一種PET薄膜表面改性方法的探究

王甲乙孫晨薇華飄馨仇露青闞彩俠

(1.南京航空航天大學理學院， 江蘇 南京 210000；

2.南京航空航天大學材料科學與技術學院， 江蘇 南京 210000)

一種PET薄膜表面改性方法的探究

王甲乙2孫晨薇1華飄馨1仇露青1闞彩俠1

(1.南京航空航天大學理學院， 江蘇 南京 210000；

2.南京航空航天大學材料科學與技術學院， 江蘇 南京 210000)

PET(聚對苯二甲酸乙二酯)薄膜具有良好的光學性能，而對PET的表面改性一直是PET薄膜研究中的重點。PET的表面改性有多種方法，本工作就“表面涂覆”這一方法進行相關探究，采用一定濃度的金屬鹽溶液，并與一定的溶質混合制備成為膠體，從而使得PET薄膜具有更加優良的綜合特性，并對其中部分機理進行推斷性探究。

PET；選擇性透過；表面處理

0 引言

PET膜又名耐高溫聚酯薄膜，它具有優異的物理性能與化學性能，可廣泛的應用于磁記錄、感光材料、電子、電氣絕緣、工業用膜、包裝裝飾、屏幕保護、光學級鏡面表面保護等領域。在高分子材料應用越來越廣的當今社會，對于PET的性能研究也具有了重要的意義[1]。

1 改性方法

為了得到更加綜合優良的PET材料，通常需要以PET薄膜為基體，加以改性，目前較廣泛的方法有[2][3]。

(1)機械處理：利用機械方法處理PET薄膜表面，使得其表面物理性能發生變化，比如粗糙度的變化，從而達到與材料更大的接觸面積以增強PET薄膜表面附著力。

(2)化學處理：采用化學試劑對PET薄膜進行改性，使其表面的物理化學性質得到改變。

(3)表面改性劑處理：利用一種同時含有親無機基團和親有機基團兩種不同性質的官能團的物質，從而改善PET薄膜和無機鍍層之間的界面作用，提高同無機鍍層的附著能力。

(4)表面涂覆：指在PET薄膜表面涂覆相關改進材料，從而改善表面性能弱項，拓寬其應用范圍。

以上為PET表面改性的部分方法。

2 實驗

2.1 PET薄膜的光學測試

本工作旨在“表面涂覆”這一方法進行探究。

圖1給出了單獨的PET薄膜的透光性測試圖像，可以看出在紫外光區域透過率為零，在可見光與紅外光區域具有良好的透過性。(見圖1)

圖1

2.2 圖象分析

對此現象進行探究，光與材料的相互作用實際上是光子與固體材料中的原子，離子，電子的相互作用，其中相互作用的結果表現在①電子極化：在可見光的頻率范圍內，電磁波的電場分量與傳播過程中的每一個原子都發生作用，引起電子極化，造成電子云和原子核電荷中心發生相對位移，使得光的一部分能量被吸收，光的速度減小，導致折射產生。②電子能態轉變：光子被吸收和發射，使得電子能態得到轉變。考慮一孤立的原子，該原子吸收了光子能量后可能將E2能級上的電子激發到能量更高的E3上，電子發生的能量變化△E=hv32。式中：h為普朗克常量，v32為入射光子的頻率，但需要明確電子的能級是分立的，即只有能量為△E的光子才可以被該原子吸收。[4]

而根據電子軌道的計算結果，電子軌道能級的能量以反鍵σ軌道最高，而n軌道的能量介于成鍵軌道與反鍵軌道之間。分子軌道能級的高低次序如下：

見圖2。

電子躍遷類型與分子結構及其存在的基團有密切的關系，可以根據分子結構來預測可能的電子躍遷，例如飽和烴σ→σ*，烯烴σ→σ*、π→π*，脂肪醚σ→σ*、n→σ*，醛酮π→π*、n→σ*、σ→σ*、n→π*。在四種電子躍遷類型中，σ→σ*躍遷和n→σ*躍遷上產生的吸收帶波長處于真空紫外區。π→π*躍遷和n→π*躍遷所產生的吸收帶除某些孤立雙鍵化合物外，一般都處于近紫外區，它們是紫外吸收光譜所研究的主要吸收帶。

由π→π*躍遷和n→π*躍遷所產生的吸收帶可分為下述四種類型[5][6]。

(1)R吸收帶由含有氧、硫、氮等雜原子的發色基團(羰基、硝基)n→π*躍遷所產生，吸收波長長，吸收強度低，如乙醛290nm。

圖2

(2)K吸收帶由含有共軛雙鍵(丁二烯、丙烯醛)的π→π*躍遷所產生，K吸收帶波長大于200nm，吸收強度強。

(3)B吸收帶是閉合環狀共軛雙鍵的π→π*躍遷所產生的，是芳環化合物的主要特征吸收峰。吸收波長長，吸收強度低，如苯256nm。

(4)E吸收帶芳香化合物的特征吸收帶，有兩個吸收峰，分別為E1帶和E2帶，E1的吸收約在180nm，E2的吸收約在200nm，都是強吸收，E1的吸收帶是觀察不到的，當苯環上有發色基團且與苯環共軛時，E2的吸收帶常和K吸收帶合并，吸收峰向長波移動。

因此，針對圖1，即對PET薄膜進行機理分析，PET 為高分子材料，又叫聚對苯二甲酸乙二酯，且PET含有苯環，屬于芳香烴化合物，所以對于PET主要是由閉合環狀雙鍵的π →π*躍遷所產生的，即主要有B吸收帶造成，也是芳環化合物的主要特征吸收，主要在近紫外區300nm處，在圖1可以看到相對應的光譜。

3 涂覆層的材料選取

3.1 膠體的成分

經過實驗探究發現，較重金屬鹽離子對與紅外光有一定的吸收作用，本工作基于這一原理，通過表面涂覆這一方法將PET進行改性，使其具有對于可見光的高透過性的基礎下，兼有對紫外光與紅外光的吸收作用，即選擇性透過。

為使得金屬鹽與PET的表面良好的結合，而考慮到金屬鹽與PET之間親和性較差，故需要良好的介質作為橋梁使得金屬鹽與PET可以充分結合而不易脫離。經過探究發現PVP具有與多種無機酸鹽相容的性質，且本身幾乎沒有毒性，配置成膠體又具有一定的黏性，有良好的透光性，故作為溶質與金屬鹽溶液配置成膠體，對PET薄膜進行表面涂覆[7][8]。(見圖3)

圖2為PVP結合PET薄膜的透光性測試，可以發現其與單獨的PET薄膜具有相似的圖像，其原理在于PVP含有羰基以及N元素且同為高分子物質，故對近紫外光區具有一定的吸收性。因此PVP的添加不會影響到原有成分的光學性質。

3.2 金屬元素的選取

其次對作為金屬鹽成分的金屬元素進行探究，本工作采用幾種較為常見的相對原子質量較大的元素Cu，Ag，Ni，Fe分別進行透光測試，其光學圖像見如下幾圖。(見圖4～圖7)

由圖3、圖4、圖5、圖6可以看到Cu鹽溶液的光學圖像相比于其他金屬鹽光學圖像具有最佳的選擇透過性，且銅元素比較容易獲取，因此銅元素為最佳涂覆元素。

且由圖3可以看出，不同種類的銅鹽溶液光譜，其具有的共同特點是對紅外與紫外的雙向吸收性。但是在可見光的透過光譜峰值產生了一定的差別，經過探索發現該峰值的差異在于銅鹽膠體本身的顏色，研究發現CuCl2為綠色溶液，對應在光譜峰值處的波長在590nm，而Cu(NO3)2為藍色，對應的光譜峰值在430nm。而通過選用與CuCl2帶有相同顏色的透明不含銅鹽的材料進行測試，結果見圖8[9]。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

由圖7可看出該帶色透明材料產生了與CuCl2相近的峰值，都在550nm左右，區別在于在紅外光區沒有吸收性能。該原因不難理解在于帶色透明材料本身的屬性造成了只有其顏色波長附近的可見光可以透過，而其他的可見光部分則被吸收。而針對以上幾圖在紅外光部分產生的吸收現象，可解釋為當紅外光透過金屬鹽時，金屬鹽內部的離子彈性振動與光子輻射產生諧振消耗能量所致[10][11]。

3.3 表面改性后的PET薄膜光學測試

綜上，對具有以銅鹽(本次測量選用CuCl2)為涂覆金屬鹽材料，與PVP配置成為膠并

進行PET薄膜的表面涂覆，待涂層充分且均勻地涂覆后進行透光性測試，結果圖9。

圖9

由圖9可以看出該經過表面涂敷改性處理的PET薄膜在具有良好的可見光透過率上，還兼有良好的選擇透過性，具備了更加優異的綜合性能。

4 結語

現代社會高分子材料與人類的生活密切相關，而對于高分子材料的性能探究則從未停止。PET膜是一種具有廣闊前景的材料，對PET的改性歷來被科研人員所重視，其方法多種多樣[12]，本工作僅是對其中的一種方法即“表面涂覆”做一定的探究，并最終得出一種具有優良的選擇性透過的改性PET薄膜材料。在其他方法上面，相信都可以通過探究得到良好性能的PET改性材料。

對于該改性PET薄膜的應用上，在建筑工程上有著良好的發展前景，在城市建筑的幕墻上、工廠與實驗室的透光玻璃上都可以應用，從而使得室內的人或者重要儀器與藥品得到保護，避免紫外線與紅外線的影響；對于PET薄膜的改性研究進展過程中難免會產生新的問題，同時也引起了新的思考與展望，如：涂覆過程中難以避免的氣泡問題、涂覆材料與PET薄膜表面的結合強度問題，這些都對科研者提出了新的挑戰，PET是一種重要的高分子材料，對于其性能的研究不僅體現在化工上面，也體現在對于科學研究的不懈追求，未來的PET改性方法一定會向著更加全面，更加深入的層次發展。

而單從對工業探究的方法進行思考，可以得出以下設想：不僅在化工材料的探究上，在所有的工業材料與方法的探究上，應避免盲目實驗，應有體系化的思維，也就是應有明確的指導思路，避免走錯路與繞彎路。而如何將工程工業的方法進行體系化，這是一個龐大的工程，德國近幾年前便提出了工業4.0的構想，即將整個工業體系進行智能化與系統化，就如同人類的“基因組計劃”，這些概念應該被中國的工業設計者充分重視起來。因為工業革新的目的在于提高人類生產效率與降低勞動強度，而這種革新在當前已經不僅是生產原材料的革新，也應是生產方式的革新。

[1]楊興娟,修志鋒,尤叢賦，等.PET薄膜表面改性研究進展[J].工程塑料應用,2015,(4):148-152.

[2]陸楓瀟.PET薄膜功能性表面的制備及應用研究[D].常州大學,2015.

[3]劉敏,林永貴.一種耐磨性好、抗沖擊性強的PET保護膜及其制作工藝:CN103602044A[P].2014.

[4]鄭樂民.原子物理[M].北京大學出版社,2010.

[5]常香玲.有機化合物的顏色與共軛π→π*躍遷[J].南都學壇:自然科學版,2001,21(6):47-48.

[6]沈常宇,金尚忠.光學原理[M].清華大學出版社,2013.

[7]袁東芝,鄧康清,楊柱.PET型光學薄膜用涂層及相關技術研究現狀[J].化學與粘合,2012,34(2):59-64.

[8]馬婷芳,史鐵鈞.聚乙烯吡咯烷酮的性能、合成及應用[J].應用化工,2002,31(3):16-19.

[9]石永軍,劉大軍.含金屬光學塑料的合成及性能測試[J].長春理工大學學報自然科學版,1996，(2). [10]島內武彥.紅外線吸收光譜解析法[M].科學出版社,1960. [11]田蒔.材料物理性能[M].北京航空航天大學出版社,2006.

[12]楊始堃.聚酯薄膜應用和相關技術(Ⅰ)[J].聚酯工業,2003,16(1):58-62.

①闞彩俠，漢族，南京航空航天大學理學院物理系主任，博士生導師。研究方向為納米光電功能材料。②王甲乙，漢族，江蘇省南京航空航天大學在讀本科生，研究方向材料科學與工程高分子材料學。③孫晨薇，漢族，南京航空航天大學在讀本科生，研究方向為光電材料。④華飄馨，漢族，江蘇省南京航空航天大學在讀本科生，研究方向為自動化。⑤仇露青，漢族，江蘇省南京航空航天大學在讀本科生，研究方向為應用物理。