控制

薄膜在下游加工过程中，要求在基膜两侧分别涂布背涂层和热转印层，为了保证涂布工艺的良好效果，对基膜的厚度均匀性有很高的要求。若厚度均匀性较差，使涂层厚度不均，不利于油墨在薄膜表面分散，产品会出现花斑现象以及打印时转印不良、清晰度不高等问题。由于新型抗粘母料、PEN等功能材料的特性差异，各层熔体流动速率的差异，都会在一定程度上影响薄膜厚度均匀性的控制。

表4 各种材料的熔点和特性粘度对比

通过分析挤出机、模头对厚度影响的机理，优化挤出机塑化温度、模头类型和开度，合理设定挤出机温度。根据PET抗粘母料、PEN等材料以及PET切片的熔点及粘度大小，为使原料在挤出机内达到良好的混和、塑化、排气效果，并结合材料流变性能的研究，保证各层熔体流动速率一致和分布均匀，确定芯层和功能层挤出机的设定温度和拉伸温度。

表5 挤出机设定温度

采用上述工艺措施后制得不同批次得薄膜，测定性能，两批次产品的薄膜平均厚度偏差由±1.2%降低到±0.44%，薄膜厚度分布2-σ值由0.976减小到0.380，薄膜厚度均匀性得到明显提高。

2.4 膜面洁净度控制

热转印碳带是在两面分别涂上油墨和背涂层的聚酯薄膜，当标签通过打印机的打印头和压轴时，在温度和压力作用下将油墨转印到标签上。为使转印图案、文字清晰，要求(1)基膜表面洁净，无明显缺陷和异物，生产工艺中优化挤出机温度和压力等工艺参数，提高熔体塑化效果，减少晶点产生；(2)过滤器碟片孔径由20μm降为10μm，减少杂质进入挤出机形成晶点，定期更换过滤器保持过滤效果；(3)静电贴附丝直径由0.12mm降为0.10mm，优化静电贴附丝位置和电流等工艺参数，提高贴附效果。

3 薄膜性能对比

本文产品与国内外同类产品的性能指标对比如表6。

由表6中数据可以看出：本文产品在表面粗糙度、机械性能、热稳定性等指标上均优于国内同产品，达到国际先进水平。

表6 产品性能对比表

4 总结

本文通过引入多孔球形硅基抗粘母料、PEN等功能材料共挤出薄膜，解决了改性PET、PEN材料共挤出厚度均匀性问题，有效控制了外观质量，研发出了高清碳带打印用BOPET基膜，并优化了共挤工艺。该产品的研发成功，可在一定程度上促进我国功能性聚酯薄膜及其下游产业的发展，有助于提高产品竞争力，并促进我国碳带产业链的健康发展。