BOPET光学薄膜用防粘结母料的研究与应用

2023-01-06刘小珊周慕纯王微微王大鹏

当代化工研究 2022年22期

＊刘小珊周慕纯王微微王大鹏

（汕头市贝斯特科技有限公司广东 515065）

1.前言

双向拉伸聚酯（BOPET）薄膜具有优异的综合性能，例如，机械强度高、光学性能好、阻隔性优良、耐酸耐腐蚀等而广泛应用于电子元件、包装、液晶显示、玻璃贴膜、建筑装潢等领域[1-2]。近十几年来，我国BOPET薄膜行业虽然得到了高速发展，但由于我国该行业的发展主要途径为提高产能，而对高性能聚酯薄膜及差异化聚酯薄膜的研究投入过少。从而导致现阶段普通低附加值聚酯薄膜产能严重过剩，而新颖高端产品，例如光学级BOPET薄膜又供不应求，基本依赖进口[3-6]。因此，开发此类光学级高透明BOPET薄膜显得尤为迫切。这就必须从原料、工艺、设备等方面入手。为了解决任何BOPET薄膜所需要添加的防粘结母料所暴露的缺点，尤其是提高其光学性能，满足其作为光学薄膜的性能要求，关键需要研制出提高薄膜光学性能且适合于成膜加工工艺和不影响薄膜防粘性能的BOPET特殊功能性母料。而到目前为止，国内外相关光学级BOPET薄膜专业防粘结母料的研究和报道仍非常有限[7]，国内更未有工业化产品。因此，本论文将围绕着光学级BOPET防粘结母料的研发与应用展开。

2.实验部分

(1)实验原料

实验原料，如表1所示。

表1 实验原料

(2)实验设备和仪器

实验设备和仪器，如表2所示。

表2 实验设备和仪器

(3)样品制备

①光学级BOPET防粘结母料的制备

通过精密失重称量系统称量、配料，采用双螺杆挤出机混合、熔融、挤出、水下切粒、风干、分装制成。

A.预干燥。

B.双螺杆挤出机生产。

a.挤出机各区温度250～290℃；

b.主机转速200～450r/min；

c.电流300～400A；

d.1～3段真空排气，真空度-0.05～0.1MPa；

e.无机物料采用高精密（误差0.5%）称下料；

f.挤出机螺杆原件采用低剪切高分散特制组合原件；

g.选用高密度滤网。滤网为五层，两表层选用目数为40目，上下第二层选用目数为60目，中间选用300目的滤网组合，通过实践表明可以有效防止团聚粒子的筛选。

C.造粒。

D.成品干燥。

②光学级BOPET薄膜的制备

光学级聚酯薄膜采用三层共挤的方式制备，上表层和下表层的原料组成为空白切片和光学级聚酯防粘结母料，将空白切片和防粘结母料按照一定比例混合组成，防粘结母料的添加量一般为2%～3%。聚酯薄膜的生产工艺为[8]：空白切片与防粘母料通过风机投料到各料仓，然后按照给定的比例，自动配料混料，混料均匀后，进入到预结晶器中进行预结晶，原料预结晶后进入到干燥塔中进行干燥，干燥后的原料进入挤出机，原料在挤出机中加热熔融，经过计量泵、过滤器、适配器后到达模头，从模唇流出后，经吸附系统按压到激冷辊上，迅速冷却铸片，厚片经过纵向拉伸后进入横拉系统进行横向拉伸，最后经过牵引系统到收卷系统形成大膜卷。最后按照客户规格要求进行分切、检验和包装入库。

3.结果与讨论

(1)防粘剂的选择

防粘结几乎是薄膜生产过程和使用过程都要考虑的问题，当薄膜叠放在一起时，它们易于粘连在一起，在薄膜生产过程的收卷、分切、包装和运输等工序以及使用中将可能造成许多问题。当防粘剂添加在薄膜中时，由于物理属性的不同，会形成两个介质层，根据光学原理，当两个介质的折光系数不一样时，光通过薄膜时，会因为反射、漫反射和散射等造成光的损失，进而影响薄膜的透光率和雾度。而造成这种影响与防粘剂的折光系数、粒型、粒径大小、防粘剂用量都有关系。

本文系统研究了碳酸钙、凝胶法二氧化硅、沉淀法二氧化硅、有机硅氧烷、玻璃微珠、聚甲基丙烯酸甲酯、硫酸钡、沸石、云母、滑石粉、硅藻土等无机和有机材质防粘剂。遵循光学原理和防粘效果等客户实际需要，结合扫描电镜对防粘剂形貌及粒径等进行研究和分析后，我们初步选择了玻璃微珠（硅铝酸盐）、有机硅氧烷、PMMA三种防粘剂，扫描电镜图，如图1所示。主要原因有以下几点：

图1 防粘剂扫描电镜图

①根据光学原理研究发现，防粘剂折光系数与BOPET薄膜越接近，粒型越规整、粒径分布较窄等对薄膜光学性能的影响越小。

②由于BOPET薄膜的表层厚度一般为1～2μm，结合防粘性和光学性能要求，我们选择这几款粒径大小可控，大约2～3μm左右，粒径分布较窄的防粘剂。

③由于规则的球型粒子对薄膜的光学性能负面影响较小，且具有一定的爽滑性，因此我们更偏向规整的球型防粘剂。

(2)光学级聚酯防粘结母料与母料切片的性能对比

由于母料切片的制备方法是将防粘剂直接添加在乙二醇（EG）中，再经过研磨沉降、过滤后，将混有微纳米无机颗粒的乙二醇浆料一起加入反应釜进行酯化、缩聚制得。这将导致薄膜内存在很多不起防粘效果的微小颗粒，有效防粘粒子数量减少，粒型极其不规则，粒径分布很宽；过小的颗粒影响薄膜的雾度，过大的颗粒在薄膜印刷过程中容易产生白点，严重影响薄膜光学性能、防粘效果及加工性能。

通过对防粘结母料与母料切片进行灰分测试发现，防粘结母料中灰分含量（有效含量）为5.2%，而母料切片的灰分含量（有效含量）为0.3%。通过对两者灰分的粒径分布统计发现，母料切片中防粘粒子的粒径大小不可控，且粒径分布较宽。这使得有效防粘粒子比例下降、粒径较小的例如1μm以下的，将严重影响薄膜的雾度，粒径较大的例如8μm以上的，又将影响薄膜的印刷性。而防粘结母料中，防粘粒子粒径分布较窄，基本为3μm左右。高比例的窄分布有效防粘粒子将使得薄膜具有良好的防粘效果和光学性能。

通过显微镜对分别添加母料切片和防粘结母料的聚酯薄膜进行表面测试发现，如图2(a)中所示，添加母料切片所生产的聚酯薄膜表面存在很多粒型不规则，粒径大小不一，且分散情况不好的防粘粒子。这将严重影响薄膜的光学性能。而图2(b)中，添加本文所研发的高透明防粘结母料的聚酯薄膜，球型防粘剂均匀分布在薄膜表面，粒径大小在2～3μm左右，使其具有良好的防粘效果，且能更有效的降低防粘剂对薄膜光学性能的影响，提升薄膜的光学性能。

图2 (a)和(b)分别为添加母料切片与防粘结母料的聚酯薄膜表面显微图

为进一步研究添加母料切片与本文高透明防粘结母料对薄膜各项性能的影响，将在同等生产条件和相同最终添加量（0.2%）的情况下所生产的薄膜进行对比测试，测试结果如表3。从薄膜的机械性能测试数据可知，添加本文防粘结母料的聚酯薄膜的机械性能明显优于添加母料切片所生产的薄膜。且由于本研究防粘结母料中防粘粒子为规则的球型，具有一定的自润滑效果，使得聚酯薄膜在无需添加爽滑剂的情况下，亦具有较好的爽滑性，摩擦系数能达到0.28，在一定程度上方便了客户的生产与使用。最重要的是，从对比表中，粘合力测试数据表明添加本文高透明防粘结母料所生产的聚酯薄膜具有极佳的防粘性能，且其雾度可低至0.5%，远小于国内外母料切片所生产的聚酯薄膜的雾度。此数据更有力的证明了本文提供的防粘结母料对薄膜的光学性能影响很小，能生产防粘性能优异且高透明低雾度的聚酯薄膜。