ITO光學(xué)薄膜用紫外光固化涂料的制備及性能研究

（合肥樂凱科技產(chǎn)業(yè)有限公司 安徽 合肥 230041）

李 恒（通訊作者），劉玉磊，高俊紅，王 輝

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，觸摸屏越來越多地應(yīng)用在電子產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備、通訊設(shè)備等領(lǐng)域。觸摸屏的種類主要包括電阻式、電容式兩類，其核心技術(shù)是具有一層透明導(dǎo)電涂層，其載體是光學(xué)PET薄膜（聚對苯二甲酸乙二酯）。已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商品化的透明導(dǎo)電薄膜只有ITO（Indium Tin Oxides，摻錫氧化銦）和FTO（SnO2：F，摻氟氧化物）兩種，其中ITO作為綜合性能最佳的透明導(dǎo)電薄膜約占市場份額的94%[1]。

通常光學(xué)PET薄膜表面硬度偏低，在后續(xù)加工過程中容易產(chǎn)生劃傷，影響使用。所以需要對PET兩面進(jìn)行硬化處理，即在PET表面涂布一層紫外光固化的涂料，然后通過UV固化而成，使表面硬度達(dá)到1H～3H。在實(shí)際的產(chǎn)業(yè)化過程中，薄膜收卷時(shí)硬化層和硬化層疊加在一起，一方面，兩個(gè)硬化層之間處于真空的貼合狀態(tài)，它們之間靜摩擦力很大（大于1），難以順利收卷；另一方面，硬化層表面有大量的外露分子鏈，在兩硬化層之間產(chǎn)生大分子鏈的互相纏繞，長久放置后PET雙面硬化層容易粘連，導(dǎo)致薄膜受損嚴(yán)重，影響后續(xù)深加工[2]。

納米SiO2是一種無毒、無污染的無機(jī)粉體材料，具有小尺寸、表面界面、量子尺寸效應(yīng)[3]等性能，在涂料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4]。將納米SiO2應(yīng)用于紫外光固化涂料能有效提升涂層的某些性能，改善紫外光固化涂料的一些固有缺陷[6-8]，但目前將其應(yīng)用于光學(xué)薄膜領(lǐng)域，使硬化涂層具有防粘連效果（Anti-blocking）的研究還比較少[9]。防粘連效果一般通過摩擦系數(shù)和涂層表面爽滑性來評測。本工作制備了聚氨酯丙烯酸酯/納米SiO2復(fù)合光固化涂料，對涂層的硬度、霧度及硬化面與硬化面之間的摩擦系數(shù)進(jìn)行了測試，研究了納米SiO2粒子的粒徑大小、添加量及涂料中的溶劑搭配、助劑選擇對硬化涂層防粘連效果的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原料

六官能團(tuán)聚氨酯丙烯酸樹脂CN9010 NS：沙多瑪化學(xué)有限公司；光引發(fā)劑Irgacure 184：長沙新宇化工實(shí)業(yè)有限公司；丁酮（MEK）：武漢新世紀(jì)化工有限公司；異丙醇（IPA）、甲基異丁基酮（MIBK）、丙二醇甲醚（PM）：蘇州藍(lán)天化工貿(mào)易有限公司；納米SiO2油性分散液（幾種不同粒徑，粒子量為25%）：杭州萬景高新材料有限公司；流平劑：畢克化學(xué)BYK系列；PET膜，125微米，中國樂凱集團(tuán)有限公司。

2.2 儀器及設(shè)備

SFS-S400高速分散機(jī)：上海世赫機(jī)電設(shè)備有限公司；漆膜劃格器、小車式鉛筆硬度計(jì)：廣州標(biāo)格達(dá)實(shí)驗(yàn)室儀器用品有限公司；Mayer線棒涂布器：上海化工設(shè)備儀器廠；LT1KW-2型紫外光固化機(jī)：藍(lán)天特?zé)舭l(fā)展有限公司；NDH2000N型透光率/霧度儀：日本電色工業(yè)株式會社；掃描電子顯微鏡Hitachi S-4700：日本日立公司；TMI 32-07系列摩擦系數(shù)測定儀：美國TMI公司。

2.3 PET硬化涂層的制備

2.3.1 聚氨酯丙烯酸脂/納米SiO2復(fù)合UV涂料的制備 將聚氨酯丙烯酸樹脂、光引發(fā)劑、溶劑等按照配比加入高速分散釜中，500r/min下分散30min，加入納米SiO2分散液，1500r/min攪拌30min，混合均勻后過濾，得到納米復(fù)合涂料。控制涂料的固含量為20%～ 25%。

2.3.2 硬化涂層的制備 采用Mayer線棒涂布器，將納米復(fù)合涂料均勻涂布在PET膜上，80℃烘箱中烘1min，然后進(jìn)行UV固化，制得ITO用硬化涂層。

2.4 涂層性能測試

（1）附著力：按GB/T 9286-1998進(jìn)行測試。

（2）硬度：按GB/T6739-2006進(jìn)行測試。

（3）透光率/霧度測試：根據(jù)ASTM D1003標(biāo)準(zhǔn)測試。

（4）摩擦系數(shù)：按GB 10006-1988進(jìn)行測試。

（5）爽滑性：將固化后樣片的硬化面與硬化面貼合進(jìn)行摩擦，根據(jù)兩個(gè)硬化面之間的爽滑程度，評價(jià)方法如下。兩張硬化膜極易滑動，計(jì)為“◎”；兩張硬化膜比較容易滑動，計(jì)為“○”；兩張硬化膜摩擦?xí)r有輕微阻力，計(jì)為“△”；兩張硬化膜基本滑不動，計(jì)為“×”。

3 結(jié)果與討論

3.1 納米SiO2改性UV涂料制備硬化涂層的性能測試

按照UV固化涂料的常規(guī)配比，制備了聚氨酯丙烯酸樹脂/納米SiO2復(fù)合涂料，并對比測試了沒有加入納米SiO2的涂料固化后涂層的光學(xué)性能、防粘連性能。UV固化涂料各組分配比為：聚氨酯丙烯酸樹脂CN9010 NS：25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）；溶劑MIBK：60.75%；光引發(fā)劑Irgacure 184：1.75%；納米SiO2分散液（固含25%）：12.5%（加或者不加，平均粒徑為36nm）。

對兩種UV涂料固化后涂層進(jìn)行性能測試，結(jié)果如表1。從表中可以看出，添加納米SiO2后，對霧度、硬度、附著力性能基本沒有影響。但是硬化面與硬化面的摩擦系數(shù)和爽滑性發(fā)生了較大的改變，摩擦系數(shù)從大于1（較大，一般難以測出）降低至0.58，爽滑性從摩擦不動變到可以基本滑動，其原因是納米SiO2在涂層表面形成了納米級的凸起，使得硬化面與硬化面在摩擦?xí)r沒有形成直接接觸，而是通過納米粒子的凸起形成了爽滑的效果。添加粒子后的掃描電鏡照片如圖1所示，從圖1可以看出，添加納米粒子后，在涂層表面形成了納米級的凸起。

表1 納米SiO2對涂層基本性能的影響

圖1 添加納米SiO2粒子后的涂層掃描電鏡照片

3.2 粒徑大小對防粘連效果涂層性能的影響

用 平 均 粒 徑 分 別 為 12nm、36nm、50nm、85nm、130nm、200nm的納米SiO2粒子制備了復(fù)合涂料，UV固化后測試涂層性能，數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以看出，粒徑大小對涂層表面硬度沒有影響，但對霧度和摩擦系數(shù)影響較大。SiO2粒子粒徑大小從12nm增加到200nm，涂層的摩擦系數(shù)逐漸降低，從0.62降低至0.37，爽滑性逐漸變好。記納米粒子在涂層表面凸起高度為Ra，隨著粒徑的增大，Ra也在增大，光在涂層表面的散射增加，即霧度會逐漸增加。但Ra在某一范圍內(nèi)，由于納米粒子所具有的納米尺寸效應(yīng)，對薄膜的光學(xué)性能影響較小[5]。粒子粒徑在200nm時(shí)，霧度為2.05%，已經(jīng)不符合ITO透明光學(xué)膜的霧度要求（＜1%）。綜合考慮硬度、霧度、摩擦系數(shù)、爽滑性，選擇納米粒子粒徑范圍為50nm～130nm時(shí)，各項(xiàng)性能較優(yōu)。

表2 納米SiO2粒徑大小對硬化涂層性能的影響

3.3 粒子添加量對防粘連性能的影響

選擇粒徑為85nm的SiO2分散液制備復(fù)合涂料，添加量分別為5%（質(zhì)量份，下同）、10%、15%、20%、25%、30%、35%。UV固化后測試涂層性能，結(jié)果如表3、圖2所示。從表3及圖2中可以看出，粒子添加了從5%增加到35%，霧度逐漸增大，從0.46%至1.16%，摩擦系數(shù)從0.75降低至0.29，粒子添加量為20%以上時(shí)，摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)。另外粒子添加量對涂層硬度影響較大，在添加量為30%時(shí)，硬度從2H降低為1H。這是因?yàn)殡S著粒子添加量的增加，涂層表面的納米級凸起增加，則硬化面與硬化面之間的摩擦系數(shù)會逐漸降低，同時(shí)霧度逐漸增大，但粒子添加量過多時(shí)，過多的粒子會埋在涂層里，不再增加涂層的表面爽滑性。同時(shí)粒子添加量達(dá)到一定程度時(shí)，會影響涂層表面的交聯(lián)密度，從而使硬度降低。綜合考慮摩擦系數(shù)和表面硬度，選擇粒子添加量為20%～25%。

表3 納米SiO2添加量對硬化涂層性能的影響

圖2 硬化涂層的摩擦系數(shù)、霧度與納米SiO2粒子添加量的關(guān)系

3.4 涂料中溶劑對防粘連效果的影響

涂料中的溶劑并不參與成膜，在涂布完成經(jīng)過烘箱后要完全揮發(fā)，但溶劑要具有優(yōu)異的溶解能力和適當(dāng)?shù)膿]發(fā)速率，所以合理選擇溶劑和調(diào)配混合溶劑就顯得比較重要[10-11]。溶劑的揮發(fā)速度一般以其沸點(diǎn)高低來判斷，選擇幾種不同沸點(diǎn)的溶劑（如表4）來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表4 幾種溶劑的沸點(diǎn)參數(shù)

選擇納米粒子粒徑大小為85nm，添加量為20%，選取幾種不同沸點(diǎn)的溶劑制備UV固化涂料，干燥箱條件是80℃、1min，固化后測試硬化層防粘連性能。

溶劑的選擇對涂層防粘連性能的影響如表5所示。從表5中可以看出，選擇低沸點(diǎn)溶劑，其揮發(fā)速率快，粒子從樹脂涂層中上浮的時(shí)間較短，上浮的粒子數(shù)目偏少，上浮程度偏低，也就是納米粒子凸起的高度較低，凸起的粒子數(shù)目偏少，所以摩擦系數(shù)偏大，防粘連效果一般。選擇高沸點(diǎn)溶劑時(shí)，其揮發(fā)速率較慢，粒子上浮數(shù)目偏多，粒子凸起的高度較高，摩擦系數(shù)偏小，但由于粒子凸起高度達(dá)到一定程度時(shí)，粒子與涂層的接著性就會變差，即在薄膜收卷時(shí)會產(chǎn)生掉粉現(xiàn)象。最好的方法是選擇高、低沸點(diǎn)混合溶劑，使溶劑在涂層表面揮發(fā)速率適中且均勻，使粒子在涂層表面凸起高度較為合適，即產(chǎn)生較好的防粘連效果。考慮溶劑的溶解性并結(jié)合表中數(shù)據(jù)，選擇溶劑PM/MEK或MIBK/IPA=1/1時(shí)，硬化涂層具有較低的摩擦系數(shù)，防粘連效果較好。

表5 溶劑的選擇對涂層防粘連性能的影響

3.5 流平劑對防粘連效果的影響

流平劑是涂料常用的助劑，它能使涂料在成膜干燥過程中形成一個(gè)平整、光滑、均勻的涂膜。但每種流平劑的在特定UV涂料體系、工藝條件下的流平效果是不一樣的。流平劑常用的主要有兩類：丙烯酸類流平劑、有機(jī)硅流平劑，比較了這兩類流平劑在該樹脂體系中對防粘連性能的影響。

選擇畢克化學(xué)的兩類流平劑，丙烯酸流平劑：BYK-352、BYK-394，有機(jī)硅流平劑：BYK-300、BYK-333，添加量為體系的0.6%，比較了UV固化后硬化涂層的防粘連效果，結(jié)果如表6所示。從表中可以看出，添加丙烯酸類流平劑后硬化涂層的防粘連效果優(yōu)于添加有機(jī)硅類流平劑。這是因?yàn)楸┧崃髌絼┍扔袡C(jī)硅流平劑的表面張力高，故在趨向最終流平的動力方面，添加了丙烯酸流平劑的體系具有更強(qiáng)的流平能力，也就是它可以帶來更好的最終流平效果。粒子在兩種流平劑的涂層表面凸起示意圖如圖3所示，從圖中可以看出，流平效果更好的涂層，表面粒子凸起更明顯均一，硬化層之間的摩擦系數(shù)更小，即防粘連效果更好。

表6 流平劑對防粘連粘連性能的影響

圖3 使用不同流平劑（a-丙烯酸流平劑、b-有機(jī)硅流平劑）流平效果示意圖

4 結(jié)語

對聚氨酯丙烯酸樹脂/納米SiO2復(fù)合UV涂料的研究表明：該類涂料在PET上固化后，涂層防粘連性能優(yōu)異；納米SiO2粒子大小、粒子添加量、溶劑搭配及助劑選擇對涂層性能有重要影響。當(dāng)復(fù)合涂料的溶劑組成為PM/MEK=1/1或MIBK/IPA=1/1，流平劑選擇丙烯酸類，納米SiO2分散液選擇平均粒徑為85nm～130nm，添加量為體系的20%～25%時(shí)制備的硬化涂層摩擦系數(shù)小于0.2，防粘連性能優(yōu)異，解決了雙面硬化PET膜在收卷及后續(xù)加工中存在的收卷困難、易產(chǎn)生粘連弊病等一系列問題，可應(yīng)用于ITO用雙面硬化光學(xué)薄膜。

[1] 廖亞琴，李愿杰，黃添懋. 透明導(dǎo)電薄膜現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].東方電氣評論，2014，（28）：13-17.

[2] 鞠久妹，李冠毅，丁清華. 防粘連的雙面硬化膜及其制備方法[P]. 中國專利：103755995 A，2014-2-10.

[3] 周樹學(xué)，武利民. 納米材料在涂料中的應(yīng)用研究[J]. 中國涂料，2001，（3）：33-35.

[4] Sangermano Matuceili, Malucelli G G, Amerio E, et al.Photopolymerization of Epoxy Coatings Containing Silleana Nopari-cles[J]. Progress in Organic Coatings, 2005,54(2):134-138.

[5] Liu Botau,Teng Yatsun, Lee Rongho,et al.Strength of the interactions between light-scattering particles and resins affects the haze of anti-glare films[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2011,389:138-143.

[6] 唐富蘭，莫健華，薛邵玲. 納米 SiO2改性光固化成型材料的研究[J].高分子材料科學(xué)與工程，2007，23（5）：210～213.

[7] Kim B S,Park S H,Kim B K.Nanosilica-reinforced UV-cured polyurethane dispersion[J].Colloid Polymer Science,2006,286(4):1067-1072.

[8] Amerio E,Fabbri P,Malucelli G.Scratch resistance of nano-silica reinforced acrylic coatings[J].Progress in Organic Coatings,2008,62 (2)：129-133.

[9] 箱嶋夕子，松田政幸，村口良，等.附有硬質(zhì)涂膜的基材和硬質(zhì)涂膜形成用涂布液[P].中國專利：103897470 A，2014-7-2.

[10] 孫祖信.混合溶劑的選擇——溶解能力與揮發(fā)速度[J].材料開發(fā)與應(yīng)用.1986，（06）：22-29.

[11] 王興魁，陳京才.涂料用混合溶劑的調(diào)配原理[J].焦作師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào).1995，（01）：59-62.